一种仿生水母机器人及其控制方法

1.本发明涉及水下仿生机器人的技术领域，更具体地，涉及一种仿生水母机器人及其控制方法。

背景技术：

2.自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学，通过观察、模拟、制作生物外形、运动结构、控制方式等来达到在传统工业中改进或者创新原有技术的目的。从仿生学与运动学的角度而言，水母具有优良的形体结构和运行姿态，能够实现较高的能量利用效率，因此给水下探测机器人提供了良好的仿效对象。目前，国内外研究人员对仿生水母机器人已进行了多年研究，形成了一定的成果。但是，大多数的仿生机器水母通常速度较慢，灵活性较差，绝大多数都不能灵活自主地调整三维空间的游动姿态，为后续实际应用带来困难与挑战。
3.传统的仿生机器水母大多依靠其腔体内设置的可移动配重块、通过改变重心位置的方式进行转向控制，该方法对于转向控制的精准度较低，并且重心改变过程中存在较高的滞后性，故存在一定的局限性。

技术实现要素：

4.本发明目的在于克服现有的仿生水母机器人水下转向控制不精确、不方便的缺陷，提供一种仿生水母机器人及其控制方法，能够实现仿生水母机器人水下转向的精确控制。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种仿生水母机器人，包括头部壳体和设于所述头部壳体一端的触脚，所述头部壳体的内腔中设有用于通过传动组件驱动所述触脚收缩和张开的主驱动组件，控制所述仿生水母机器人转向的转向组件，用于控制主驱动组件和转向组件的控制系统组件，以及用于给主驱动组件、转向组件和控制系统组件提供动力源的动力组件；所述转向组件包括控制仿生水母机器人左右转向的第一飞轮转向组件，以及控制仿生水母机器人前后转向的第二飞轮转向组件，区别于传统的配重块，飞轮转向组件能够精准地控制水母机器人的转向幅度。
7.本发明的工作原理是：由透明材质制成的头部壳体内腔中设有主驱动组件、传动组件、转向组件、控制系统组件以及动力组件。在动力组件供能的状态下，控制系统组件控制主驱动组件进行机械运动，并将该机械动能通过传动组件转移到仿生水母机器人的触脚上，使所述触脚收缩和张开，实现仿水母式喷射推进。本发明设置的转向组件包括两个飞轮转向组件，其中一个控制仿生水母机器人左右转向，称之为第一飞轮转向组件，另一个控制仿生水母机器人前后转向，称之为第二飞轮转向组件，所述第一飞轮转向组件和第二飞轮转向组件均设在所述头部壳体的底盘上，且两者的轴向相互垂直。当需要转向时，所述控制系统组件能够分别单独地控制所述转向组件中的任意一个或两个，使仿生水母机器人的前
进方向发生偏转，进行转向控制。
8.进一步地，所述主驱动组件包括固定于所述头部壳体的底盘上的防水电机仓，固定于所述防水电机仓内且输出轴穿出到所述防水电机仓外侧的直流减速电机，与所述直流减速电机的输出轴连接的圆柱凸轮，与所述圆柱凸轮相配合且能随所述圆柱凸轮的旋转沿其自身轴线方向进行往复运动的推杆，所述圆柱凸轮的周向侧面上设有蛇形滑槽，所述推杆与所述圆柱凸轮配合的一端对称设有支撑杆，所述支撑杆上设有与所述蛇形滑槽配合的导柱。所述防水电机仓包括直流减速电机壳体与直流减速电机盖，所述直流减速电机壳体与所述直流减速电机盖之间的防水处理能够保证本发明在下潜至设计深度进行水下作业时，内置的直流减速电机正常运行；所述直流减速电机的电机轴通过o型密封圈与所述直流减速电机壳体实现静密封。通过所述圆柱凸轮的配合，本发明将所述直流减速电机输出轴的水平旋转运动转化为推杆的竖直往复运动，并在底板中心孔处对所述推杆的活动范围进行约束，保证其正常运动。所述推杆与所述传动组件连接。当仿生水母机器人在水中的浮力较小时，所述防水电机仓外侧可设置泡沫块。所述泡沫块起提供浮力的作用，用于平衡仿生水母机器人自重，实现机器人在水中的失重状态。
9.进一步地，所述传动组件包括与所述推杆连接的连接件，一端与所述连接件转动连接的连杆；所述连杆的另一端与所述触脚靠近所述头部壳体的一端转动连接，从而在所述主驱动组件的作用下实现所述触脚的周期性伸缩运动。当所述推杆通过圆柱凸轮的旋转而进行往复运动时，与其连接的所述连接件和连杆均同样地进行往复运动，进而带动所述触脚进行规律性的张合。
10.进一步地，所述触脚的数量至少3个，其沿所述头部壳体的底盘的周向均匀分布，所述触脚外周设有覆膜；所述触脚上设有转动连接点，所述转动连接点与所述头部壳体的底盘的边缘转动连接。在所述连杆的带动下，所述触脚以所述转动连接点为支点进行收缩和张开的机械运动。所述触脚沿所述头部壳体的周向均匀分布，所述触脚的四周设有仿雨伞结构设计的硅胶覆膜，所述硅胶覆膜的宽度略长于所述触脚末端至所述触脚与所述连杆转动连接位置的长度。所述触脚运动至最大伸展状态时，通过所述硅胶覆膜粘附于其中一只触脚的自由端边缘，拉紧所述硅胶覆膜依次粘附连接剩余触脚，实现覆膜对所有触脚的连接并形成环状覆膜结构，而后将多余的硅胶薄膜尽可能拉紧展开，粘附于所述底板上，以增强所覆硅胶薄膜的牢固性以及制造一个近似密闭的腔体。当水母机器人进行周期性往复伸缩运动时，以此来增大触水面积，增加源动力。优选地，本发明选用硅胶材质的覆膜以替代乳胶薄膜，充分利用了硅胶材质化学性质稳定、有较高的机械强度等优点。
11.进一步地，所述第一飞轮转向组件包括固定于所述头部壳体的底盘上的第一飞轮腔，固定于所述第一飞轮腔内侧挡板的第一直流电机，通过第一弹性圆柱销与所述第一直流电机输出轴连接的第一飞轮，与所述第一弹性圆柱销凸出所述第一飞轮部分连接的第一磁体，以及设于所述第一飞轮腔壁面正对于所述第一磁体中心点处的第一磁编码器；所述第二飞轮转向组件包括固定于所述头部壳体的底盘上的第二飞轮腔，固定于所述第二飞轮腔内侧挡板的第二直流电机，通过第二弹性圆柱销与所述第二直流电机输出轴连接的第二飞轮，与所述第二弹性圆柱销凸出所述第二飞轮部分连接的第二磁体，以及设于所述第二飞轮腔壁面正对于所述第二磁体中心点处的第二磁编码器。所述第一飞轮腔体与第一飞轮腔体盖的连接处使用电胶带和密封胶进行防水处理，所述第二飞轮腔体与第二飞轮腔体盖
的连接处使用电胶带和密封胶进行防水处理；飞轮腔体与飞轮腔体盖之间的防水处理能够保证本发明在下潜至设计深度进行水下作业时，内置的转向驱动组件正常运行。根据角动量守恒定律，所述第一直流电机或第二直流电机给定一方向的加速度，则机器人本体会产生反向的动量矩。通过采集机器人偏转角度、电机转角、电机转速等数据，对其进行数据拟合、建模，实现精准位姿调整和转向控制。相较于内置重物、通过移动重物调整重心以改变运动方向的方式，本发明采用飞轮转向的方式能够快速对运动方向和运动姿态进行精准、迅速地调整，提升机器人在水下作业时的效率。
12.进一步地，所述控制系统组件包括固定于所述头部壳体的底盘上印刷电路板腔，设于所述印刷电路板腔内的印刷电路板。所述印刷电路板腔包括印刷电路板壳体和印刷电路板盖，所述印刷电路板壳体和所述印刷电路盖板的连接处用电胶带和密封胶进行防水处理，印刷电路板壳体与印刷电路盖板之间的防水处理能够保证本发明在下潜至设计深度进行水下作业时，内置的印刷电路板正常运行。所述印刷电路板包括主控芯片，电源稳压模块，晶振电路和复位电路，通过io口连接双桥电机驱动模块，产生pwm以驱动所述直流减速电机、所述第一直流电机和所述第二直流电机。所述主控芯片通过spi总线接口分别连接无线通信模块，陀螺仪和加速度计模块，flash存储器；通过icc总线接口连接磁编码器模块；通过sccb总线接口连接摄像头模块。
13.进一步地，所述动力组件包括固定于所述头部壳体的底盘上电源仓，设于所述电源仓内的电池。所述电源仓包括电池箱和电池箱盖，所述电池箱和所述电池箱盖的连接处用电胶带和密封胶进行防水处理。所述电池箱盖、所述印刷电路板壳体、所述直流减速电机盖、所述第一飞轮腔体、所述第二飞轮腔体之间的通电细导线开孔处均采用密封胶进行防水处理。上述防水处理能够保证本发明在下潜至设计深度进行水下作业时，内置的电池正常向本发明的其他零部件进行供电。
14.一种适用于上述仿生水母机器人的控制方法，包括以下步骤：
15.s1、控制系统组件控制直流减速电机启动，带动圆柱凸轮旋转，推杆将所述圆柱凸轮的旋转运动转化为其自身的往复运动，带动连接件、连杆进行往复运动，再带动触脚的张合，实现仿生水母机器人朝某一方向游动；
16.s2、当仿生水母机器人的速度需要调节时候，所述控制系统组件调节直流减速电机的转速，从而改变触脚的张合频率，实现仿生水母机器人游动速度的改变；
17.s3、当仿生水母机器人需要转向时，所述控制系统组件控制第一直流电机、第二直流电机启动，分别带动第一飞轮、第二飞轮旋转，产生绕飞轮轴心的角动量，此时仿生水母机器人必须沿与飞轮自旋方向相反的方向转动，以实现角动量守恒，由此实现仿生水母机器人的转向控制；
18.s4、当仿生水母机器人在水中游动时，所述控制系统组件控制设于所述底盘上的摄像头模块启动，实时监测仿生水母机器人前部的环境，并将采集到的图像信息传送至所述印刷电路板进行处理；当所述摄像头模块检测到前部有障碍物、仿生水母机器人需要避障时，所述控制系统组件控制第一直流电机、第二直流电机启动，分别带动第一飞轮、第二飞轮旋转，使仿生水母机器人实现转动，以避开障碍物。
19.进一步地，在所述步骤s3中，对于仿生水母机器人的转向控制，使用了双串级pid运动控制算法，具体为：
20.s31、当仿生水母机器人游动时，将某个特定期望位置作为输入，与所述印刷电路板上设有的陀螺仪和加速度计模块所测得的实际位置形成一个偏差位置，并将此偏差位置分解为左右偏差位置和前后偏差位置；
21.s32、所述左右偏差位置和前后偏差位置分别经第一次pid算法计算得到位置环输出值，再与速度环进行建模，分别得到左右期望速度和前后期望速度，所述pid算法的表达式为：
[0022][0023]
其中u(k)代表pid算法的计算结果，即控制量；k
p
代表比例项的调节系数，用以调节pid的性能；ki代表积分项的调节系数，用以调节pid的性能；kd代表微分项的调节系数，用以调节pid的性能；e(k)代表误差，即目标值－控制对象当前的状态值；[e(k)-e(k-1)]代表当前误差－上次误差；
[0024]
s33、所述左右期望速度与第一磁编码器测得的第一飞轮的实际转速进行第二次pid算法计算，得到左右偏差转速，所述前后期望速度与第二磁编码器测得的第二飞轮的实际转速进行第二次pid算法计算，得到前后偏差转速；
[0025]
s34、计算得到的左右偏差转速和前后偏差转速返回到所述控制系统组件，由所述控制系统组件分别调节所述第一直流电机、第二直流电机的转速，进而控制第一飞轮、所述第二飞轮的转速，实现仿生水母机器人的精准转向控制。
[0026]
进一步地，在所述步骤s4中，所述印刷电路板对采集到的图像进行预处理，增强有关信息的可检测性和简化数据，从而改进特征抽取、识别的可靠性，具体为：
[0027]
s41、对所述摄像头模块拍摄的图像进行均值滤波，计算每一个像素点周围像素点、包括该点的平均像素值，作为该像素点滤波之后的像素值，矩形窗口的大小为(2n+1)*(2n+1)，对于(2n+1)*(2n+1)的窗口，中心点(x,y)的平均像素值可根据如下公式计算：
[0028][0029]
其中，当窗口的行数或列数为3时，n＝1，以此类推；
[0030]
s42、对进行均值滤波处理后的图像进行二值化处理，即将图像上的点的灰度值调整为0或255，也就是将整个图像呈现明显的黑白效果，处理后的图像数据量大大减少，但仍可反应图像整体和局部特征；
[0031]
s43、对图像进行边缘检测，具体是使用canny算子模型，为到一个最优的边缘轮廓，所述canny算子模型包括首先根据高斯公式生产一个滤波算子，然后将待处理的像素点及邻域像素点的灰度值与这个滤波算子进行卷积运算来实现加权平均运算，以去除图像中高频率的噪声，所述高斯公式为：
[0032][0033]
然后计算梯度图像和角度图像，图像中某一像素点的梯度g和角度θ可用以下公式表示：
[0034][0035][0036]
得到的梯度图像存在边缘宽度不均、模糊和误识别问题，因此需要对所述梯度图像的非极大值点进行抑制来提出那些非边缘的像素点。通过使用非极大值抑制法来寻到梯度图像中局部最大值的那些点作为边缘点，并将非极大值所对应点的灰度值置零就可以形成细且准确的单像素边缘，然后通过双阈值算法对边缘进行检测和连接，直到轮廓闭合；
[0037]
s44、通过霍夫变换进行特征提取，将在一个坐标空间中具有相同形状的曲线或直线，映射到另一坐标空间的一个点上形成峰值，从而把检测任意形状的问题转化为统计峰值问题；
[0038]
s45、使用三阶贝塞尔曲线去拟合仿生水母机器人的避障路径，首先提供四个控制点p0、p1、p2、p3，将四个控制点通过先后顺序进行连接，形成三条线段p0p1、p1p2、p2p3，然后通过一个参数t，所述参数t的取值范围在0至1之间，所述参数t的值等于线段上某一点距离起点的长度与该线段总长度的比，通过对线段p0p1、p1p2、p2p3进行递归降阶，最终得到一个控制点p，所述控制点p在空间上移动的路径则为由控制点p0至控制点p3的贝塞尔曲线，所述贝塞尔曲线的表达式为：
[0039]
b2(t)＝(1-t)2p0+2t(1-t)p1+t2p2，t∈[0，1]
[0040]
所述贝塞尔曲线为仿生水母机器人的避障路径；
[0041]
s46、最后需要计算图像全部行差值的平均值，以图像中线为基准线，对所述拟合路径曲线与图像基准线的每列作差并给定每列不同的权重，计算拟合曲线列坐标的差值的平均值，具体公式如下：
[0042][0043]
其中，e代表全部列差值的平均值，s代表总列数，c代表每行边缘点的列坐标，w代表图像宽度。
[0044]
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：
[0045]
1.本发明设置了两个不同方向上的飞轮转向组件，以实现水母机器人的三维运动，能够快速对运动方向和运动姿态进行精准、迅速地调整，提升机器人在水下作业时的效率；
[0046]
2.本发明精简了传动结构，使用圆柱凸轮与推杆的配合运动，将水平旋转运动转换为竖直上下运动，提升其传动效率与可靠性；
[0047]
3.本发明将印刷电路板、电池和驱动装置安装于机器人壳体内部，无线缆拖曳，实现机电一体化，提升了其自主性、可靠性与安全性；
[0048]
4.本发明设计的仿生水母机器人的控制方法采用图像识别技术和建模技术，区域于现有的简单改变机器人的重心位置实现转向，本发明采用的技术能够使仿生水母机器人实现与水下环境的感知与交互，控制方法有效且高效，尤其适合仿生水母机器人的非线性运动控制。
附图说明
[0049]
图1为本发明的结构示意图；
[0050]
图2为本发明的头部壳体腔内部结构示意图；
[0051]
图3为本发明的主驱动组件、能源供给组件、控制系统组件结构的爆炸图；
[0052]
图4为本发明的转向驱动组件结构的爆炸图；
[0053]
图5为本发明的直流减速电机、圆柱凸轮和推杆的结构示意图；
[0054]
图6为本发明的触脚、底盘、及传动组件的结构示意图；
[0055]
图7为本发明的控制系统框架示意图；
[0056]
图8为本发明的程序控制流程示意图；
[0057]
图9为本发明的姿态调整和转向的双串级pid控制框图。
[0058]
附图中：1-头部壳体；2-底盘；3-直流减速电机壳体；4-直流减速电机；5-o型密封圈；6-泡沫块；7-直流减速电机盖；8-第一飞轮腔体；9-第一直流电机；10-第一飞轮；11第一弹性圆柱销；12-第一飞轮腔体盖；13-第二飞轮腔体；14-第二直流电机；15-第二飞轮；16-第二弹性圆柱销；17-第二飞轮腔体盖；18-电池箱；19-电池箱盖；20-电池；21-印刷电路板壳体；22-印刷电路板盖；23-印刷电路板；24-圆柱凸轮；25-推杆；26-连接件；27-连杆；28-触脚；29-第一磁编码器；30-第一磁体；31-第二磁编码器；32-第二磁体。
具体实施方式
[0059]
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0060]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
[0061]
实施例一：
[0062]
如图1所示，本实施例提供一种仿生水母机器人，包括头部壳体1和设于所述头部壳体1一端的触脚28，所述头部壳体1的内腔中设有用于通过传动组件驱动所述触脚28收缩和张开的主驱动组件，控制所述仿生水母机器人转向的转向组件，用于控制主驱动组件和转向组件的控制系统组件，以及用于给主驱动组件、转向组件和控制系统组件提供动力源的动力组件，其特征在于，所述转向组件包括控制仿生水母机器人左右转向的第一飞轮转向组件，以及控制仿生水母机器人前后转向的第二飞轮转向组件。
[0063]
所述头部壳体1由透明材质制成，方便头部壳体1内腔中设有的摄像头组件采集环境图像，头部壳体1内腔中设有主驱动组件、传动组件、转向组件、控制系统组件以及动力组
件。在动力组件供能的状态下，控制系统组件控制主驱动组件进行机械运动，并将该机械动能通过传动组件转移到仿生水母机器人的触脚28上，使所述触脚28收缩和张开，实现仿水母式推进。
[0064]
本实施例设置的转向组件包括两个飞轮转向组件，其中一个控制仿生水母机器人左右转向，称之为第一飞轮转向组件，另一个控制仿生水母机器人前后转向，称之为第二飞轮转向组件，所述第一飞轮转向组件和第二飞轮转向组件均设在所述头部壳体1的底盘2上，且两者的轴向相互垂直。当需要转向时，所述控制系统组件能够分别单独地控制所述转向组件中的任意一个或两个，使仿生水母机器人的前进方向发生偏转，进行转向控制，使本实施例在水中实现对运动姿态和运动方向的精准调整。本实施例的具体控制方式为：
[0065]
s1、控制系统组件控制主驱动组件运动，通过传动组件带动触脚28的张合，实现仿生水母机器人朝某一方向游动；
[0066]
s2、当仿生水母机器人的速度需要调节时候，所述控制系统组件调节主驱动组件中直流减速电机4的转速，从而改变触脚28的张合频率，实现仿生水母机器人游动速度的改变；
[0067]
s3、当仿生水母机器人需要转向时，所述控制系统组件控制所述第一飞轮转向组件和第二飞轮转向组件的启动，产生绕飞轮轴心的角动量，此时仿生水母机器人必须通过转动以实现角动量守恒，由此实现仿生水母机器人的转向控制；
[0068]
s4、当仿生水母机器人在水中游动时，所述控制系统组件控制所述摄像头模块启动，实时监测仿生水母机器人前部的环境，并将采集到的图像信息传送至所述控制系统组件进行处理；当所述摄像头模块检测到前部有障碍物、仿生水母机器人需要避障时，所述控制系统组件控制所述第一飞轮转向组件和第二飞轮转向组件启动，使仿生水母机器人实现转动，以避开障碍物。
[0069]
实施例二：
[0070]
如图1或图2或图4或图9所示，在实施例一的基础上，本实施例进一步限定第一飞轮转向组件和第二飞轮转向组件的结构。所述第一飞轮转向组件包括固定于所述头部壳体1的底盘2上的第一飞轮腔，所述第一飞轮腔包括第一飞轮腔体8与第一飞轮腔体盖12，所述第一飞轮腔体8与第一飞轮腔体盖12的连接处使用电胶带和密封胶进行防水处理。第一飞轮腔体8内侧挡板设有第一直流电机9，所述第一直流电机9的输出轴一端通过第一弹性圆柱销11连接有第一飞轮10，所述第一弹性圆柱销11凸出所述第一飞轮10的部分连接有第一磁体30，所述第一磁体30中心点处正对的所述第一飞轮腔壁面设有第一磁编码器29；本实施例的所述第二飞轮转向组件包括固定于所述头部壳体1的底盘2上的第二飞轮腔，所述第二飞轮腔包括第二飞轮腔体13与第二飞轮腔体盖17，所述第二飞轮腔体13与第二飞轮腔体盖17的连接处使用电胶带和密封胶进行防水处理。第二飞轮腔体13内侧挡板设有第二直流电机14，所述第二直流电机14的输出轴一端通过第二弹性圆柱销16连接有第二飞轮15，所述第二弹性圆柱销16凸出所述第二飞轮15的部分连接有第二磁体32，所述第二磁体32中心点处正对的所述第二飞轮腔壁面设有第二磁编码器31。根据角动量守恒定律，所述第一直流电机或第二直流电机给定一方向的加速度，则机器人本体会产生反向的动量矩。通过采集机器人偏转角度、电机转角、电机转速等数据，对其进行数据拟合、建模，实现精准位姿调整和转向控制。
[0071]
当仿生水母机器人游动时，将某个特定期望位置作为输入，与所述印刷电路板23上设有的陀螺仪和加速度计模块所测得的实际位置形成一个偏差位置，并将此偏差位置分解为左右偏差位置和前后偏差位置，所述左右偏差位置和前后偏差位置分别经第一次pid算法计算得到位置环输出值，再与速度环进行建模，分别得到左右期望速度和前后期望速度。同时，所述第一磁编码器29和第二次编码器31分别测得所述第一飞轮10和第二飞轮15的实际转速。左右期望速度和第一飞轮10的实际转速进行第二次pid算法计算，前后期望速度和第二飞轮15的实际转速进行第二次pid算法计算，分别得到左右偏差转速和前后偏差转速，并将值返回所述控制系统组件。所述控制系统组件根据返回的数据分别调节所述第一直流电机9、第二直流电机14的转速，进而控制所述第一飞轮10和第二飞轮15的转速，以实现仿生水母机器人的精准姿态调整和转向控制。
[0072]
实施例三：
[0073]
如图7或图8所示，在实施例一或实施例二的基础上，本实施例的控制系统组件包括固定于所述头部壳体1的底盘2上的印刷电路板壳体21，与所述印刷电路板壳体21装配的印刷电路板盖22，以及设于所述印刷电路板壳体21内部的印刷电路板23。所述印刷电路板23以dspic33fj128mc706为主控芯片，搭载电源稳压模块(mic5335)，晶振电路(40mhz)和复位电路(上电复位)，以pckit3作为编程器，通过io口连接双桥电机驱动模块(drv8833)，所述双桥电机驱动模块产生pwm以驱动所述直流减速电机4，所述第一直流电机9和所述第二直流电机14。所述主控芯片通过spi总线接口分别接无线通信模块(at86rf233)，陀螺仪和加速度计模块(mpu6000)，flash存储器(at45db641e)；通过iic总线接口连接磁编码器模块(as5048b)以及通过sccb总线接口连接摄像头模块(ov7660)，所述摄像头模块设于所述底盘2上。
[0074]
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0075]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：

1.一种仿生水母机器人，包括头部壳体(1)和设于所述头部壳体(1)一端的触脚(28)，所述头部壳体(1)的内腔中设有用于通过传动组件驱动所述触脚(28)收缩和张开的主驱动组件，控制所述仿生水母机器人转向的转向组件，用于控制主驱动组件和转向组件的控制系统组件，以及用于给主驱动组件、转向组件和控制系统组件提供动力源的动力组件，其特征在于，所述转向组件包括控制仿生水母机器人左右转向的第一飞轮转向组件，以及控制仿生水母机器人前后转向的第二飞轮转向组件。2.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述主驱动组件包括固定于所述头部壳体(1)的底盘(2)上的可拆卸的防水电机仓，固定于所述防水电机仓内且输出轴穿出到所述防水电机仓外侧的直流减速电机(4)，与所述直流减速电机(4)的输出轴连接的圆柱凸轮(24)，与所述圆柱凸轮(24)相配合且能随所述圆柱凸轮的旋转沿其自身轴线方向进行往复运动的推杆(25)，所述圆柱凸轮(24)的周向侧面上设有蛇形滑槽，所述推杆(25)与所述圆柱凸轮(24)配合的一端对称设有支撑杆，所述支撑杆上设有与所述蛇形滑槽配合的导柱；所述推杆(25)与所述传动组件连接。3.根据权利要求2所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述传动组件包括与所述推杆(25)连接的连接件(26)，一端与所述连接件(26)转动连接的连杆(27)；所述连杆(27)的另一端与所述触脚(28)靠近所述头部壳体(1)的一端转动连接。4.根据权利要求3所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述触脚(28)的数量至少3个，其沿所述头部壳体(1)的底盘(2)的周向均匀分布，所述触脚(28)的外周设有覆膜；所述触脚(28)上设有转动连接点，所述转动连接点与所述底盘(2)的边缘转动连接。5.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述第一飞轮转向组件包括固定于所述头部壳体(1)的底盘(2)上的第一飞轮腔，固定于所述第一飞轮腔内侧挡板的第一直流电机(9)，通过第一弹性圆柱销(11)与所述第一直流电机(9)输出轴连接的第一飞轮(10)，与所述第一弹性圆柱销(11)凸出所述第一飞轮(10)部分连接的第一磁体(30)，以及设于所述第一飞轮腔壁面正对所述第一磁体(30)中心点处的第一磁编码器(29)；所述第二飞轮转向组件包括固定于所述头部壳体(1)的底盘(2)上的第二飞轮腔，固定于所述第二飞轮腔内侧挡板的第二直流电机(14)，通过第二弹性圆柱销(16)与所述第二直流电机(14)输出轴连接的第二飞轮(15)，与所述第二弹性圆柱销(16)凸出所述第二飞轮(15)部分连接的第二磁体(32)，以及设于所述第二飞轮腔壁面正对所述第二磁体(32)中心点处的第二磁编码器(31)。6.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述控制系统组件包括固定于所述头部壳体(1)的底盘(2)上的印刷电路板腔，以及设于所述印刷电路板腔内的印刷电路板(23)。7.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述动力组件包括固定于所述头部壳体(1)的底盘(2)上的电源仓，以及设于所述电源仓内的电池(20)。8.一种仿生水母机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、控制系统组件控制直流减速电机(4)启动，带动圆柱凸轮(24)旋转，推杆(25)将所述圆柱凸轮(24)的旋转运动转化为其自身的往复运动，带动连接件(26)、连杆(27)进行往复运动，再带动触脚(28)的张合，实现仿生水母机器人朝某一方向游动；s2、当仿生水母机器人的速度需要调节时候，所述控制系统组件调节直流减速电机(4)
的转速，从而改变触脚(28)的张合频率，实现仿生水母机器人游动速度的改变；s3、当仿生水母机器人需要转向时，所述控制系统组件控制第一直流电机(9)、第二直流电机(14)启动，分别带动第一飞轮(10)、第二飞轮(15)旋转，产生绕飞轮轴心的角动量，此时仿生水母机器人必须沿与飞轮自旋方向相反的方向转动，以实现角动量守恒，由此实现仿生水母机器人的转向控制；s4、当仿生水母机器人在水中游动时，所述控制系统组件控制设于所述底盘(2)上的摄像头模块启动，实时监测仿生水母机器人前部的环境，并将采集到的图像信息传送至所述印刷电路板(23)进行处理；当所述摄像头模块检测到前部有障碍物、仿生水母机器人需要避障时，所述控制系统组件控制第一直流电机(9)、第二直流电机(14)启动，分别带动第一飞轮(10)、第二飞轮(15)旋转，使仿生水母机器人实现转动，以避开障碍物。9.根据权利要求8所述的仿生水母机器人的控制方法，其特征在于，所述的步骤s3中，对于仿生水母机器人的转向控制，使用了双串级pid运动控制算法，具体为：s31、当仿生水母机器人游动时，将某个特定期望位置作为输入，与所述印刷电路板(23)上设有的陀螺仪和加速度计模块所测得的实际位置形成一个偏差位置，并将此偏差位置分解为左右偏差位置和前后偏差位置；s32、所述左右偏差位置和前后偏差位置分别经第一次pid算法计算得到位置环输出值，再与速度环进行建模，分别得到左右期望速度和前后期望速度，所述pid算法的表达式为：其中：u(k)：pid算法的计算结果，即控制量，k
p
：比例项的调节系数，用以调节pid的性能，k
i
：积分项的调节系数，用以调节pid的性能，k
d
：微分项的调节系数，用以调节pid的性能，e(k)：误差，即目标值－控制对象当前的状态值，[e(k)-e(k-1)]：当前误差－上次误差；s33、所述左右期望速度与第一磁编码器(29)测得的第一飞轮(10)的实际转速进行第二次pid算法计算，得到左右偏差转速，所述前后期望速度与第二磁编码器(31)测得的第二飞轮(15)的实际转速进行第二次pid算法计算，得到前后偏差转速；s34、计算得到的左右偏差转速和前后偏差转速返回到所述控制系统组件，由所述控制系统组件分别调节所述第一飞轮(10)、所述第二飞轮(15)的转速，实现仿生水母机器人的精准转向控制。10.根据权利要求8所述的仿生水母机器人的控制方法，其特征在于，所述的步骤s4中，所述印刷电路板(23)对采集到的图像进行预处理，增强有关信息的可检测性和简化数据，从而改进特征抽取、识别的可靠性，具体为：s41、对所述摄像头模块拍摄的图像进行均值滤波，计算每一个像素点周围像素点、包括该点的平均像素值，作为该像素点滤波之后的像素值，矩形窗口的大小为(2n+1)*(2n+
1)，对于(2n+1)*(2n+1)的窗口，中心点(x,y)的平均像素值可根据如下公式计算：其中，当窗口的行数或列数为3时，n＝1，以此类推；s42、对进行均值滤波处理后的图像进行二值化处理，即将图像上的点的灰度值调整为0或255，也就是将整个图像呈现明显的黑白效果，处理后的图像数据量大大减少，但仍可反应图像整体和局部特征；s43、对图像进行边缘检测，具体是使用canny算子模型，为到一个最优的边缘轮廓，所述canny算子模型包括首先根据高斯公式生产一个滤波算子，然后将待处理的像素点及邻域像素点的灰度值与这个滤波算子进行卷积运算来实现加权平均运算，以去除图像中高频率的噪声，所述高斯公式为：然后计算梯度图像和角度图像，图像中某一像素点的梯度g和角度θ可用以下公式表示：示：得到的梯度图像存在边缘宽度不均、模糊和误识别问题，因此需要对所述梯度图像的非极大值点进行抑制来提出那些非边缘的像素点。通过使用非极大值抑制法来寻到梯度图像中局部最大值的那些点作为边缘点，并将非极大值所对应点的灰度值置零就可以形成细且准确的单像素边缘，然后通过双阈值算法对边缘进行检测和连接，直到轮廓闭合；s44、通过霍夫变换进行特征提取，将在一个坐标空间中具有相同形状的曲线或直线，映射到另一坐标空间的一个点上形成峰值，从而把检测任意形状的问题转化为统计峰值问题；s45、使用三阶贝塞尔曲线去拟合仿生水母机器人的避障路径，首先提供四个控制点p0、p1、p2、p3，将四个控制点通过先后顺序进行连接，形成三条线段p0p1、p1p2、p2p3，然后通过一个参数t，所述参数t的取值范围在0至1之间，所述参数t的值等于线段上某一点距离起点的长度与该线段总长度的比，通过对线段p0p1、p1p2、p2p3进行递归降阶，最终得到一个控制点p，所述控制点p在空间上移动的路径则为由控制点p0至控制点p3的贝塞尔曲线，所述贝塞尔曲线的表达式为：b2(t)＝(1-t)2p0+2t(1-t)p1+t2p2，t∈[0，1]
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(f)所述贝塞尔曲线为仿生水母机器人的避障路径；s46、最后需要计算图像全部行差值的平均值，以图像中线为基准线，对所述拟合路径曲线与图像基准线的每列作差并给定每列不同的权重，计算拟合曲线列坐标的差值的平均值，具体公式如下：
其中：e：全部列差值的平均值，s：总列数，c：每行边缘点的列坐标，w：图像宽度。

技术总结

本发明公开一种仿生水母机器人及其控制方法，包括头部壳体和设于所述头部壳体一端的触脚，所述头部壳体的内腔中设有用于通过传动组件驱动所述触脚收缩和张开的主驱动组件，控制所述仿生水母机器人转向的转向组件，用于控制主驱动组件和转向组件的控制系统组件，以及用于给主驱动组件、转向组件和控制系统组件提供动力源的动力组件，所述转向组件包括控制仿生水母机器人左右转向的第一飞轮转向组件，以及控制仿生水母机器人前后转向的第二飞轮转向组件。该仿生水母机器人通过控制其触脚的伸缩实现游动，并通过飞轮转向组件实现精准转向及避障运动。该仿生水母机器人结构简单，能够实现水下转向的精确控制。实现水下转向的精确控制。实现水下转向的精确控制。