雙目主動視覺平臺多自由度運動控制系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】為了解決并聯(lián)機器人雙目主動視覺平臺的運動靈活性問題，構(gòu)建了多自由度運動機構(gòu)，給出了雙目主動視覺平臺多自由度運動控制方法。對交流伺服電機的閉環(huán)控制策略進行研究，并將其應(yīng)用到運動機構(gòu)中；采用串口通信協(xié)議實現(xiàn)了2自由度數(shù)字云臺與主機的聯(lián)網(wǎng)和通信，以及攝像機位姿的調(diào)整。該方法基于主控計算機并行地實現(xiàn)多自由度運動機構(gòu)各運動副的控制，擴展性好，運動穩(wěn)定，具有較高的視覺監(jiān)測速度和運動精度。

【關(guān)鍵詞】多自由度；運動控制；伺服電機；閉環(huán)控制

并聯(lián)機器人通過向末梢執(zhí)行器下達(dá)指令，來控制切削刀具的位姿，而缺乏對其工作狀態(tài)的主動認(rèn)知，因此，引入雙目主動視覺平臺對自身狀態(tài)進行觀測，以期提高控制精度。該平臺由多自由度運動控制系統(tǒng)和視覺服務(wù)系統(tǒng)組成，而多自由度運動控制系統(tǒng)的精度和速度是視覺服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的雙目主動視覺機構(gòu)類似人的頭眼系統(tǒng)，通過控制頭眼的轉(zhuǎn)動難以實現(xiàn)觀測的靈活性和視覺避讓，同時受并聯(lián)機器人多鏈結(jié)構(gòu)影響，視覺遮擋機率更高。E. Samson等人研制的雙目主動視覺靈巧眼ASP（Agile Stereo Pair），視覺遮擋機率較低，卻僅能控制雙目在直線方向上的移動。趙曉光等人建立的一種立體視覺監(jiān)控裝置（專利號200420077838.5），對安裝在相互垂直導(dǎo)軌上的兩臺攝像機進行控制，基線方向可調(diào)，但視角調(diào)整靈活性有限。

針對上述問題，基于雙目主動視覺監(jiān)測平臺，構(gòu)建了多自由度運動控制系統(tǒng)?；谥骺赜嬎銠C實現(xiàn)伺服電機、數(shù)字云臺的并行控制，由伺服驅(qū)動器和伺服電機構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過4軸電機控制卡實現(xiàn)對多自由度運動機構(gòu)中小車和云臺位置的調(diào)整；采用串口通信協(xié)議完成數(shù)字云臺的聯(lián)網(wǎng)和通信，實現(xiàn)了雙目基線可調(diào)，大視角觀測的控制。

1.多自由度運動機構(gòu)描述

多自由度運動機構(gòu)如圖1所示。并聯(lián)機器人工作在多自由度運動機構(gòu)的可視區(qū)域，安裝了圓形導(dǎo)軌的驅(qū)動齒圈固定，導(dǎo)軌上配備了兩個電機驅(qū)動的小車，可繞齒圈做圓周運動，每個小車上裝有垂直絲杠，攝像機通過云臺固定在垂直絲杠的滑塊上，云臺可通過俯仰和擺動兩個自由度調(diào)整攝像機的姿態(tài)，垂直絲杠下端的電機通過控制絲杠的轉(zhuǎn)動調(diào)整攝像機的高度。運動控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)電機驅(qū)動的小車和垂直絲杠在兩個自由度下的控制，以及數(shù)字云臺兩個自由度的控制。

2.多自由度運動控制系統(tǒng)設(shè)計方案

為了滿足視覺服務(wù)系統(tǒng)對視域監(jiān)測信息的需求，多自由度運動控制系統(tǒng)應(yīng)該具有較好的控制穩(wěn)定性，以及較好的擴展性，選取工控機作為主控計算機，對驅(qū)動電機、數(shù)字云臺和攝像機進行并行控制?？紤]到平臺齒圈的阻力和運行平穩(wěn)性，選取交流伺服電機作為小車和絲杠的驅(qū)動電機，通過伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機形成閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)，在工控機配以電機控制卡對伺服驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送控制信號；數(shù)字云臺運動力矩較小，選取步進電機作為其控制電機，通過串口連接到工控機；攝像機安裝在云臺上，需要將拍攝到的圖像快速的送入工控機，因此，通過1394接口將攝像機和主控計算機連接。多自由度運動控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

3.多自由度運動控制方法

多自由度運動機構(gòu)中，小車驅(qū)動電機和垂直絲杠驅(qū)動電機的運動決定攝像機的空間位置，云臺步進電機的運動決定攝像機的姿態(tài)，各運動副之間的并行控制是視覺監(jiān)測速度的關(guān)鍵。

3.1 交流伺服電機控制

多自由度運動機構(gòu)中，采用主控計算機+運動控制卡的開放式控制方式實現(xiàn)伺服電機的控制，運動控制卡以插卡形式嵌入主控計算機，主控計算機負(fù)責(zé)伺服控制系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)控和人機交互的管理等工作；運動控制卡完成伺服電機運動控制的所有細(xì)節(jié)。本文選用和利時公司的SYNTRON6050系列4軸電機運動控制卡，采用研華公司的IPC-610H工控機作為主控計算機，電機運動控制卡插入工控機的PCI插槽中。

3.1.1 電機運動控制卡

電機運動控制卡與主控計算機構(gòu)成上下位機型的主從式數(shù)字控制系統(tǒng)，用于伺服電機的控制。以DSP芯片作為運動控制卡的核心處理器，完成復(fù)雜的運動控制算法、插補算法和進行保護中斷的處理，特別是伺服周期內(nèi)位置控制和速度控制；以FPGA芯片作為協(xié)處理器實現(xiàn)鑒相的處理與編碼信號的采集，對模擬量和脈沖進行輸出和配置，把DSP處理過的控制數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換送到外部設(shè)備，并管理各種外部設(shè)備和DSP的接口配置，F(xiàn)PGA在多軸控制中能進行真正的并行處理。

DSP通過外設(shè)接口XINTF與FPGA進行通信，F(xiàn)PGA通過DSP的外部中斷XINT1和XINT2來觸發(fā)DSP接受運動控制命令和參數(shù)，DSP接受到命令后，根據(jù)工作協(xié)議調(diào)節(jié)自身進入定義的工作狀態(tài)。同時，DSP在遇到錯誤或工作完成情況時，自動給FPGA發(fā)送反饋消息。FPGA負(fù)責(zé)接受PCI局部總線的命令和參數(shù)，對其處理后發(fā)送給DSP，下達(dá)運動控制指令，同時反饋信息給PCI局部總線，并且控制系統(tǒng)外圍D/A模塊， I/O模塊，鍵盤輸入等。

3.1.2 交流伺服系統(tǒng)的硬件連接

選用SYNTRON公司的GS0020B作為伺服驅(qū)動器，集成美國TI公司的DSP核心控制芯片，采用先進的全數(shù)字電機控制算法，完全以軟件方式實現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應(yīng)能力，適用于需要快速響應(yīng)的定位控制與精密轉(zhuǎn)速控制的應(yīng)用系統(tǒng)。電機運動控制卡、交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電機的硬件連接電路如圖3所示。

3.2 云臺控制器接口與通信

主控計算機通過云臺控制器實現(xiàn)云臺俯仰和水平擺動方向的控制，以實現(xiàn)攝像機姿態(tài)的調(diào)整。主控計算機采用異步通信接口RS485與云臺控制器通信。由于運動控制系統(tǒng)需要主控計算機并行控制兩個云臺，本系統(tǒng)將云臺控制器和主控計算機組成控制網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)置ID的方式對云臺控制器進行區(qū)分，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中云臺的控制，云臺控制器和主機聯(lián)網(wǎng)的方法如下。

（1）確定云臺控制器在主控計算機中的物理位置：連接控制器和主機的擴展卡相對CPU的位置；

（2）設(shè)定云臺控制器的ID號，同一網(wǎng)絡(luò)中ID號唯一：根據(jù)物理位置和CPU的距離確定ID號；

（3）將標(biāo)識為ID0的云臺控制器連接到主機的RS485接口，所有云臺通過RS485 接口連接到其相應(yīng)的控制器。

PC機與云臺的一次完整通信由PC發(fā)送指令和被控設(shè)備反饋兩部分構(gòu)成。指令數(shù)據(jù)流的發(fā)送和數(shù)據(jù)流的反饋之間需要有10ms 的延時，用來穩(wěn)定RS485總線上的信號，如果回送數(shù)據(jù)是約定好的正確代碼，則通訊成功；但反饋數(shù)據(jù)流必須在200ms 以內(nèi)反饋數(shù)據(jù)，如果沒有反饋，則主機認(rèn)為當(dāng)前的總線上沒有設(shè)備號為發(fā)送指令數(shù)據(jù)流中的ID 編碼的設(shè)備。

4.總結(jié)

雙目主動視覺平臺多自由度運動控制系統(tǒng)基于主控計算機實現(xiàn)了伺服電機、數(shù)字云臺的并行控制。由伺服驅(qū)動器和伺服電機構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過4軸電機控制卡實現(xiàn)對多自由度運動機構(gòu)中小車和云臺位置的調(diào)整；采用串口通信協(xié)議完成數(shù)字云臺的聯(lián)網(wǎng)和通信，實現(xiàn)了攝像機位姿的調(diào)整。運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了雙目運動的靈活性，基線可調(diào)，滿足大視角觀測的需要，當(dāng)發(fā)生視覺遮擋時，可以通過調(diào)整攝像機的位置和姿態(tài)進行避讓。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，擴展方便，視覺監(jiān)測速度較快，具有較高的運動穩(wěn)定性和運動精度。

參考文獻(xiàn)

[1]王璿，孔令富，王月明等.主動視覺監(jiān)測平臺機械誤差矯正方法研究[J].中國機械工程，2008，19（13）：1523-1527.

[2]孔令富，景榮，趙立強.圓軌雙鏈主動視覺機構(gòu)標(biāo)定體系的設(shè)計[J].計算機工程與設(shè)計，2010，31（8）：1882-1885.

[3]E.Samson，D.Laurendeau， M. Parizeau1 etc.The Agile Stereo Pair for Active Vision.Machine Vision and Applications， Published by Springer-Verlag，2006，17（1）：32-50.

[4]張旭東，夏加寬，王成元.基于PC機的開放式交流伺服系統(tǒng)的研究[J].控制工程，2007，14（1）：96-98.

[5]周濤，朱景成.機載光電跟蹤平臺伺服系統(tǒng)自抗擾控制[J].光電工程，2011，38（4）：31-36.

[6]張廣志，李林，孔令富.交流伺服系統(tǒng)在視覺監(jiān)測平臺中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2009，3：34-36.

本文榮獲河南省重點科技攻關(guān)項目資助（項目編號：122102210065）。

作者簡介：

李曉輝（1981—），男，河南孟州人，碩士，助教，研究方向：機器視覺，圖像處理。

李明彩（1982—），女，河南延津人，碩士，講師，研究方向：圖像處理。