【摘要】為了解決并聯(lián)機(jī)器人雙目主動(dòng)視覺(jué)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)靈活性問(wèn)題，構(gòu)建了多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，給出了雙目主動(dòng)視覺(jué)平臺(tái)多自由度運(yùn)動(dòng)控制方法。對(duì)交流伺服電機(jī)的閉環(huán)控制策略進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中；采用串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了2自由度數(shù)字云臺(tái)與主機(jī)的聯(lián)網(wǎng)和通信，以及攝像機(jī)位姿的調(diào)整。該方法基于主控計(jì)算機(jī)并行地實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副的控制，擴(kuò)展性好，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，具有較高的視覺(jué)監(jiān)測(cè)速度和運(yùn)動(dòng)精度。

【關(guān)鍵詞】多自由度；運(yùn)動(dòng)控制；伺服電機(jī)；閉環(huán)控制

并聯(lián)機(jī)器人通過(guò)向末梢執(zhí)行器下達(dá)指令，來(lái)控制切削刀具的位姿，而缺乏對(duì)其工作狀態(tài)的主動(dòng)認(rèn)知，因此，引入雙目主動(dòng)視覺(jué)平臺(tái)對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，以期提高控制精度。該平臺(tái)由多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和視覺(jué)服務(wù)系統(tǒng)組成，而多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精度和速度是視覺(jué)服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的雙目主動(dòng)視覺(jué)機(jī)構(gòu)類似人的頭眼系統(tǒng)，通過(guò)控制頭眼的轉(zhuǎn)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)的靈活性和視覺(jué)避讓，同時(shí)受并聯(lián)機(jī)器人多鏈結(jié)構(gòu)影響，視覺(jué)遮擋機(jī)率更高。E. Samson等人研制的雙目主動(dòng)視覺(jué)靈巧眼ASP（Agile Stereo Pair），視覺(jué)遮擋機(jī)率較低，卻僅能控制雙目在直線方向上的移動(dòng)。趙曉光等人建立的一種立體視覺(jué)監(jiān)控裝置（專利號(hào)200420077838.5），對(duì)安裝在相互垂直導(dǎo)軌上的兩臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行控制，基線方向可調(diào)，但視角調(diào)整靈活性有限。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于雙目主動(dòng)視覺(jué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，構(gòu)建了多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。基于主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)、數(shù)字云臺(tái)的并行控制，由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)4軸電機(jī)控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中小車和云臺(tái)位置的調(diào)整；采用串口通信協(xié)議完成數(shù)字云臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)和通信，實(shí)現(xiàn)了雙目基線可調(diào)，大視角觀測(cè)的控制。

1.多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)描述

多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。并聯(lián)機(jī)器人工作在多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可視區(qū)域，安裝了圓形導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)齒圈固定，導(dǎo)軌上配備了兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車，可繞齒圈做圓周運(yùn)動(dòng)，每個(gè)小車上裝有垂直絲杠，攝像機(jī)通過(guò)云臺(tái)固定在垂直絲杠的滑塊上，云臺(tái)可通過(guò)俯仰和擺動(dòng)兩個(gè)自由度調(diào)整攝像機(jī)的姿態(tài)，垂直絲杠下端的電機(jī)通過(guò)控制絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整攝像機(jī)的高度。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車和垂直絲杠在兩個(gè)自由度下的控制，以及數(shù)字云臺(tái)兩個(gè)自由度的控制。

2.多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了滿足視覺(jué)服務(wù)系統(tǒng)對(duì)視域監(jiān)測(cè)信息的需求，多自由度運(yùn)動(dòng)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(kuò)展性，選取工控機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、數(shù)字云臺(tái)和攝像機(jī)進(jìn)行并行控制?？紤]到平臺(tái)齒圈的阻力和運(yùn)行平穩(wěn)性，選取交流伺服電機(jī)作為小車和絲杠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)形成閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)，在工控機(jī)配以電機(jī)控制卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)；數(shù)字云臺(tái)運(yùn)動(dòng)力矩較小，選取步進(jìn)電機(jī)作為其控制電機(jī)，通過(guò)串口連接到工控機(jī)；攝像機(jī)安裝在云臺(tái)上，需要將拍攝到的圖像快速的送入工控機(jī)，因此，通過(guò)1394接口將攝像機(jī)和主控計(jì)算機(jī)連接。多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

3.多自由度運(yùn)動(dòng)控制方法

多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和垂直絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)決定攝像機(jī)的空間位置，云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)決定攝像機(jī)的姿態(tài)，各運(yùn)動(dòng)副之間的并行控制是視覺(jué)監(jiān)測(cè)速度的關(guān)鍵。

3.1 交流伺服電機(jī)控制

多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，采用主控計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式控制方式實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制，運(yùn)動(dòng)控制卡以插卡形式嵌入主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)伺服控制系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和人機(jī)交互的管理等工作；運(yùn)動(dòng)控制卡完成伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)。本文選用和利時(shí)公司的SYNTRON6050系列4軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，采用研華公司的IPC-610H工控機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡插入工控機(jī)的PCI插槽中。

3.1.1 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡

電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡與主控計(jì)算機(jī)構(gòu)成上下位機(jī)型的主從式數(shù)字控制系統(tǒng)，用于伺服電機(jī)的控制。以DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制卡的核心處理器，完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法、插補(bǔ)算法和進(jìn)行保護(hù)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(shí)現(xiàn)鑒相的處理與編碼信號(hào)的采集，對(duì)模擬量和脈沖進(jìn)行輸出和配置，把DSP處理過(guò)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(jìn)行真正的并行處理。

DSP通過(guò)外設(shè)接口XINTF與FPGA進(jìn)行通信，F(xiàn)PGA通過(guò)DSP的外部中斷XINT1和XINT2來(lái)觸發(fā)DSP接受運(yùn)動(dòng)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(jìn)入定義的工作狀態(tài)。同時(shí)，DSP在遇到錯(cuò)誤或工作完成情況時(shí)，自動(dòng)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(duì)其處理后發(fā)送給DSP，下達(dá)運(yùn)動(dòng)控制指令，同時(shí)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(pán)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(dòng)器，集成美國(guó)TI公司的DSP核心控制芯片，采用先進(jìn)的全數(shù)字電機(jī)控制算法，完全以軟件方式實(shí)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(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡、交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)的硬件連接電路如圖3所示。

3.2 云臺(tái)控制器接口與通信

主控計(jì)算機(jī)通過(guò)云臺(tái)控制器實(shí)現(xiàn)云臺(tái)俯仰和水平擺動(dòng)方向的控制，以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)姿態(tài)的調(diào)整。主控計(jì)算機(jī)采用異步通信接口RS485與云臺(tái)控制器通信。由于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要主控計(jì)算機(jī)并行控制兩個(gè)云臺(tái)，本系統(tǒng)將云臺(tái)控制器和主控計(jì)算機(jī)組成控制網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)置ID的方式對(duì)云臺(tái)控制器進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中云臺(tái)的控制，云臺(tái)控制器和主機(jī)聯(lián)網(wǎng)的方法如下。

（1）確定云臺(tái)控制器在主控計(jì)算機(jī)中的物理位置：連接控制器和主機(jī)的擴(kuò)展卡相對(duì)CPU的位置；

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

（3）將標(biāo)識(shí)為ID0的云臺(tái)控制器連接到主機(jī)的RS485接口，所有云臺(tái)通過(guò)RS485 接口連接到其相應(yīng)的控制器。

PC機(jī)與云臺(tái)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(shí)，用來(lái)穩(wěn)定RS485總線上的信號(hào)，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(méi)有反饋，則主機(jī)認(rèn)為當(dāng)前的總線上沒(méi)有設(shè)備號(hào)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(dòng)視覺(jué)平臺(tái)多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)、數(shù)字云臺(tái)的并行控制。由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)4軸電機(jī)控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中小車和云臺(tái)位置的調(diào)整；采用串口通信協(xié)議完成數(shù)字云臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)和通信，實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)位姿的調(diào)整。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙目運(yùn)動(dòng)的靈活性，基線可調(diào)，滿足大視角觀測(cè)的需要，當(dāng)發(fā)生視覺(jué)遮擋時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行避讓。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便，視覺(jué)監(jiān)測(cè)速度較快，具有較高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)精度。

參考文獻(xiàn)

[1]王璿，孔令富，王月明等.主動(dòng)視覺(jué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)機(jī)械誤差矯正方法研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（13）：1523-1527.

[2]孔令富，景榮，趙立強(qiáng).圓軌雙鏈主動(dòng)視覺(jué)機(jī)構(gòu)標(biāo)定體系的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，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(jī)的開(kāi)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(jī)載光電跟蹤平臺(tái)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(jué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2009，3：34-36.

本文榮獲河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：122102210065）。

作者簡(jiǎn)介：

李曉輝（1981—），男，河南孟州人，碩士，助教，研究方向：機(jī)器視覺(jué)，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。