基于眼球协同运动机理的海上动目标自动追踪控制

In order to solve the key problem of unmanned surface vessel’s high precision tracking and synchronous distance acquisition to moving target under severe sea condition, a moving target tracking technology is proposed based on the coordinated motioncontrol mechanism of vestibular oculomotor reflexes, differential movement and smooth pursuit of human eyes.The project isbased on our previous research on monocular and binocular eye movement control mechanism and closely connected to new scientific discoveries in the brain mechanisms about visual information processing. By means of studying the characteristicsof transmission, interaction and learningvision signal in the micro circuitsof cerebellum visual cortex,the coordinated motion control mechanism of vestibular oculomotor reflexes, differential movement and smooth tracking in interference caused by the micro circuits of cerebellum will be found, and its mathematical modelbased onmodern control theory and methodwill be established. Then, on the basis of the physiological characteristics of eye movement, we input the target informationobtained by high resolution camera and the posture information of unmanned surface vesselobtained byattitude transducer which is similar to these micircular canal and otolith organsin human eye vestibular organsin to the eye synergy movement control model built before, and the control model output will be produced. In the end, the two 3-d PTZwill be controlled precisely to realize the binocular tracking function and the optical axis in real time will be transformed so as to obtain informations on the depth of the high precision.

项目组在前期对眼球单项运动控制机理研究的基础上，紧密联系脑科学研究领域中视觉信息在小脑的处理机制，提出基于人类眼球前庭动眼反射、异向运动和平滑追踪协同运动控制机理的无人艇海上目标动态跟踪控制技术，解决浪流涌等干扰环境下无人艇对海上动目标的高精度跟踪与同步距离信息获取这一关键问题。通过研究小脑视皮层微神经回路对视觉信息的传递、交互和学习特性，找到小脑微神经回路干预下前庭动眼反射、异向运动和平滑追踪协同运动控制机理，用现代控制理论和方法建立其数学模型。然后根据眼球运动生理特性，将高分辨率摄像头获得的目标信息（视网膜滑动视差）和姿态传感器（类似人眼前庭器官中的半规管和耳石器官）感知的无人艇姿态信息输入到建立的眼球协同运动控制模型中，产生控制输出精确控制两只三维云台，再现双目跟踪功能，并实时变换视轴，获取高精度的深度信息。

本项目针对海上移动目标的精准追踪和打击过程中，不仅要保证高质量的跟踪，还要同步获取高精度的距离信息，以利于目标定位，完成武器的发射这一科学问题，在前期对单目和双目单项眼球运动控制机理研究的基础上，项目组研制出基于人类眼球前庭动眼反射、异向运动和平滑追踪协同运动控制机理的无人艇海上目标动态跟踪控制系统。经过三年的精心组织和努力，全部完成了研究内容，并在眼球协同运动的功能图谱、眼球协同运动的运动机理与建模、仿生眼球运动装置的设计、基于仿生视觉显著性的无人艇水面目标检测技术和基于仿生视觉系统的无人水面艇局部实时避障算法等方面取得一定成果。主要有：1）从控制理论角度，研究了基于前庭动眼反射、异向运动和平滑追踪等眼球运动为基础的眼球复合运动控制机理，并建立数学模型。2）建立了基于前庭动眼反射、异向运动、平滑追踪运动为基础的头眼协同控制仿生算法。3）对于传统的机器人视野范围狭小，目标跟踪易丢失等问题，项目提出了针对仿生眼系统的新型头眼协同算法和相关的图像处理方法，并对眼球运动的特点设计了相应的实验测试平台，在实验平台上进行了一系列的功能性验证实验。4）项目组融合了粒子滤波算法和空间直方图以及基于SKL距离的相似性度量方法，实现了目标跟踪对复杂场景的较好适应能力。5）针对海天场景图像特点，提出了一种基于结构森林边缘检测和Hough变换的海天线检测算法。同时，对于海天线检测算法准确率尚无统一衡量标准的问题，提出了一种用于度量海天线检测准确率的量化指标Pskl，通过对该指标的计算可以比较不同海天线算法对海天线检测的准确程度。6）项目组基于仿生算法视觉系统建立了水面无人艇海面障碍物检测框架在本项目支持下，发表学术论文11篇，其中SCI/EI源刊8篇；申请国家发明专利25项，其中授权3项. 项目研究团队获得国家技术发明二等奖1项，上海市科技进步一等奖1项，上海市技术发明二等奖1项。