基于ICPF驱动的微型机器人巡迹及目标跟踪方法的研究

论文摘要

近年来随着微细加工技术、微机电技术以及医疗事业的发展，在国际上对各种微型管道机器人和医用微型机器人的研究十分活跃。微型机器人由于具有惯性小，谐振频率高，响应时间短等特点，使其在生物医学、航空航天、军事等方面显示出广阔的应用前景。本文首先介绍了水下微型机器人的研究背景，详细介绍了国内外微型机器人的发展现状以及微型机器人研究的关键技术和难点。并给出了本课题的研究意义和研究内容。然后提出了一种基于离子导电聚合物薄膜(ICPF)驱动的仿生微型机器人，分析了该微型机器人的驱动机理和基本游动特性，对微型机器人进行了运动学和动力学分析，并建立了理论研究模型。针对该微型机器人总体结构和驱动原理等特点，提出了两种相关的运动控制方法，即基于光电传感器的自动巡迹运动的实现方法和静态场景下基于图像处理的目标识别与跟踪的实现方法。其中详细介绍了CamShift算法和跟踪算法的原理。最后对整个课题和论文的工作进行了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 水下微型机器人的研究现状
• 1.4 水下微型机器人面临的基本问题
• 1.5 论文的主要工作
• 第2章 双尾驱动微型机器鱼推进机理和特性分析
• 2.1 仿鱼水下机器人的推进方式分类
• 2.2 基于ICPF驱动的仿生微型机器人的基本结构
• 2.2.1 双尾驱动微型机器鱼的结构
• 2.2.2 离子导电聚合物薄膜的工作原理
• 2.2.3 控制信号
• 2.3 双尾驱动微型机器鱼的游动推进机理
• 2.3.1 双尾驱动微型机器鱼推进力分析
• 2.3.2 双尾驱动微型机器鱼游动阻力分析
• 2.3.3 双尾驱动微型机器鱼游动推进速度公式的推导
• 2.3.4 双尾驱动微型机器鱼推进力计算
• 2.4 双尾驱动微型机器鱼实验及运动特性分析
• 2.4.1 游动推进速度
• 2.4.2 最小转弯半径
• 2.4.3 急转角度
• 2.4.4 游动平稳性
• 2.4.5 近壁效应对双尾驱动微型机器鱼游动状态的影响
• 2.4.6 其它因素对双尾驱动微型机器鱼游动状念的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 双尾驱动微型机器鱼自动巡迹功能的实现
• 3.1 微型红外线光学传感器SPI-315工作原理
• 3.2 多功能数据采集卡PCI-1711工作原理
• 3.3 双尾驱动微型机器鱼的自动巡迹
• 3.3.1 控制信号波形的产生
• 3.3.2 输出控制信号的外围电路
• 3.3.3 双尾驱动微型机器鱼自动巡迹功能的实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 静态场景下双尾驱动微机器鱼的目标跟踪
• 4.1 无参数密度估计理论
• 4.2 Mean Shift理论
• 4.2.1 多变量核函数的生成方式
• 4.2.2 多维空间下的无参密度估计
• 4.3 颜色空间
• 4.3.1 RGB颜色模型
• 4.3.2 HSV颜色模型
• 4.3.3 从RGB颜色模型到HSV模型的转换
• 4.4 CamShift算法
• 4.5 双尾驱动微型机器鱼目标跟踪功能的实现
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢