基于双目视觉定位的排爆机器人控制系统.docx

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1、基于双目视觉定位的排爆机器人控制系统ronggang导语：本文提出了一种基于双目视觉定位导航的自动抓取排爆机器人控制系统方案，介绍了双目视觉定位的原理和运动控制系统的设计摘要：本文提出了一种基于双目视觉定位导航的自动抓取排爆机器人控制系统方案，介绍了双目视觉定位的原理和运动控制系统的设计，并利用MATLAB/RTW工具生成基于xPC目的的实时控制系统，运行于配置PC/104的试验样机上，获得了较好的结果。关键词：排爆机器人双目视觉定位MATLAB/RTWAbstract：AcontrolsystemschemeofaBomb-disposalRobotbasedonthebinocularst

2、ereovisionlocationandnavigationisproposedinthispaper.Theprincipleofthebinocularvisionlocationandthedesignofamotioncontrolsystemaredescribed.RealtimecontrolsystemoftherobotbasedonxPCtargetthroughtheMATLAB/RTWrunsuccessfullyintestprototypefurnishedwithPC/104,andsatisfactoryresultisobtained.Keywords：Bo

3、mb-disposalRobotMotionControlBinocularVisionLocationMatLab/RTW1.前言排爆机器人作为一种特殊环境下使用的机器人在很多国家都已开展了研制，有的已有产品面世，但大都是为一种遥控，抓起目的物的经过中需要人的干预，由于有多个关节需要协调控制，且抓起目的物时的定位精度通常在5mm以下，故操纵者没有长期的训练是难于胜任的。本文提出了一种基于双目视觉定位导航的手眼协调系统来完成自动控制抓起目的物的经过，该控制方案在实验样机上得到了验证，获得了较满足的结果。2.系统设计排爆机器人由机械系统、双目视觉定位系统和运动控制系统三局部组成，可对目的物进展准

4、确测距定位并自动完成抓取功能。2.1机械构造机器人整体构造分为车体和机械手两局部，车体两侧各安装一个电机，采用链传动实现四轮驱动，通过控制两侧电机的转速和转向可使小车实现任意半径的转弯。本机器人机械手具有5个自由度，分别对应为腰、肩、肘、腕关节和手爪转位关节，其构造示意图见图1。各关节由直流电机驱动，均采用位置闭环。两摄像头安装在小臂上，为机器人双目视觉。图1机械手机构示意图2.2双目视觉定位和手眼协调双目视觉定位2系统是由安装在小臂上的两个摄像头摄取同一目的物两幅图像，利用三角测距原理，经图像匹配和计算得出目的物与机械手坐标系的准确相对位置。通过手爪运动轨迹规划使得手爪在接近目的物的经过中，

5、摄像头一直对准目的物，利用这种手眼协调方式以使目的物始终处于图像监控之下;然后在手爪离目的物较近的位置手爪途径规划时确定时再进展一次更为准确的测距，最后准确抓取目的。整个抓取经过由机器人控制系统自动完成。2.2.1三角测距原理假如已知两台摄像枪的几何位置，且同时知道同一物体在2个摄像枪中的成像位置，便可以利用三角原理计算物体在空间的位置，即通过三角测距法获取深度信息。如图2所示。考虑最简单的情形，L和R分别为2个参数一样的针孔摄像枪，f为2个摄像枪的焦距，L和R光轴平行，与X轴重合，Y轴垂直于纸面。以L的摄像枪坐标系为世界坐标系，R的原点或者投影中心的偏移量为b，b成为立体视觉系统的基线。目的

6、点为P，P在左右摄像枪中投影的x坐标分别为x1,x2。根据空间几何的原理，有如下公式：已知x1,y1,x2,y2，焦距f和基线长度b即可以得到P点的三维坐标X，Y，Z图2三角测距示意图2.3运动控制系统机器人运动控制系统采用全数字式伺服方式，即除电机驱动及以后的局部为硬件外，其余的如插补算法、比拟单元、控制器等均数字化、软件化后由计算机来完成。其突出优点是可灵敏运用各种复杂的控制规律，并降低硬件本钱。2.3.1手爪途径规划和插补要完成手眼协调控制，即在自动抓取目的物的前期手爪接近目的物摄像头一直对准目的物，那么从手爪起始点到准确测距点的轨迹应为一直线。为实现手爪近似程度伸向目的物，从准确测距点

7、到最终抓取目的点应为另一直线，故手爪途径由两段直线组成。手爪途径规划在直角坐标空间3进展，手爪设计挪动速度为50mm/s，由于机器人手爪运动轨迹精度要求并不高，故采用L=5mm作定距插补得到密集化的数据系列，相当于粗插补周期100ms。得到一系列目的点后利用逆运动学算法算出各关节角度系列，各关节采用位置闭环伺服控制到达所要求的角度，功能框图如图3所示。由于机械手为开链悬臂构造，为了使各手臂运动平稳，必须对手臂运动进展速度控制，故在关节空间进一步插补作速度规划，插补速度曲线采用梯形速度曲线形式，插补周期为10ms，控制规律采用数字PID算法，由PWM波调速，PWM波由软件产生，周期为0.5ms，

8、即PWM频率为2kHz。另外，假设反应环节开路或者出现故障会造成偏向过大甚至越来越大，这就使得手臂过速及到达目的位置而不能停顿，故为平安起见，增加了偏向检测保护模块。各关节闭环位置控制系统框图见图4。图3机械手运动控制系统框图图4各关节位置闭环伺服控制系统框图2.3.2逆运动学算法的简化五个自由度以上的逆运动学算法4复杂，要求计算机的计算时间长。从工程实现的角度考虑完全可以适当简化，按最通常的情况，手爪是程度抓取目的物，而手爪的转动方位取决于目的物抓起时的着力位置，抓起目的时可先让腰关节转动使手爪对准目的物，这样处理实际上就在逆运动算法时减少了三个自由度，只剩下两个自由度即两个关节角度需要计算

9、，大大简化了计算经过，减少了计算机的处理时间。另外，由于位置反应使用的是增量式编码器，所以开机后机械手各关节必须确定一个位置置位位置，该位置时写入可逆计数器一个确定值，各关节角度示意如图1。2.3.3xPC目的实时控制系统本机器人运动控制系统是基于MATLAB/RTW1Real-TimeWorkshop的xPC目的5实时控制系统。xPC目的采用了宿主机-目的机的技术途径，宿主机用于运行Simulink6，建立控制模型，生成目的代码后下载至目的机。宿主机还运行控制界面程序和发送操纵控制命令。目的PC机那么用于执行所生成的代码。xPC提供了一个高度减缩型的实时操纵核，运行于目的PC机上。本机器人采

10、用了PC/104作为实时目的机，配合一块I/O扩展卡作编码器信号输入和电机控制信号输出。图5为控制系统部分Simulink模型，由视觉系统传送来目的点先经历算是否可及，不可及那么报错，可及那么计算分配腰关节应转过的角度和其他关节经手爪轨迹规划粗插补得到应转过的角度，角度均对应为编码器的脉冲数，目的脉冲数与编码器反应脉冲数之差经数字PID算法输出至PWM波产生模块，PWM波输出至电机驱动器驱动直流电机。图6为机器人现场抓取一水瓶照片。图5部分控制Simulink模型图6现场照片3.完毕语本设计创新点在于把双目视觉定位系统应用于机器人目的导航抓取，其定位精度高，抓取时无需人的干预，抓取目的精度到达

11、5mm以内。控制系统是基于MATLAB/RTW生成的xPC目的实时系统，该方法开发周期短，易于调试，是控制系统产品开发和验证的一个有力工具。另外，由于负载的变化，使得机械手臂在运动时某些位置会产生抖颤，速度变化不圆滑，这都有待于从控制规律如增加前馈控制或者采用自适用控制和改善硬件如采用高脉冲数的编码器、减小机械传动间隙等等方面来解决。4.参考文献1.杨涤，李立涛，杨旭等编著系统实时仿真开发环境与应用.北京：清华大出版社，2002;2.TsaiR.YAnefficientandaccuratecameracalibrationtechniquefor3Dmachinevision.InProc.IEEEConf,onComputerVisionandPatternRecognition,MiamiBeach.FL,1986,364374;3.丛爽，李泽湘编著实用运动控制技术.北京：电子工业出版社，2006.1;4.殷际英，何广平编著关节型机器人.北京：化学工业出版社，工业装备与信息工程出版中心，2003;5.徐国政，陈勇基于Matlab/xPCTarget的数据收集系统.微计算机信息J，20051033，63-64;6.李颖，朱伯立，张威编Simulink动态系统建模与仿真根底.西安：西安电子科技大学出版社，2004.7。