基于仿人眼复合运动控制的多艇协同动目标跟踪

In order to fulfill the urgent requirements of navigation escorts, island rights protection activities etc., and to solve the practical happening problems during moving objects tracking in sea surface, such as image blurring or bouncing, dynamic image matching, poor tracking stability and so on, based on preliminary study of eyeball physiological neural circuit control mechanism and development of “JinHai I” and “JinHai II” unmanned surface vehicles (USVs), this project propose a solution of moving object cooperative tracking based on control mechanism of the bionic ocular compound movement for multiple USVs. Firstly, the control mechanism of compound movement of vestibule ocular reflex (VOR) and smooth pursuit will be studied considering the effect of cerebellar, including the coordinated control mechanism of binocular compound movement, the information parallel processing and adaptive control mechanism of huge scale of nerve fibrillae in cerebellar flocculus, and the influence mechanism of cross nerve between the neural circuits of the eyeballs. The mathematical model of the control mechanism of bionic ocular compound movement will be built and verified though comparing experiments. Secondly, the target position and velocity estimating method will be researched based on the principle of vision axis crossing, and the distributed extended Kalman Filter and information fusion model will be obtained. Finally, using technologies of picture processing, dexterous bionic ocular mechanical structures and servo controller, multiple USVs cooperation and so on, the vision system with function of bionic ocular compound movement control will be researched and developed, and which will be applied to multiple USVs cooperative system for moving object tracking in sea surface environment.

结合海域护航、海岛维权等紧迫需求，针对海面移动目标跟踪过程中所遇到的图像模糊跳动、图像匹配困难、跟踪稳定性差等实际困难，在前期的人眼生理神经回路控制机理研究和“精海I号”、“精海II号”无人艇研发基础上，本项目提出仿人眼复合运动控制机理的多无人艇协同动目标跟踪的研究。研究前庭动眼反射与平滑追踪复合运动的协调机理、微视神经大规模信息交互并行处理与自适应控制机理、眼球间神经交叉对眼球复合运动控制的影响机理，揭示脑机制作用下眼球前庭动眼反射复合平滑追踪运动控制机理，建立其数学控制模型，并通过对比实验以验证模型正确性；根据视轴交叉原理研究多艇协同目标定位定速方法，并建立分布信息融合模型和滤波器；在此基础上，结合实时图像处理、灵巧仿人眼机构与伺服控制系统、多无人艇协同等技术，研制仿人眼前庭动眼反射与平滑追踪复合运动功能的视觉系统，并将其应用于多无人艇系统，以实现海洋环境下对移动目标的协同跟踪。

针对多无人艇协同目标跟踪过程中存在的诸多问题，本项目研究人类眼球运动控制机理，并将其应用于多无人艇协同海面运动目标跟踪，以提高多无人艇应用的智能化水平。.首先，基于人类眼球的基本结构和运动形式，从控制理论角度上分析研究了前庭反射、平滑追踪和眼球急动的神经回路以及视觉信息处理机制，建立了控制眼球运动的主要神经回路的功能图谱和基于主要神经回路的线性化处理模型。.其次，研究了微视神经大规模信息交互与并行自适应控制机理，确定了微视神经的结构与主要功能，确定了小脑组件区域内部结构及在眼球运动学习中的作用。.第三，研究了双眼的运动控制神经回路之间存在视神经交叉作用及机理模型，并用于指导各艇锁定目标以及在某艇丢失目标后迅速找回目标。.第四，提出了基于根据视轴交叉原理的多摄像机的运动目标定位方法，并通过实验验证了该方法的有效性，在此基础上对该模型进行分布式改造以提高目标跟踪与定位的准确性和可靠性。.第五，为了测量无人艇的运动姿态变化与海域微磁场变化，研究了巨磁阻抗传感器、基于微/纳米精密操作的微磁珠阵列构建、无人艇部件中的不锈钢裂纹检测、无人艇主机转速及无刷和有刷直流电动机高转速的精确测量等。.第六，为验证上述研究，改进了无人艇目标检测算法和海面运动目标匹配算法，设计了新型符合眼球运动特性的仿人眼机构与艇装安装机构，研究了无人艇协同跟踪任务规划优化方法，最后对多无人艇协同目标跟踪系统进行了实验，表明基于眼球运动控制机理的海面目标跟踪系统可准确估计目标位置，目标跟踪的稳定性和鲁棒性均显著提高。.最后，上述研究成果在东北某市海洋与渔业局的无人艇监测系统研究开发中得到转化应用，应用的无人艇具有自主航行、自主环境感知、自主避障、自主目标跟随等功能，相关功能通过CCS认证，在应用中取得良好的效果。