一种仿生水下航行设备及其控制方法

本发明涉及水下监测，具体而言，涉及一种仿生水下航行设备及其控制方法。

背景技术：

1、珊瑚礁是地球上最珍贵的海洋生态系统之一，也是世界上最为多样和美丽的生物群落之一；珊瑚礁提供了许多重要的生态和经济价值，它们是许多海洋生物的栖息地，提供食物、庇护和繁殖场所；珊瑚礁还为海洋生物保护提供了重要的生态功能，如防止海岸侵蚀、减缓风暴潮和过滤海水中的污染物。

2、因此，保护和管理珊瑚礁资源对于维护海洋生态系统的健康和人类的可持续发展至关重要，而监测珊瑚礁的状态和变化是实现有效保护和管理的关键，目前用于监测珊瑚礁的方式主要包括两种方式：

3、第一种方式为航空或卫星拍摄的遥感影像方式，但是该方式受限于分辨率和传感器的能力，无法提供足够的细节数据，导致无法获取珊瑚礁的详细信息。

4、第二种方式为依靠潜水员调查和水下摄像的方式，该方式虽然可以获取到珊瑚礁的精细数据，但是需要耗费大量的人力和物力，并且受到潜水员体力、水下环境限制等因素的影响，再加上监测周期通常较长，比如半年进行一次监测，使得该方法无法实时获取动态数据，限制了对珊瑚礁快速变化的观察和响应能力；另外，这种水下摄像和潜水员调查很可能对珊瑚礁造成干扰，影响其生态系统的稳定性。

5、因此，如何提供一种新的动态监测方案是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是：提供了一种仿生水下航行设备及其控制方法，本技术通过扑动推进的方式，对珊瑚礁生态的干扰小，实现监测的非侵入性，且该设备能够适应复杂的水下环境，能够实时可靠地实现对珊瑚礁的监测，机动性强。

2、为解决上述问题，本发明提供一种仿生水下航行设备，包括躯干模块、左胸鳍模块、右胸鳍模块、头部模块、尾鳍模块、控制模块、对底拍摄模块及可转动模块；

3、所述尾鳍模块设于所述躯干模块的尾部，所述左胸鳍模块及所述右胸鳍模块分设于所述躯干模块的两侧，所述头部模块设于所述躯干模块的头部，所述对底拍摄模块通过所述可转动模块设于所述躯干模块的腹部；所述左胸鳍模块、所述头部模块及所述尾鳍模块、所述对底拍摄模块及所述可转动模块均与设于所述躯干模块内部的所述控制模块连接；

4、所述控制模块用于通过控制所述左胸鳍模块及所述右胸鳍模块进行上下扑动以调节所述仿生水下航行设备的行进速度及航向，通过控制所述尾鳍模块进行上下扑动以调节所述仿生水下航行设备的俯仰角，进而使所述仿生水下航行设备达成目标运动模态以便运行至目标位置；

5、所述可转动模块用于根据所述控制模块下发的第一调节信号动作以实现所述对底拍摄模块的机械防抖，和/或，根据所述控制模块下发的第二调节信号动作以带动所述对底拍摄模块动作，进而调节所述对底拍摄模块的拍摄角度以便拍摄目标物体的第一图像。

6、本方案中，通过扑动推进的方式，模拟了鱼类的自然运动，对珊瑚礁生态的干扰小，实现监测的非侵入性，且该设备能够适应复杂的水下环境，依托于对底拍摄模块能够实现对目标物体的自主监测，不再受监测周期限制，且通过可转动模块能够调节对底拍摄模块的拍摄角度，相较于固定拍摄方式本技术中的方式更加灵活，更适应水下波动环境，利于获取目标物体的多角度数据，以较低的时间和物质成本，能够实时可靠地实现对珊瑚礁的动态监测，机动性强，提供更全面的数据支持，能够帮助科学家和管理者更准确地评估珊瑚礁的健康状况，以便及时采取保护和管理措施，实现珊瑚礁的可持续利用和保护。

7、进一步的，所述头部模块上设置有与所述控制模块连接的对前拍摄模块，用于采集预设拍摄角度范围内的第二图像。

8、本方案中，通过上述设置使得对设备运行周围环境均能够可靠感知。

9、进一步的，所述可转动模块包括多轴云台及电机，所述对底拍摄模块通过所述多轴云台设置于所述躯干模块的腹部，所述多轴云台、所述电机及所述控制模块依次连接。

10、本方案中，通过多轴云台及电机配合控制模块下发的指令简单可靠地实现了机械防抖，以保证对底拍摄模块拍摄的图像质量，实现一级云台机械增稳，利于解决水下视野晃动画面不稳的问题。

11、进一步的，所述控制模块还用于基于预设图像增稳算法对所述对底拍摄模块拍摄到的第一图像进行增稳处理，以得到第三图像。

12、本方案中，进一步设置预设图像增稳算法对设于可转动模块上的对底拍摄模块拍摄到的第一图像进行处理，以得到第三图像，实现了二级图像增稳，利于提高图像质量。

13、进一步的，所述仿生水下航行设备还包括与所述控制模块连接的传感模块，用于采集所述仿生水下航行设备运行过程中的运行参数信息和/或周围环境信息并发送至所述控制模块。

14、本方案中，通过上述设置可以实现对周围环境及设备运行过程中的数据的可靠监测，便于对设备进行控制，以便更好地执行监测任务。

15、本发明还提供了一种仿生水下航行设备的控制方法，应用于如上述所述的仿生水下航行设备，所述控制方法，包括：

16、根据预设控制策略分别确定第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号；

17、基于所述第一控制信号控制所述仿生水下航行设备中的左胸鳍模块进行上下扑动，并基于所述第二控制信号控制所述仿生水下航行设备中的右胸鳍模块进行上下扑动，以调节所述仿生水下航行设备的行进速度及航向；

18、基于所述第三控制信号控制所述仿生水下航行设备中的尾鳍模块进行上下扑动以调节所述仿生水下航行设备的俯仰角，进而使所述仿生水下航行设备达成目标运动模态以便运行至目标位置；

19、确定用于实现所述仿生水下航行设备中的对底拍摄模块的机械防抖的第一调节信号并发送至所述仿生水下航行设备中的可转动模块以便控制所述可转动模块动作；

20、根据当前的期望拍摄角度确定第二调节信号下发至所述可转动模块以便控制所述可转动模块动作来带动所述对底拍摄模块动作，进而调节所述对底拍摄模块的拍摄角度至所述期望拍摄角度。

21、进一步的，确定用于实现所述仿生水下航行设备中的对底拍摄模块的机械防抖的第一调节信号，包括：

22、通过所述仿生水下航行设备中的传感模块获取所述对底拍摄模块的实际姿态；

23、根据所述实际姿态、期望姿态及预设扰动控制算法确定用于实现所述对底拍摄模块的机械防抖的第一调节信号，以使所述实际姿态调节至所述期望姿态。

24、本方案中，通过预设扰动控制算法可以调节对底拍摄模块的实际姿态至所述期望姿态，以保证对底拍摄模块能够平稳拍摄。

25、进一步的，根据预设控制策略分别确定第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号，包括：

26、确定期望运行参数，所述期望运行参数包括期望高度及期望航向；

27、获取所述仿生水下航行设备中的传感模块采集的实际运行参数，所述实际运行参数包括实际高度及实际航向；

28、根据所述期望运行参数、所述实际运行参数及预设pid控制策略确定舵角；

29、根据预设cpg控制策略的输入参数规则对所述舵角进行参数转换，并基于参数转换后的结果及所述预设cpg控制策略确定节律信号，所述节律信号包括用于控制所述左胸鳍模块的第一控制信号、用于控制所述右胸鳍模块的第二控制信号及用于控制所述尾鳍模块的第三控制信号。

30、本方案中，通过上述设置可以实现设备的定航定高运行。

31、进一步的，所述控制模块还与上位监控设备连接；

32、根据预设控制策略分别确定第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号，包括：

33、将所述仿生水下航行设备中的拍摄模块拍摄到的图像、所述仿生水下航行设备中的传感模块采集到的传感数据上传至所述上位监控设备；

34、接收所述上位监控设备发送的运动控制信号，所述运动控制信号为根据所述图像及所述传感数据确定的第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号。

35、本方案中，通过仿生水下航行器与上位监控设备的连接，可以实现人机操纵工作模式。

36、进一步的，根据预设控制策略分别确定第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号，包括：

37、根据预设任务路线确定第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号以便基于预设监测频率对固定的目标物体进行指定监测，或者，根据所述仿生水下航行设备中的拍摄模块拍摄的图像及预设深度学习算法确定第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号，以便对运动中的目标物体进行追踪监测。

38、本方案中，通过上述设置可以实现仿生水下航行器的自主作业工作模式，与上述人工操作工作模式一起，为操作人员提供了多种选择可能性，利于操作人员根据不同的任务需求灵活选择，利于提高效率。