CN111503460A - 一种可变构复眼系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变构复眼系统及工作方法，包括多节依次连接的体节，体节包括气囊和气囊支架，气囊支架设在气囊外，气囊上设有数据采集装置，数据采集装置包括环形齿条、齿轮、第一驱动源、设备舱和子眼，环形齿条环设在气囊外侧，第一驱动源安装在设备舱顶部且安装与环形齿条啮合的齿轮，子眼安装在设备舱底部，相邻体节间通过摆动机构连接，摆动机构包括摆动基座、摆动臂、第一连接支架和第二连接支架，摆动臂与摆动基座铰接，摆动基座上设有驱动摆动臂摆动的第二驱动源，第一连接支架连接摆动基座和一个体节，第二连接支架连接摆动臂和另一个体节，各子眼之间的几何位置关系可调，可以适应对不同高度，不同场合的图像采集的需要。

Description

一种可变构复眼系统及工作方法

技术领域

本发明涉及仿生复眼系统技术领域，具体涉及一种可变构复眼系统及工作方法。

背景技术

现在无人飞行器已经广泛应用于军事侦查探测、导弹预警、航空摄影摄像、安防监控、灾区搜救等众多领域。仿生复眼系统作为一种新型的视觉系统，具有视场大、质量轻、可以适用复杂的应用环境等优点，被广泛应用于雷达系统、微型飞行器、微型复眼子眼、运动机器人等领域，但是仍存在着视场较小、成像清晰度低、成像死角等缺陷。

现有的仿生复眼系统一般采用多端面光纤面板对不同方向的光信息进行采集或者曲面复眼系统来解决上述问题，虽然相对于平面结构的复眼系统增大了视场和提高了精度，但是各子眼之间的几何位置难以快速的动态调整，在复杂的情况下需要长时间的部署。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可变构复眼系统及工作方法，各子眼之间的几何位置关系可调，可以适应对不同高度，不同场合的图像采集的需要。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种可变构复眼系统，包括多节依次连接的体节，所述体节包括气囊和气囊支架，所述气囊为圆柱形，所述气囊支架设在所述气囊外用于支撑所述气囊，所述气囊上设有数据采集装置，所述数据采集装置包括环形齿条、齿轮、第一驱动源、设备舱和子眼，所述环形齿条环设在所述气囊外侧，所述第一驱动源安装在所述设备舱顶部，所述第一驱动源的输出端上安装与所述环形齿条啮合的齿轮，所述子眼安装在所述设备舱底部，相邻所述体节间通过摆动机构连接，所述摆动机构包括摆动基座、摆动臂、第一连接支架和第二连接支架，所述摆动臂与所述摆动基座铰接，所述摆动基座上设有驱动所述摆动臂摆动的第二驱动源，所述第一连接支架的一端与所述摆动基座固定，另一端与一个所述体节的所述气囊支架可拆卸的连接，所述第二连接支架的一端与所述摆动臂固定，另一端与该所述体节相邻的所述体节的所述气囊支架可拆卸的连接。

进一步的，所述摆动机构还包括旋转杆和拨杆，所述摆动基座包括支撑件和支撑架，所述支撑架包括两个第一伸出件和一个第一连接件，两个所述第一伸出件的一端均与所述支撑件固定，另一端分别与所述第一连接件的两端固定，所述第二驱动源包括摆动电机、蜗杆和涡轮，所述摆动电机安装在所述支撑件上，所述蜗杆安装在所述摆动电机的输出轴上且穿过所述支撑架，所述涡轮安装在所述支撑架内且与所述蜗杆啮合，所述涡轮的转轴穿出所述第一连接件与所述旋转杆的一端固定，所述旋转杆的另一端与所述拨杆的一端固定，所述涡轮的转轴与所述旋转杆垂直设置，所述拨杆与所述旋转杆垂直设置且与所述涡轮的转轴平行设置，所述摆动臂包括两个摆动件和一个第二连接件，两个所述摆动件的一端分别与所述支撑件的两端铰接，两个所述摆动件间设有两根压杆，所述拨杆的另一端穿进两根所述压杆中，两根所述压杆的两端分别与两个所述摆动件可转动的连接，所述第二连接件的两端分别与两个所述摆动件的另一端固定。

进一步的，所述气囊支架包括第一架体和第二架体，所述气囊包括上半圆柱和下半圆柱，所述第一架体为框架结构且套设在所述上半圆柱上，所述第二架体包括第二伸出件、第三连接件和第三伸出件，所述第二伸出件的一端与所述第一架体的一侧相连，另一端与所述第三连接件的一端相连，所述第三伸出件的一端与所述第一架体的另一侧相连，另一端与所述第三连接件的另一端相连。

进一步的，所述第一连接支架和所述第二连接支架的末端设有卡扣，所述卡扣卡嵌在所述气囊支架上。

进一步的，所述气囊由单层pvc薄膜制成。

进一步的，所述体节的数量为4到8个。

进一步的，所述环形齿条上设有环形凹槽，所述设备舱上设有与所述环形凹槽配合的凸起。

进一步的，所述可变构复眼系统还包括控制器、驱动器和IMU芯片，所述控制器通过控制所述驱动器驱动所述第一驱动源和第二驱动源运动，所述IMU芯片设在所述设备舱内用于对子眼的三轴姿态角(或角速率)以及加速度进行测量，所述IMU芯片与所述控制器电连接。

进一步的，所述控制器为AT89C51。

一种可变构复眼系统的工作方法，包括：

步骤1、当设备舱沿着环形齿条运动时，体节的重心改变，并开始朝设备舱运动的方向进行滚转，直到姿态稳定，当所有体节上的设备舱都同向沿着环形齿条运动时，基于仿生多体体节的可变构复眼系统整体会进行滚转；

步骤2、实施拍摄，控制各个子眼在统一时钟下的同一时刻拍摄，并回传拍摄数据，重构同一时刻下的三维数字场景，其中，虚拟复眼按动态场景帧率要求每隔1/帧率秒拍摄；

步骤3、使用尺度不变特征变换算法提取子眼图像中的特征点，再对子眼图像的特征点进行匹配；

步骤4、使用欧式距离法和随机抽样一致性算法筛选特征点匹配对，计算待拼接子眼图像到拼接子眼图像的投影矩阵；

步骤5、将待拼接子眼图像进行矩阵变换，使用加权平均法对图像进行融合；

步骤6、将所有子眼图像进行拼接，获取大视场的仿生复眼拼接图像。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种可变构复眼系统及工作方法，气囊安放于气囊支架中，气囊在完全充气后为圆柱形，并且在尺寸上正好填满气囊支架内部围成的空间，气囊支架在外部起到支撑气囊和提供着力点的作用，所以气囊于气囊支架不需要而外结构或胶水进行固定。

2.本发明所述的一种可变构复眼系统及工作方法，相邻体节通过摆动机构进行相对的摆动运动，可使视场在水平面上重叠；本可变构复眼系统整体可进行滚转，在滚转后摆动机构的运动方向会从左右摆动改为斜上斜下摆动，进而再通过摆动臂的摆动，带动体节在垂直平面上有夹角，使视场在垂直平面上重叠；通过多个体节间的多个摆动机构和数据采集装置的共同作用，可以使视场在任意平面内重叠，根据需要实现仿生复眼系统各子眼之间的几何位置快速的动态调整，实现所发明的虚拟复眼系统的各子眼之间的几何位置关系可调，适应对不同高度，不同场合的图像采集的需要。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明摆动机构与两个相邻的气囊支架连接的结构示意图。

图3为本发明摆动机构与两个相邻的体节连接的结构示意图。

图4为本发明摆动机构的结构示意图。

图5为本发明摆动基座的结构示意图。

图6为本发明摆动臂的结构示意图。

图7为本发明摆动基座的俯视图。

图8为本发明一个体节一个角度的结构示意图。

图9为本发明数据采集装置的结构示意图。

图10本发明一个体节另一个角度的结构示意图。

图11本发明多个体节视场在水平面内重叠的示意图。

图12本发明多个体节视场在垂直面内重叠的示意图。

其中：1、体节；11、气囊；12、气囊支架；121、第一架体；122、第二架体；

2、数据采集装置；21、环形齿条；22、齿轮；23、第一驱动源；24、设备舱；25、子眼；

3、摆动机构；31、摆动基座；311、支撑件；312、支撑架；3121、第一伸出件；3122、第一连接件；32、摆动臂；321、摆动件；322、第二连接件；323、压杆；33、第一连接支架；34、第二连接支架；35、第二驱动源；351、摆动电机；352、蜗杆；353、涡轮；36、旋转杆；37、拨杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请实施例通过提供一种可变构复眼系统及工作方法，解决了现有技术中仿生复眼系统各子眼之间的几何位置难以快速的动态调整，在复杂的情况夏需要长时间的部署的问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述仿生复眼系统难以动态调整的问题，总体思路如下：

一种可变构复眼系统，参照图1-图12所示，包括多节依次连接的体节1，体节1的数量为4到8个，体节1包括气囊11和气囊支架12，气囊11为圆柱形，气囊支架12设在气囊11外用于支撑气囊11，气囊11上设有数据采集装置2，数据采集装置2包括环形齿条21、齿轮22、第一驱动源23、设备舱24和子眼25，环形齿条21环设在气囊11外侧，第一驱动源23安装在设备舱24顶部，第一驱动源23的输出端上安装与环形齿条21啮合的齿轮22，第一驱动源23可以是步进电机，子眼25安装在设备舱24底部，多个子眼25构成复眼系统，相邻体节1间通过摆动机构3连接，摆动机构3包括摆动基座31、摆动臂32、第一连接支架33和第二连接支架34，摆动臂32与摆动基座31铰接，摆动基座31上设有驱动摆动臂32摆动的第二驱动源35，第一连接支架33的一端与摆动基座31固定，另一端与一个体节1的气囊支架12可拆卸的连接，第二连接支架34的一端与摆动臂32固定，另一端与该体节1相邻的体节1的气囊支架12可拆卸的连接。

本发明在使用过程中，气囊11安放于气囊支架12中，气囊11在完全充气后为圆柱形，并且在尺寸上正好填满气囊支架12内部围成的空间，气囊支架12在外部起到支撑气囊11和提供着力点的作用，所以气囊11于气囊支架12不需要而外结构或胶水进行固定；相邻体节1通过摆动机构3进行相对的摆动运动，可使多个子眼25的视场在水平面上重叠；每一体节1中，第一驱动源23带动齿轮22与环形齿条21啮合，使得设备舱24绕沿着环形齿条21运动，当设备舱24沿着环形齿条21运动时，体节1的重心改变，并开始朝设备舱24运动的方向进行滚转，直到姿态稳定；当所有体节1上的设备舱24都同向沿着环形齿条21运动时，本可变构复眼系统整体会进行滚转，在滚转后摆动机构3的运动方向会从左右摆动改为斜上斜下摆动，进而再通过摆动臂32的摆动，带动体节1在垂直平面上有夹角，使多个子眼25的视场在垂直平面上重叠；通过多个体节1间的多个摆动机构3和数据采集装置2的共同作用，可以使视场在任意平面内重叠，根据需要实现仿生复眼系统各子眼25之间的几何位置快速的动态调整。

在本发明实施例中，本可变构复眼系统设有6个体节1，摆动机构3的摆角为60°，参照图11所示，在相邻体节1之间达到60°夹角时，通过计算可得到拍摄距离3m远的物体子眼25的视场交叠率为30.9％，子眼25交叠比例基本满足设计需要。

参照图12所示，当6个体节1上的设备舱24都同向沿着环形齿条21运动时，本可变构复眼系统整体会进行滚转，在滚转后摆动运动机构4的运动方向会从左右摆动改为斜上斜下摆动，进而再通过摆动臂32的摆动，带动体节1在垂直平面上有夹角，使多个子眼25的视场在垂直平面上重叠。

下面通过图4-图7对摆动机构3进行进一步详细的说明。

摆动机构3还包括旋转杆36和拨杆37，摆动基座31包括支撑件311和支撑架312，支撑架312包括两个第一伸出件3121和一个第一连接件3122，两个第一伸出件3121的一端均与支撑件311固定，另一端分别与第一连接件3122的两端固定，第二驱动源35包括摆动电机351、蜗杆352和涡轮353，摆动电机351安装在支撑件311上，蜗杆352安装在摆动电机351的输出轴上且穿过支撑架312，涡轮353安装在支撑架312内且与蜗杆352啮合，涡轮353的转轴穿出第一连接件3122与旋转杆36的一端固定，旋转杆36的另一端与拨杆37的一端固定，涡轮353的转轴与旋转杆36垂直设置，拨杆37与旋转杆36垂直设置且与涡轮353的转轴平行设置，摆动臂32包括两个摆动件321和一个第二连接件322，两个摆动件321的一端分别与支撑件311的两端铰接，两个摆动件321间设有两根压杆323，拨杆37的另一端穿进两根压杆323中，两根压杆323的两端分别与两个摆动件321可转动的连接，第二连接件322的两端分别与两个摆动件321的另一端固定。

在摆动机构3的使用过程中，摆动电机351的动力传递给蜗杆352，蜗杆352旋转带动与蜗杆352啮合的涡轮353旋转，由于旋转杆36的一端与涡轮353的转轴固定，旋转杆36的另一端与拨杆37的一端固定，使得旋转杆36和拨杆37一并做圆周运动，由于拨杆37的另一端穿进两根压杆323中，拨杆37在做圆周运动时会拨动压杆323朝圆周运动的方向平移，由于摆动件321的一端分别与支撑件311的两端通过转轴铰接，两根压杆323的两端分别与两个摆动件321可转动的连接，第二连接件322的两端分别与两个摆动件321的另一端固定，使得拨杆37可以带动摆动臂32左右摆动、摆动臂32的摆动方向与拨杆37的圆周运动方向相同，在拨杆37运动180°后摆动臂32会回到原点，拨杆37继续运动，摆动臂32就会朝反方向运动，并在180°后再次回到原点并改变摆动方向，通过摆动电机351不改变旋转方向的情况下实现摆动臂32左右持续不断地摆动运动。且本机构由于是采用涡轮353蜗杆352传动，动力进行单向传输，只能通过摆动电机351向摆动臂32传送动力，在摆动电机351机失去动力时摆动臂32无法摆动，因此本机构还具有自锁特性。

在上述实施方式中，第一连接支架33和第二连接支架34的末端设有卡扣，卡扣卡嵌在气囊支架12上，第一连接支架33和第二连接支架34均为碳纤维材质。

在上述实施方式中，摆动件321内卡嵌有可转动的圆盘，压杆323与圆盘9固定，在拨杆37带动压杆323转动的过程中，压杆323会带动圆盘转动，圆盘9转动进而带动摆动件321转动。

参照图7所示，摆动臂32的摆动角度θ通过旋转杆36的长度d₁、旋转杆36的轴心与支撑件311的垂直距离d₂确定，tanθ＝d₁/d₂，例如，当tan60＝d₁/d₂时，可以保证该摆动运动机构的最大摆动角度为60°。

下面通过图2和图3对气囊11和气囊支架12进行进一步详细的说明。

气囊支架12包括第一架体121和第二架体122，气囊11包括上半圆柱和下半圆柱，第一架体121为框架结构且套设在上半圆柱上，第二架体122包括第二伸出件、第三连接件和第三伸出件，第二伸出件的一端与第一架体121的一侧相连，另一端与第三连接件的一端相连，第三伸出件的一端与第一架体121的另一侧相连，另一端与第三连接件的另一端相连。

在上述实施方式中，摆动基座31通过3个第一连接支架33和一个气囊支架12通过卡扣连接，3个第一连接支架33中，2个连接第一架体121，1个连接第二架体122。摆动臂32通过3个第二连接支架34和与该气囊支架12相邻的气囊支架12通过卡扣连接，3个第二连接支架34中，2个连接第一架体121，1个连接第二架体122。

气囊支架12由多根不同长度的碳纤维杆，通过塑料三通零件或两通零件组合而成。

气囊11由单层pvc薄膜制成，由于pvc塑料化学性能稳定、材料廉价以及重量清，适合用作为气囊11使用，可以使气囊11快速升空。

为了方便设备舱24在环形齿条21上滑动，环形齿条21上设有环形凹槽，设备舱24上设有与环形凹槽配合的凸起，当设备舱24绕沿着环形齿条21运动时，环形凹槽进一步起限位的作用。

可变构复眼系统还包括控制器和驱动器，控制器通过控制驱动器驱动第一驱动源23和第二驱动源35中的摆动电机351运动。控制器为AT89C51，摆动电机351可以是空心杯电机，空心杯电机尺寸小重量低，运行稳定且能耗小，非常适合用于为小型飞行器提供动力。同时由于空心杯电机具有高转速、低转矩的特性，选择行星减速器与之连接，通过行星减速器降低转速提高输出转矩。

在设备舱24内可以设置IMU芯片，IMU芯片与控制器电连接，对子眼25的三轴姿态角(或角速率)以及加速度进行测量，方便根据实际需要部署多个子眼25的位置。

一种可变构复眼系统的工作方法，包括：

步骤1、当设备舱24沿着环形齿条21运动时，体节1的重心改变，并开始朝设备舱24运动的方向进行滚转，直到姿态稳定，当所有体节1上的设备舱24都同向沿着环形齿条21运动时，基于仿生多体体节1的可变构复眼系统整体会进行滚转；

步骤2、实施拍摄，控制各个子眼25在统一时钟下的同一时刻拍摄，并回传拍摄数据，重构同一时刻下的三维数字场景，其中，虚拟复眼按动态场景帧率要求每隔1/帧率秒拍摄；

步骤3、使用尺度不变特征变换算法提取子眼25图像中的特征点，再对子眼25图像的特征点进行匹配；

步骤4、使用欧式距离法和随机抽样一致性算法筛选特征点匹配对，计算待拼接子眼25图像到拼接子眼25图像的投影矩阵；

步骤5、将待拼接子眼25图像进行矩阵变换，使用加权平均法对图像进行融合；

步骤6、将所有子眼25图像进行拼接，获取大视场的仿生复眼拼接图像。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变构复眼系统，其特征在于：包括多节依次连接的体节，所述体节包括气囊和气囊支架，所述气囊为圆柱形，所述气囊支架设在所述气囊外用于支撑所述气囊，所述气囊上设有数据采集装置，所述数据采集装置包括环形齿条、齿轮、第一驱动源、设备舱和子眼，所述环形齿条环设在所述气囊外侧，所述第一驱动源安装在所述设备舱顶部，所述第一驱动源的输出端上安装与所述环形齿条啮合的齿轮，所述子眼安装在所述设备舱底部，相邻所述体节间通过摆动机构连接，所述摆动机构包括摆动基座、摆动臂、第一连接支架和第二连接支架，所述摆动臂与所述摆动基座铰接，所述摆动基座上设有驱动所述摆动臂摆动的第二驱动源，所述第一连接支架的一端与所述摆动基座固定，另一端与一个所述体节的所述气囊支架可拆卸的连接，所述第二连接支架的一端与所述摆动臂固定，另一端与该所述体节相邻的所述体节的所述气囊支架可拆卸的连接。

2.根据权利要求1所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述摆动机构还包括旋转杆和拨杆，所述摆动基座包括支撑件和支撑架，所述支撑架包括两个第一伸出件和一个第一连接件，两个所述第一伸出件的一端均与所述支撑件固定，另一端分别与所述第一连接件的两端固定，所述第二驱动源包括摆动电机、蜗杆和涡轮，所述摆动电机安装在所述支撑件上，所述蜗杆安装在所述摆动电机的输出轴上且穿过所述支撑架，所述涡轮安装在所述支撑架内且与所述蜗杆啮合，所述涡轮的转轴穿出所述第一连接件与所述旋转杆的一端固定，所述旋转杆的另一端与所述拨杆的一端固定，所述涡轮的转轴与所述旋转杆垂直设置，所述拨杆与所述旋转杆垂直设置且与所述涡轮的转轴平行设置，所述摆动臂包括两个摆动件和一个第二连接件，两个所述摆动件的一端分别与所述支撑件的两端铰接，两个所述摆动件间设有两根压杆，所述拨杆的另一端穿进两根所述压杆中，两根所述压杆的两端分别与两个所述摆动件可转动的连接，所述第二连接件的两端分别与两个所述摆动件的另一端固定。

3.根据权利要求2所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述气囊支架包括第一架体和第二架体，所述气囊包括上半圆柱和下半圆柱，所述第一架体为框架结构且套设在所述上半圆柱上，所述第二架体包括第二伸出件、第三连接件和第三伸出件，所述第二伸出件的一端与所述第一架体的一侧相连，另一端与所述第三连接件的一端相连，所述第三伸出件的一端与所述第一架体的另一侧相连，另一端与所述第三连接件的另一端相连。

4.根据权利要求3所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述第一连接支架和所述第二连接支架的末端设有卡扣，所述卡扣卡嵌在所述气囊支架上。

5.根据权利要求1所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述气囊由单层pvc薄膜制成。

6.根据权利要求1所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述体节的数量为4到8个。

7.根据权利要求1所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述环形齿条上设有环形凹槽，所述设备舱上设有与所述环形凹槽配合的凸起。

8.根据权利要求1所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述可变构复眼系统还包括控制器、驱动器和IMU芯片，所述控制器通过控制所述驱动器驱动所述第一驱动源和第二驱动源运动，所述IMU芯片设在所述设备舱内用于对子眼的三轴姿态角(或角速率)以及加速度进行测量，所述IMU芯片与所述控制器电连接。

9.根据权利要求8所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于：所述控制器为AT89C51。

10.一种可变构复眼系统的工作方法，采用权利要求1-9所述的基于仿生多体体节的可变构复眼系统，其特征在于，包括：

步骤1、当设备舱沿着环形齿条运动时，体节的重心改变，并开始朝设备舱运动的方向进行滚转，直到姿态稳定，当所有体节上的设备舱都同向沿着环形齿条运动时，基于仿生多体体节的可变构复眼系统整体会进行滚转；

步骤2、实施拍摄，控制各个子眼在统一时钟下的同一时刻拍摄，并回传拍摄数据，重构同一时刻下的三维数字场景，其中，虚拟复眼按动态场景帧率要求每隔1/帧率秒拍摄；

步骤3、使用尺度不变特征变换算法提取子眼图像中的特征点，再对子眼图像的特征点进行匹配；

步骤4、使用欧式距离法和随机抽样一致性算法筛选特征点匹配对，计算待拼接子眼图像到拼接子眼图像的投影矩阵；

步骤5、将待拼接子眼图像进行矩阵变换，使用加权平均法对图像进行融合；

步骤6、将所有子眼图像进行拼接，获取大视场的仿生复眼拼接图像。

Images