淺析四自由度視覺裝置設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

摘 要：在信息技術(shù)水平不斷提升的背景下，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其中四自由度視覺裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯出來。本文從四自由度視覺裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體思路以及雙目立體視覺裝置的設(shè)計(jì)兩個(gè)大方面入手，對(duì)四自由度視覺裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合四自由度視覺裝置應(yīng)用的具體要求，對(duì)其控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)作出詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：視覺技術(shù)；四自由度視覺裝置；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.143

0 前言

相關(guān)研究結(jié)果表明，人類獲得的信息中超過80%均是通過視覺所得到。近年來，在計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展的背景下，立體視覺傳感器在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用范圍隨之不斷擴(kuò)大，其中雙目視覺傳感器更是憑借自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用便捷、速度快以及精準(zhǔn)度高等諸多優(yōu)勢(shì)特征，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人自導(dǎo)引和航天等領(lǐng)域中。就此，本文針對(duì)四自由度視覺裝置設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)展開研究。

1 四自由度視覺裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 四自由度視覺裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體思路

在四自由度視覺裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)對(duì)于目標(biāo)物體的快速定位，首先需要根據(jù)四自由度視覺裝置應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的任務(wù)類型，合理控制視覺系統(tǒng)的自由度以及鏡頭的配置。比如：在自由度設(shè)置工作中，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人而言，為了滿足工業(yè)機(jī)器人在測(cè)量深度方面的需求，需要在設(shè)計(jì)過程中采用兩個(gè)攝像頭，并且設(shè)置的兩個(gè)攝像頭之間的夾角支持自由調(diào)整，因此需要兩個(gè)可控的自由度[1]。

此外，為了充分體現(xiàn)出人眼與頭部的功能，使視覺系統(tǒng)的視野進(jìn)一步擴(kuò)大，則需要采用四個(gè)自由度，也是本文研究的核心內(nèi)容。對(duì)于四自由度視覺裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其裝置主要包括四個(gè)自由度、兩個(gè)脖子以及兩個(gè)眼。如果從仿生這一角度出發(fā)考慮，四自由度視覺裝置中的自由度應(yīng)該為旋轉(zhuǎn)自由度，以此來提升裝置的反應(yīng)速度。此外，在四自由度視覺裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還需要切實(shí)保證攝像頭間距設(shè)置的合理性。通常情況下，兩個(gè)攝像頭之間的間距越大，那么目標(biāo)物體在兩個(gè)攝像頭上的視差便會(huì)隨之變大。但是如果間距設(shè)置超出合理范圍，則容易導(dǎo)致裝置整個(gè)頭部的體積過大，不僅會(huì)降低其應(yīng)用靈活性，其自身的慣性也會(huì)進(jìn)一步加大。因此，在攝像頭間距設(shè)置時(shí)，一般會(huì)選擇人的雙目距離（100mm左右）作為參考。

1.2 雙目立體視覺裝置的設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)四自由度視覺裝置的圖像伺服閉環(huán)控制目的，在雙目立體視覺裝置設(shè)計(jì)階段中，一般需要設(shè)計(jì)用于安裝雙目CCD攝像機(jī)的視覺裝置。本文研究的四自由度視覺裝置設(shè)計(jì)，其中包括四個(gè)自由度，其中兩個(gè)自由度分別為系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)、俯仰自由度，另外兩個(gè)自由度則為控制攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。這一過程中，對(duì)于系統(tǒng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該確保整個(gè)視覺裝置安裝在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的腰身頂部位置處，并且由57BYGH803步進(jìn)電機(jī)1通過一級(jí)蝸輪巧以及蝸桿2減速，驅(qū)動(dòng)軸14繞回轉(zhuǎn)軸線帶動(dòng)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于系統(tǒng)俯仰運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，需要借助步進(jìn)電機(jī)通過一級(jí)蝸輪以及蝸軒12減速，驅(qū)動(dòng)軸4繞回轉(zhuǎn)軸線帶動(dòng)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。這一設(shè)計(jì)方式可以有效促進(jìn)機(jī)器人在垂直平面內(nèi)的視覺范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)于攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，需要借助兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過一級(jí)蝸輪、蝸桿以及減速，在驅(qū)動(dòng)軸繞回轉(zhuǎn)軸線的情況下帶動(dòng)攝像機(jī)完成轉(zhuǎn)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)方式可以將攝像機(jī)兩光軸的交點(diǎn)調(diào)整到目標(biāo)物體上[2]。

2 四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的硬件實(shí)現(xiàn)，需要綜合考慮四自由度視覺裝置的應(yīng)用需求，在充分掌握裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，開展相關(guān)操作。本次四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)主要采用的是雙目BP33O型CCD攝像機(jī)，通過將其設(shè)置在同一平面內(nèi)的方式，達(dá)到獲取目標(biāo)物體邊界特征的目的，并且可以借助METEOR2/4圖像采集卡對(duì)圖像信息實(shí)施采集。這種情況下，四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)中僅存在一個(gè)RGB通道，對(duì)此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件的實(shí)現(xiàn)只需要黑白圖像，在RGB通道的R與G上分別連接兩只CCD攝像機(jī)，便可以滿足對(duì)目標(biāo)圖像信息的同步采集要求。

除此之外，在四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)過程中，還需要通過對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行的位姿算法，同時(shí)結(jié)合操作臂規(guī)劃算法，確定最終的角度。而這一角度與四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)操作臂的其實(shí)角度對(duì)比，可以進(jìn)一步確定電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角。按照設(shè)計(jì)要求和特定的控制變化規(guī)律，將電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電壓，便可以將其作為四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)控制操作臂的期望值。在輸入控制電壓不斷提升的背景下，驅(qū)動(dòng)隨之放大，從而四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)控制操作臂對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)卡可以選擇PCL-839三軸智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡。由于PCL-839三軸智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡內(nèi)的三個(gè)PCL-AK智能芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置動(dòng)作轉(zhuǎn)換的控制，所以可以將其經(jīng)由板卡上的I/O寄存器，完成對(duì)四自由度視覺裝置控制系統(tǒng)每軸的控制。

3 總結(jié)

綜上所述，在本次四自由度視覺裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，通過將雙目攝像機(jī)光軸置于同一平面內(nèi)這一方式，可以在保證四自由度視覺裝置自身運(yùn)動(dòng)視野大、操作便捷以及控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，大大減少?gòu)膱D像中獲得目標(biāo)邊界特征的時(shí)間，在縮短匹配時(shí)間以及降低無匹配可能等方面，同樣發(fā)揮著積極的作用。但是四自由度視覺裝置在操作臂控制方面仍舊存在一定的誤差，因此還需要改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊勇，盧銀輝.基于計(jì)算機(jī)視覺的輸煤皮帶人員跌落裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（18）：136-137.

[2]劉云.基于智能視覺在工業(yè)機(jī)械手裝置上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南昌大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介：李晶晶（1995-），女，河北大名人，研究生在讀，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程。