松下沟通伺服电机和pmac运动控制卡实现机器人视觉伺服系统.docx

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1、松下沟通伺服电机和pmac运动控制卡实现机器人视觉伺服系统松下沟通伺服电机和pmac运动控制卡实现机器人视觉伺服系统松下电机导语：在智能机器人的研究中，具有视觉的机器人的研究也就成了第一位的。对机器人视觉伺服系统的研究是机器人领域中的重要内容之一，其研究成果可应用在机器人自动避障、轨迹跟踪和运动目的跟踪等问题中。制造出像人一样具有智能的能替代人类劳动的机器人，一直是人类的梦想，人类获取的信息80%以上是通过视觉。因此，在智能机器人的研究中，具有视觉的机器人的研究也就成了第一位的。对机器人视觉伺服系统的研究是机器人领域中的重要内容之一，其研究成果可应用在机器人自动避障、轨迹跟踪和运动目的跟踪等问

2、题中。从反应信息类型的角度分类，机器人视觉伺服系统可分为基于位置的视觉伺服系统position-base和基于图像的视觉伺服系统image-base。基于位置的视觉伺服系统首先要估计目的物体在直角坐标空间中相对于摄像机的位置，其视觉伺服误差定义在三维笛卡尔空间，视觉或者特征信息用来估计机械手末端与目的的相对位姿，这种方法需要对视觉系统和机器人进展准确标定，另外由于要对图像进展解释，因此计算量较大。基于图像的视觉伺服系统的伺服误差直接定义在图像特征空间，即摄像机观察到的特征信息直接用于反应，不需要对三维姿态进展估计，但系统需在线计算图像雅可比矩阵图像特征参数变化量与任务空间位姿变化量的关系矩阵及

3、其逆阵，而图像雅可比矩阵跟许多实时变化的参数有关，这是一个复杂的非线性经过，从理论上很难分析，并且对机器人的控制设计提出了较大的要求2。机器人视觉伺服系统是一个很复杂的系统，综合了许多学科的内容，而各学科的开展又极不平衡，影响了其进一步开展。正是基于此，机器人视觉伺服研究目前处于停滞不前的状态，国内对此方面的研究大多只是进展了仿真实验，而未在实际机器人系统上实现。本文利用松下沟通伺服系统、pmac运动控制卡、dsp图像处理系统、工控机和机器人组成了伺服系统，在详细机器人系统中对其进展实验研究，探究基于图像的机器人视觉伺服实现问题，机器人视觉伺服系统组成局部。机器人系统及研究内容二自由度平面机器

4、人的第一关节垂直固定于工作平台上，2个关节均由松下沟通伺服电机驱动，且只能在程度平面内转动，固定于第二根杆末端的摄像头为单目ccd摄像头，用dsp图像处理系统完成图像收集、处理，提取目的特征值作为视觉信息反应量。本文选取圆形目的物体的灰度质心在图像平面的坐标值作为图像特征。本文研究的是基于图像的机器人视觉伺服系统的伺服实现问题，根据目的物体图像特征值的变化控制机器人两关节的运动使其第二根杆末端能跟踪到位于工作台上的静止或者运动物体，对系统实现视觉伺服控制。机器人视觉系统数学模型本文拟对系统进展实验研究。建立机器人坐标、摄像机坐标、图像坐标和目的点坐标的坐标变换关系。图2是在机器人的第二根杆末端

5、安装一个摄像头，形成eye-in-hand构型而建立的坐标变换关系图。图3是摄像机系统坐标与图像坐标的关系及成像原理示意图。设机器人第一关节和第二关节的转角分别为1和2，第一根杆长为l1，第二根杆长为l2。选取图2中o点作为基坐标参考点，用x0y0z0t表示，摄像机坐标系用xcyczct表示，图像坐标系用uwt表示;机器人第一关节用x1y1z1t表示，第二关节用x2y2z2t表示，设固定的目的点pc在摄像机坐标系c的齐次坐标为：pc=xcyczc1t，在基坐标系o的齐次坐标为：p0=x0y0z01t，两个坐标系之间的变换关系为：p0=0tcpc。根据机器人运动学得到摄像机坐标系与基坐标系之间的

6、变换矩阵如下：松下沟通伺服系统本实验中机器人两个关节均是由松下沟通伺服电机驱动，电机和其驱动控制器共同构成了松下沟通伺服系统。松下minasa系列沟通伺服系统由a系列驱动器和配套沟通伺服电机组成。其以三相沟通伺服系统为根本原理5，采用光电编码器作为电机转速和转子磁极位置检测单元，系统在驱动器内部集成了相关功能模块，构成了一个高集成度、高控制精度、数字化、智能化的闭环伺服控制系统。根据期望输入指令值，按照已设定好的控制方式和各参数设定值，驱动器控制各相关功能单元，产生出控制igbtpwm模块的信号，最终控制伺服电机按照期望值运转。系统具有分倍频功能，可以以多种形式将反应脉冲输出给外部控制器或者接

7、收位置控制指令信号。系统具有多种控制形式，如速度和转矩控制形式，以模拟信号作为输入，本文采用的是转矩控制形式6。pmac运动控制卡pmac运动控制卡是美国deltataudatasystems公司消费的一种可编程、高性能伺服运动多轴控制器，采用motorola公司的数字信号处理芯片dsp56001作为cpu。pmac可认为是一台完好的计算机，用dsp芯片作为主处理器，处理8个轴的所有计算并可同时控制8轴运动，具有独立的存储空间、输入输出接口和其他外围扩展电路。它可与各种类型的主机、放大器、电机、传感器结合完成各种类型的功能，只要我们应用好其硬件特性和软件特性，根据特定的功能要求对其进展设置，就

8、能使它正常高效地工作。pmac卡为用户提供了pwin32应用软件和pcomm32pro动态链接库。高级语言通过pcomm32pro动态链接库，可以直接调用相关函数与pmac卡进展通讯，进而实现对pmac卡的控制7。本文将它与松下沟通伺服系统配合使用。dsp图像处理系统及图像处理系统简介本实验中采用的是北京合众达公司的seed-vpm642视频处理系统，该系统是一款专为各种视频应用而开发的pci插卡或者带10/100m以太网接口的处理系统。它是在tms320dm642芯片根底上通过外扩容量为4m64位的同步动态存储器sdram;容量为4m8位的在线电可擦/写异步存储器flash;可配置为rs23

9、2/rs422/rs485标准的两路uart串行接口;4路pal/ntsc标准模拟视频输入，1路pal/ntsc标准模拟视频输出;4路立体声音频输入/输出;实时时钟rtc和5128位eeprom;32位的33mhz、支持主/从形式的pci接口或10/100mbase-tx标准以太网接口;标准ata硬盘接口;和esam硬件加密模块。系统可实时实现多路数字视频/音频的编解码运算，如mpeg4、h.264、g.729等;可实时接收4路视频/音频输入，并实时输出。并能实现与其他io设备、计算机、存储设备、以太网络进展实时数据的高速传输和处理。系统由实验箱体、ccd摄像头、seed-vpm642处理板等

10、组成。在箱体上已固定好两个串行接口、硬盘接口、4路图像输入和输出接口、液晶显示器等8。图像处理本实验图像处理详细实现经过如图4所示。由ccd摄像头摄取的按4:2：2格式传输的彩色模拟视频信号经过解码芯片的收集，对y、cb、cr信号按照2:1：1采样率进展采样，并将它们别离开来。在dsp系统中将彩色图像转变成灰度图像，对该图像进展阈值二值化后变成二值图像，然后经过中值滤波滤除噪声点，使用sobel算子进展边界提取。对该边界图像信号使用点hough质心求取算法求取质心图像坐标3，并通过串口通讯将质心坐标值传递给工控机程序;同时，处理后的数字视频信号经过编码芯片编码后，送显示设备实时显示。机器人视觉

11、伺服系统工作流程硬件流程本实验系统由工控机、pmac运动控制卡、松下沟通伺服系统、dsp图像处理系统和机器人组成。解析和熟悉松下沟通伺服系统的原理和功能后，调试机器人关节伺服电机的运行，优化相关控制参数以求获得最好伺服效果;研究pmac运动控制卡的原理和功能，并与松下沟通伺服系统配合，编写运动程序，不断调整和优化pmac卡的控制参数，以求获得满意的运动控制效果;对seed-vpm642图像处理系统进展深化学习和研究后，开发视频图像处理程序。组成该系统的硬件流程图如图5所示。pmac控制卡安装在工控机中，它通过isa总线与工控机通讯。工控机主要运行主控程序、pmac应用程序、dsp应用软件ccs

12、。seed-vpm642实验箱通过rs232串口数据线与工控机相连并进展数据通讯。pmac控制卡通过电缆连接松下沟通伺服系统，接收松下伺服控制器输出的编码器信号，输出指令信号给松下沟通伺服系统。ccd摄像头摄取目的物体图像，输出连续彩色视频图像给dsp图像处理系统。seed-vpm642图像处理系统处理摄像头摄取的图像，求取圆形物体的质心图像坐标，通过串口传递给工控机。系统工作流程给定期望目的物体质心图像坐标，主控程序计算其与由dsp图像处理系统反应的质心图像坐标值的差值，判断系统是否已到达伺服位置，假设已到达，那么完毕伺服经过;否那么，求解图像雅可比矩阵的逆阵，得到机器人两个关节应转动的角度

13、值，并将其输出给pmac运动程序，pmac卡按运动程序计算并输出转矩指令给松下伺服控制器，由它直接控制机器人关节电机的运转，通过编码器检测关节的位置，反应给伺服控制器和pmac卡伺服控制器对编码器信号进展处理后自身使用并可同时输出。ccd摄像头跟随机器人运动，摄取目的物体图像，通过dsp图像处理程序处理后求得目的物体质心图像坐标，通过串口通讯传递给主控程序作为视觉反应量，形成视觉伺服循环。实验结果基于上述系统原理，在vc+6.0环境下编写主控程序，主控程序主要包括界面的显示和人机交互局部、图像雅可比矩阵逆阵局部、pmac应用程序局部，串口通信局部、数据存储局部。程序运行界面如图6所示。程序界面能对期望像素值、实际像素值的初始值、增益矩阵、关节初始转角、数据收集间隔等进展设置。程序可以对实际像素值、关节角度增量值和关节实际位置值等进展实时显示，并存储相关数据。通过调用pmac动态链接库函数，实现与pmac卡的通讯。增益矩阵为对角矩阵，用来设置关节角度变化的放大比例。程序设置了两个定时器，一个用于收集两个关节的实际位置值，另一个用于定时接收串口数据值、计算雅可比矩阵、与pmac卡通讯等，也即为系统的伺服周期。0