視覺是人類感知外界信息的緊張手腕，視覺伺服系統(tǒng)是機(jī)器人獲得情況信息的要害組成部分。本文次要探討仿人機(jī)器人BHR-1的視覺伺服系統(tǒng)。起首先容機(jī)器人頭部的視覺整體布局計(jì)劃，然后闡述了基于平面視覺的信息處理跟頭部運(yùn)動(dòng)節(jié)制，最初經(jīng)由過程方針跟蹤跟物體抓取試驗(yàn)解釋了體系的可行性。
總體方案及控制系統(tǒng)仿人機(jī)器人的視覺伺服系統(tǒng)要求可能依據(jù)詳細(xì)情況跟具體情況停止自動(dòng)搜刮，及時(shí)將攝像頭轉(zhuǎn)向方針，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間方針的及時(shí)跟蹤并獲得物體的三維地位信息，從而節(jié)制手臂實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的精確抓取。BHR-1）的頭部有2個(gè)自由度，臉部安排兩只CCD攝像頭作為視覺傳感器去模擬人的眼睛。機(jī)器人的手臂也是仿照人類的上肢計(jì)劃的，存在7個(gè)自由度，肩關(guān)節(jié)3個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)人類上肢的各類舉措。機(jī)器人依據(jù)方針的三維地位信息實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取。
仿人機(jī)器人BHR-1的總體設(shè)計(jì)計(jì)劃如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)物體的快捷定位，須要實(shí)現(xiàn)圖像處理跟運(yùn)動(dòng)節(jié)制的使命。一臺(tái)計(jì)算機(jī)將難以知足快捷定位的實(shí)時(shí)性要求，是以本文采取了單計(jì)算機(jī)處置懲罰跟Memolink通訊方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)離別擔(dān)任雙目平面視覺的信息處理跟機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)節(jié)制。Memolink是體系間停止快捷通訊的一種無效解決方案。
機(jī)器人的視覺跟蹤和方針抓取的實(shí)現(xiàn)皆依附運(yùn)動(dòng)節(jié)制計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)節(jié)制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)依據(jù)視覺處置懲罰體系的處理結(jié)果，節(jié)制機(jī)器人采取相應(yīng)決議計(jì)劃。例如：頭部的兩自由度遷移轉(zhuǎn)變，以跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或許上肢手臂來抓取方針。運(yùn)動(dòng)節(jié)制子系統(tǒng)以RT-Linux及時(shí)操縱操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，保障了機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
圖2體系總體方案
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)節(jié)制子系統(tǒng)的被控工具是機(jī)器人的各樞紐的角度，而樞紐是由機(jī)電動(dòng)員的，是以被控工具實(shí)際上是動(dòng)員樞紐遷移轉(zhuǎn)變的機(jī)電遷移轉(zhuǎn)變的角度，是一個(gè)地位伺服系統(tǒng)。
體系利用了一套多功能接口板，將一切的A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、ENC、PWM、32位IO等多種功用皆集成正在該接口板上，進(jìn)步了體系的集成性并減小了體系體積跟重量。
智能果蔬分揀機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)正在節(jié)制旌旗燈號(hào)的輸入方面，因?yàn)楣?jié)制的目標(biāo)是為了機(jī)器人的頭部可能跟蹤運(yùn)動(dòng)的方針，是以實(shí)際上輸入量就是依據(jù)圖像處理子系統(tǒng)的處理結(jié)果失掉的，正在圖像處理的進(jìn)程中，終極求得的方針的地位就是前面運(yùn)動(dòng)節(jié)制子系統(tǒng)的輸入量。因?yàn)閳D像處理子系統(tǒng)的處理結(jié)果本身就是數(shù)字量，運(yùn)動(dòng)節(jié)制子系統(tǒng)所失掉的地位信息也是數(shù)字信號(hào)，是以，這里沒有須要模數(shù)轉(zhuǎn)換的進(jìn)程。
正在反應(yīng)旌旗燈號(hào)的輸入方面，由于被控工具是機(jī)電，確切的說是機(jī)電遷移轉(zhuǎn)變的角度，是地位節(jié)制，是以可以用機(jī)電下面的軸角編碼器的輸出作為反應(yīng)旌旗燈號(hào)。軸角編碼器是一個(gè)丈量機(jī)電所轉(zhuǎn)過的角度的器件，它以脈沖的方法去反應(yīng)機(jī)電轉(zhuǎn)過的角度，機(jī)電轉(zhuǎn)過的角度越大，它輸出的脈沖個(gè)數(shù)便越多，反之，輸出的脈沖個(gè)數(shù)便越少。是以咱們采取了接口板上的ENC
接口去作為反應(yīng)旌旗燈號(hào)的輸入通道，它可以丈量軸角編碼器的脈沖輸出個(gè)數(shù)。機(jī)器人頭部的運(yùn)動(dòng)節(jié)制子系統(tǒng)的布局框圖如圖3所示。
基于平面視覺的視覺信息處理系統(tǒng)采取了基于平面視覺的解決方案，經(jīng)由過程參加了深度信息，使得方針的搜刮成果加倍精確。體系利用了美國SRI人工智能中間所開辟的一套高速的雙目平面視覺體系SVS（smallvisionsystem）。
圖象宰割是物體辨認(rèn)的預(yù)處理階段，是機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。該體系采取了基于顏色信息的閾值宰割方式。實(shí)際剖析跟試驗(yàn)成果皆評(píng)釋，對(duì)統(tǒng)一顏色屬性的物體，正在光源品種、照度、物體反射特性等分歧前提下，測得的RGB顏色值漫衍很疏散，很難肯定辨認(rèn)RGB的閾值規(guī)模。而HSV模子更瀕臨人眼對(duì)顏色的感知，它將收羅的顏色信息分為色調(diào)、飽和度跟亮度三種屬性量化，色調(diào)屬性H能比力精確天反應(yīng)顏色品種，對(duì)外界光照前提的變更敏感水平低，是以，HSV較之RGB更得當(dāng)于用做辨認(rèn)處置懲罰的根底。本文采取HSV模子作為顏色辨認(rèn)處置懲罰的根底，拔取此中的參數(shù)H跟V作為辨認(rèn)處置懲罰的判斷根據(jù)。RGB空間中一點(diǎn)到HSV空間中一點(diǎn)的詳細(xì)轉(zhuǎn)化關(guān)聯(lián)以下：
V=max，V′=min;
IfV=0orV=V′thenH=0，S=0;
Ifr=VthenH=;
Ifg=VthenH=2+;
Ifb=VthenH=4+，H=H×60;
IfH＜0thenH=H+360，S=/V
體系起首離線采樣方針圖象區(qū)域，將該部分彩色圖像從RGB模子轉(zhuǎn)化為HSV模子，對(duì)此中H、S兩個(gè)份量離別作直方圖，失掉選定區(qū)域的H、S閾值，這是一個(gè)離線的學(xué)
快遞分揀機(jī)器人系統(tǒng)市場圖4視覺處置懲罰流程圖
習(xí)進(jìn)程。正在隨后的及時(shí)圖像識(shí)別中，H、S閾值依據(jù)前一個(gè)視覺周期的彩色圖像及時(shí)更新以順應(yīng)新的光照前提。
視覺處置懲罰體系的流程圖如圖4所示，體系利用攝像頭去收羅圖象，正在對(duì)圖象停止一系列的預(yù)處理之后，對(duì)其停止區(qū)域分割，以失掉多個(gè)區(qū)域，再搜刮這些區(qū)域，依據(jù)已知方針特點(diǎn)找到方針?biāo)诘膮^(qū)域。若是找到，則節(jié)制機(jī)器人頭部面向方針，同時(shí)更新方針的特點(diǎn)，以用來正在下次搜刮時(shí)利用，若是不找到相匹配的方針，則能夠方針被臨時(shí)潛藏或喪失，這時(shí)候起頭下一次處置懲罰，以守候方針再次出現(xiàn)。
由于視覺處置懲罰體系處置懲罰的是上一個(gè)周期的圖象，以是失掉的方針坐標(biāo)也是上一個(gè)周期的坐標(biāo)，若是用此標(biāo)的目的坐標(biāo)去作為運(yùn)動(dòng)節(jié)制的輸入，則頭部運(yùn)動(dòng)一直滯后一個(gè)周期。為了放慢體系的速率，本文采取了比例微分節(jié)制，系統(tǒng)地輸入輸出函數(shù)為：
Iα＋kd
Iβ＋kd
eα＝βk－βk’
式中Iα為正在t工夫上控制系統(tǒng)的輸出;方針的標(biāo)的目的坐標(biāo);該時(shí)辰兩自由度機(jī)構(gòu)的標(biāo)的目的坐標(biāo);eα離別默示該時(shí)辰頭部地位與方針地位之間的誤差;kp跟kd離別為控制系統(tǒng)的比例系數(shù)跟微分系數(shù)。經(jīng)由過程試驗(yàn)調(diào)節(jié)kp跟kd，kd＜＜kp，體系可以既有較下的反應(yīng)速度，同時(shí)又存在穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)節(jié)制進(jìn)程依據(jù)后面的敘述，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的事情進(jìn)程是一個(gè)輪回的及時(shí)數(shù)據(jù)收羅，及時(shí)決議計(jì)劃，實(shí)時(shí)控制的進(jìn)程，正在本體系中，依據(jù)所選用器件的具體情況，假定對(duì)一切的節(jié)制環(huán)實(shí)現(xiàn)如許的一個(gè)輪回約莫須要m毫秒的工夫擺布。正在視覺信息處理系統(tǒng)中，處置懲罰一幀圖象均勻須要n毫秒擺布的工夫，因?yàn)橐曈X處置懲罰跟運(yùn)動(dòng)節(jié)制使命的特色的分歧，n＞＞m，也就是說視覺處置懲罰的周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)動(dòng)節(jié)制的周期。正在一個(gè)視覺處置懲罰的周期內(nèi)，體系可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)制周期的處置懲罰。是以正在一個(gè)視覺處置懲罰周期之后，體系該當(dāng)做好下一個(gè)視覺處置懲罰周期以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，也就是做好前面多個(gè)節(jié)制周期以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，如許才氣保障機(jī)器人的頭部以平均、陡峭，同時(shí)又是精確的速率去跟蹤目標(biāo)。
控制系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。
正在每一個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)制周期內(nèi)，順序皆起首要檢查Memolink，看視覺信息處理系統(tǒng)是不是有新的處理結(jié)果經(jīng)由過程Memolink傳送到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，若是不，順序便依照預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃去節(jié)制機(jī)器人運(yùn)動(dòng);如
圖5機(jī)器人運(yùn)動(dòng)節(jié)制的軟件流程
快遞分揀機(jī)器人的營銷策略果有，順序便先要依據(jù)視覺體系的處理結(jié)果去點(diǎn)竄運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。為了使機(jī)器人頭部的運(yùn)動(dòng)安穩(wěn)，咱們把每次預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃所計(jì)劃的工夫定為略大于視覺處置懲罰的均勻周期，如許便可能保證系統(tǒng)正在每次新的視覺處理結(jié)果到來之時(shí)，原有的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃借不履行完。從而使只有方針正在不休運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人頭部便可以處于不休運(yùn)動(dòng)進(jìn)程中，制止了機(jī)器人頭部時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的景象。隨后順序離別讀取計(jì)劃跟反應(yīng)，依據(jù)二者之差來求得節(jié)制量，再收回節(jié)制旌旗燈號(hào)，節(jié)制機(jī)器人頭部的遷移轉(zhuǎn)變。
關(guān)于節(jié)制量的求法順序采取了傳統(tǒng)的PID算法，設(shè)t為第k個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)制周期時(shí)辰，正在t工夫上，體系的輸出量為Yk，運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的計(jì)劃量為Xk，根據(jù)PID算法，正在t工夫上，體系的輸出Yk＋1為
Yk＋1＝KP＋Ki∑＋Kd
分揀機(jī)器人設(shè)備分揀機(jī)器人 定制上式中KP，Ki，Kd離別為比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)。正在一個(gè)控制系統(tǒng)中，必然巨細(xì)積分系數(shù)可以使體系不殘差，但會(huì)降低響應(yīng)速度;而必然巨細(xì)的比例系數(shù)可以放慢體系的響應(yīng)速度，并能依據(jù)輸入的變更提早做出相應(yīng)，但能夠?qū)е孪到y(tǒng)沒有不變。是以正在成果可以接管的環(huán)境下，該當(dāng)只利用比例系數(shù)，若是成果達(dá)不到要求再利用積分系數(shù)跟微分系數(shù)。
試驗(yàn)本體系中，視覺信息處理系統(tǒng)跟運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)離別合用Windows跟RT-Linux作為軟件開發(fā)平臺(tái)。RT-Linux是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用它可以知足運(yùn)動(dòng)節(jié)制的實(shí)時(shí)性，而Windows體系的壯大的多媒體功用使其成為圖像處理的平臺(tái)。視覺信息處理計(jì)算機(jī)的CPU為PⅣ2.4GB，內(nèi)存512M;運(yùn)動(dòng)節(jié)制計(jì)算機(jī)的CPU為PⅢ700MHz，內(nèi)存256M;Memolink是毗鄰視覺處置懲罰體系與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的橋梁，咱們選用的產(chǎn)物采取PCI接口，最大傳輸速率為1Mbytes/s。攝像頭為SVS視覺處置懲罰體系，每秒鐘采樣15幀。
SVS視覺處置懲罰體系裝置才2自由度的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，該機(jī)構(gòu)正在2個(gè)自由度標(biāo)的目的的運(yùn)動(dòng)足以使其指向任何標(biāo)的目的，是以可以實(shí)現(xiàn)跟蹤物體。BHR-1的頭部的三維尺寸為寬19cm，下27cm，深19cm，重量2.8kg，以上數(shù)據(jù)包羅機(jī)器布局、軸承、機(jī)電、攝像機(jī)等。
應(yīng)用該體系跟蹤跟定位物體時(shí)，圖象的處理速度為每秒鐘10幀，視覺伺服周期為100ms擺布，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的伺服周期是3ms，近距離的定位精度較下，最高精度為1m處3‰。圖6為BHR-1的頭部跟蹤跟物體定位試驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的視覺定位與舉措計(jì)劃的方式的有效性，BHR-1體系實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的抓取實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人手臂是存在7個(gè)自由度的機(jī)器人的右臂，試驗(yàn)進(jìn)程中，視覺體系將方針物體的三維信息經(jīng)由過程memolink傳送給運(yùn)動(dòng)節(jié)制計(jì)算機(jī)，運(yùn)動(dòng)節(jié)制計(jì)算機(jī)依據(jù)下面提出的方式計(jì)劃數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)抓取物體。結(jié)語本文給出了一種基于雙目視覺的物體的跟蹤跟定位計(jì)劃。雙目視覺用于獲得方針物體的三維空間信息，實(shí)現(xiàn)物體的定位。這個(gè)體系采取了單計(jì)算機(jī)處置懲罰跟Memolink通信方法，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)離別停止視覺信息處理跟運(yùn)動(dòng)節(jié)制，保障了體系存在較下的響應(yīng)速度。
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