機(jī)械工程博士論文基于視覺伺服智能移動機(jī)器人的研究

1、論文題目：基于視覺伺服智能移動機(jī)器人的研究專 業(yè)：機(jī)械工程博 士 生： （簽名） 指導(dǎo)教師： （簽名） 摘 要機(jī)器人是人類活動的一種擬人智能替代者，是對人類各種功能模擬和增強(qiáng)。移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個重要分支，是一個集環(huán)境感知、動態(tài)智能決策與規(guī)劃、行為智能控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)?；谝曈X伺服的移動機(jī)器人系統(tǒng)是以視覺作為獲取外界信息的途徑，由于其在軍事、生產(chǎn)、生活等許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，所以受到了世界各國普遍關(guān)注。在基于視覺伺服的移動機(jī)器人系統(tǒng)中，按照視覺范圍可以分為基于全局視覺伺服和基于立體視覺伺服兩大類移動機(jī)器人系統(tǒng)，它們包含的關(guān)鍵性技術(shù)主要有：視覺信息的快速、智能的提

2、取技術(shù)，移動機(jī)器人的底層智能控制技術(shù)和智能路徑規(guī)劃技術(shù)，是當(dāng)前視覺、智能控制和人工智能等領(lǐng)域研究的熱點和前沿。本文針對視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)，主要的研究工作有：1分析了全局視覺伺服移動機(jī)器人和立體視覺伺服移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)體系，在此基礎(chǔ)上完成了兩套系統(tǒng)的硬件平臺，并分析了移動機(jī)器人的運動學(xué)和動力學(xué)模型，為軌跡規(guī)劃和智能控制提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；2研究了機(jī)器人的全局視覺，提出了一種基于知識融合的全局視覺提取算法，該算法對外界光照條件不敏感，并且提取速度可以達(dá)到15毫秒/幀，滿足了視覺伺服機(jī)器人的時間要求；3研究了機(jī)器人的立體視覺，設(shè)計了色彩簡化規(guī)則濾波算法，并在此算法的基礎(chǔ)上，完成了立體視覺智能提取算法

3、，改善了立體視覺提取算法的快速性，本算法對單目標(biāo)提取速度可以達(dá)到25.2毫秒/幀，并且由于該算法是基于hsi色彩空間的，所以其魯棒性強(qiáng)；4在移動機(jī)器人智能控制程序的研究中，設(shè)計一種自適應(yīng)的遺傳算法，該算法收斂性對初始的變異和雜交率設(shè)定不敏感，能根據(jù)群體相異度自動調(diào)整變異率的大小，能夠比較有效的避免早熟現(xiàn)象，是一種適用于工程應(yīng)用的算法，并數(shù)學(xué)證明了其收斂性；5研究了移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法，采用免疫網(wǎng)絡(luò)理論，設(shè)計了一種基于免疫網(wǎng)絡(luò)的自主式移動機(jī)器人的規(guī)劃算法，該算法克服普通的規(guī)劃算法中的缺陷，具有很高的智能，能夠通過學(xué)習(xí)來實現(xiàn)未知環(huán)境下的規(guī)劃，并且具有后動態(tài)性，數(shù)學(xué)證明了該智能算法的收斂性，仿真

4、與相關(guān)實驗表明該算法無論是快速性還是智能程度都要優(yōu)于普通的機(jī)器人路徑規(guī)劃算法；6最后，分別對兩系統(tǒng)做了整體相關(guān)實驗，說明了系統(tǒng)各個模塊均能正常工作，模塊之間沒有干涉現(xiàn)象，同時也再次證明了智能視覺信息提取、智能控制以及智能規(guī)劃算法的魯棒性和高效性。關(guān) 鍵 詞：視覺伺服、移動機(jī)器人、遺傳算法、人工免疫網(wǎng)絡(luò)、人工智 能論文類型：應(yīng)用基礎(chǔ)subject: the study of visual-servo intelligent mobile robotspeciality: mechanical engineering name: zhuang jian (signature) instructor

5、: wang sunan (signature) abstractthe robot is the intelligent replacer of the human activities, simulates and tones up the all kinds of the function of the people. the mobile robot is an important embranchment of the robotics. and the mobile robot can apperceive the environment, intelligently make d

6、ecision, smartly program and accurately control the behavior. the visual-servo intelligent mobile robot gets the outside information by the vision. the visual-servo intelligent mobile robot can be applied in the military, production and living, so it is paid attention to by the all over the world.th

7、e visual-servo mobile robot can be classified the plane visual-servo system and stereo visual-servo system. the key technique of two kinds of visual-servo robot includes the visual information extracting fleetly, the mobile robot intelligent control and the smart path planning. this technique is the

8、 hotspot of the robot vision, the intelligent control and the artificial intelligence. the visual mobile robot is studied in this dissertation, as follows:1. the system structures of the plane vision mobile robot and the stereo vision mobile robot are analyzed. then the hardware of two systems is bu

9、ilt up. the kinematics model and the dynamics model are studied in this dissertation.2. the plane vision of robot is studied. the knowledge fusion based on plane vision extracting algorithm is put forward. the algorithm is not sensitive to the outside illumination condition. the speed is up to 15ms

10、per vision and meets the servo request.3. the stereo vision of the robot is studied. the predigesting color rule filter algorithm is designed. based on it, the intelligent stereo vision extraction algorithm is worked out. the speed of extracting is solved and is up to 25.2ms per vision. because of b

11、ased on hsi color space, it is robust algorithm.4. in the mobile robot intelligent control study, the self-adjusting gene migration genetic algorithm is designed. the algorithm is sensitive to neither the initial probability of mutation nor the initial probability of crossover. the probability of mu

12、tation is automatically changed by the population differentia. the premature phenomena are avoided. and it is suitable for the engineering calculation. at last, the convergence of the algorithm is proved by the markvo-chain.5. the path-planning algorithm of the robot is studied. the artificial immun

13、e network based on autonomous mobile robot path-planning algorithm is designed. the defects of the normal path-planning algorithm are overcome. the algorithm has high intelligence and can program the path in the unknown environment by the learning. at last, the convergence of the algorithm is proved

14、 by the markvo-chain. the simulation and the experiments show that the algorithm is faster and more intelligent than the normal path-planning algorithm.6. the experiments of two systems are carried out. the results indicate that all modules of two systems are working order. the robust and the effici

15、ency of the intelligent visual extracting algorithm, the smart control algorithm and the path-planning algorithm are proved by the experiments.keywords: visual servo, mobile robot, genetic algorithm, artificial immune network, artificial intelligence.dissertation type: application fundamentals目 錄1 緒

16、論1.1 機(jī)器人系統(tǒng)11.1.1 機(jī)器人的國外發(fā)展?fàn)顩r11.1.2 機(jī)器人的國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r21.2 移動機(jī)器人系統(tǒng)21.2.1 移動機(jī)器人的國外發(fā)展?fàn)顩r21.2.2 移動機(jī)器人國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r31.3 基于視覺伺服的移動機(jī)器人系統(tǒng)41.3.1 視覺伺服技術(shù)的發(fā)展歷史41.3.2 視覺伺服系統(tǒng)的分類51.3.3 基于視覺伺服移動機(jī)器人的智能指標(biāo)71.3.4 基于視覺伺服移動機(jī)器人關(guān)鍵性技術(shù)71.4 本文的研究任務(wù)與內(nèi)容91.5 本文的研究創(chuàng)新點102 基于視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)分析2.1 概述112.2 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)分析112.2.1 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的硬件構(gòu)成112.2.2

17、 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的軟件構(gòu)成152.2.3 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的控制體系172.2.4 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的運動學(xué)分析182.2.5 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)分析202.3 立體視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)分析222.3.1 立體視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的硬件構(gòu)成232.3.2 立體視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程242.3.3 立體視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的時序分析252.4 本章小結(jié)253 機(jī)器人視覺信息的智能獲取3.1 概述263.2 機(jī)器人全局視覺信息的智能獲取263.2.1 影響機(jī)器人全局視覺的因素263.2.2 知識融合視覺處理算法303.2.3 圖像處理

18、實驗結(jié)果293.3 機(jī)器人立體視覺信息的智能獲取323.3.1 機(jī)器人立體視覺的形成機(jī)理373.3.2 機(jī)器人立體視覺的算法描述413.3.3 機(jī)器人立體視覺的算法實驗453.3 本章小結(jié)484 基于自適應(yīng)遺傳算法的視覺伺服機(jī)器人智能控制4.1 概述494.2 自適應(yīng)遺傳優(yōu)化算法504.2.1 遺傳算法概述504.2.2 遺傳算法三個基本算子514.2.3 模式理論534.2.4 遺傳算法早熟現(xiàn)象分析534.2.5 自調(diào)節(jié)基因移民遺傳算法544.3 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)的分析594.3.1 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析594.3.2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)604.4 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)的遺傳算

19、法優(yōu)化pid控制614.4.1 仿真自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化pid控制624.4.2 實際直流電機(jī)轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)pid控制644.5 本章小結(jié)655 人工免疫算法以其在機(jī)器人規(guī)劃中的應(yīng)用研究5.1 概述665.2 免疫系統(tǒng)665.2.1 免疫系統(tǒng)簡介665.2.2 免疫系統(tǒng)的工作原理715.2.3 免疫網(wǎng)絡(luò)理論725.2.4 免疫克隆選擇745.3 自主式移動機(jī)器人路徑規(guī)劃免疫算法765.3.1 路徑規(guī)劃分類765.3.2 路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀及存在的問題775.3.3 自主式移動機(jī)器人的系統(tǒng)描述785.3.4 自主式移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的問題描述805.3.5 自主式移動機(jī)器人路徑規(guī)劃免疫算法815.3.

20、6 自主式移動機(jī)器人路徑規(guī)劃免疫算法仿真實驗865.3.7 自主式移動機(jī)器人路徑規(guī)劃免疫算法實驗905.4 本章小結(jié)916 實驗6.1 基于全局視覺伺服機(jī)器人系統(tǒng)實驗926.2 基于立體視覺伺服機(jī)器人系統(tǒng)實驗946.3 本章小結(jié)967 總結(jié)與展望7.1 總結(jié)977.2 展望98 致謝99 參考文獻(xiàn)100 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文1101 緒論1.1機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)器人是人類很早以來就幻想能夠擁有的一種擬人機(jī)械，能實現(xiàn)人類手腳的靈活運動、具有人的思維與邏輯，能代替人類從事非固定的復(fù)雜勞動。機(jī)器人學(xué)是一門綜合性的新興學(xué)科，其涉及機(jī)械工程學(xué)、電氣工程學(xué)、微電子工程學(xué)、控制工程學(xué)、信息傳感工程學(xué)、仿生學(xué)

21、以及人工智能工程學(xué)等多門尖端學(xué)科。隨著科技水平不斷提高，這種智能機(jī)械正逐步地邁向現(xiàn)實1。從美國1962年推出世界第一臺實用的機(jī)器人系統(tǒng)unimate以來，機(jī)器人在發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展，根據(jù)國際工業(yè)機(jī)器人聯(lián)合會（ifr）前幾年的預(yù)測，到2002年全世界僅工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)將到達(dá)98.8萬臺23。機(jī)器人在人類的生產(chǎn)、生活活動中有著廣泛而又重要的用途，在生產(chǎn)中采用機(jī)器人系統(tǒng)可以改善人類的勞動環(huán)境、提高勞動效率、降低勞動成本以及提高產(chǎn)品質(zhì)量；在軍事中采用機(jī)器人系統(tǒng)可以提高作戰(zhàn)效率、降低士兵的傷亡；在宇航探險中采用機(jī)器人系統(tǒng)可以代替人類從事未知空間的探索，降低危險，拓寬人類的活動范圍；在日常生活中采用機(jī)

22、器人系統(tǒng)可以提高服務(wù)質(zhì)量、減輕人類勞動強(qiáng)度以及提供人類娛樂活動等?？傊?，機(jī)器人系統(tǒng)對于人類而言是科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一種智能機(jī)械的終極目標(biāo)，是對人類功能的模擬和強(qiáng)化，是人類活動的一種智能替代者。1.1.1機(jī)器人的國外發(fā)展?fàn)顩r在當(dāng)今世界上機(jī)器人無論是從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢集中在以日美為代表的少數(shù)幾個工業(yè)發(fā)達(dá)國家中。日本是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國家，1996年日本機(jī)器人數(shù)量為 40多萬臺，約占全世界機(jī)器人的總數(shù)50左右。美國的機(jī)器人近10年來也呈持續(xù)增長勢頭，而且增長的幅度逐年加大，從機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢來看，美國高科技機(jī)器人無論是其質(zhì)量，還是數(shù)量要高于日本。另外歐洲的德國、意大利、法國及

23、英國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展也比較快。以上 6個機(jī)器人產(chǎn)業(yè)大國所具有的機(jī)器人總數(shù)構(gòu)成了世界機(jī)器人數(shù)量的主體，約占全世界機(jī)器人總數(shù)的 80。在亞洲除日本外，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的國家是韓國，2000年底韓國的機(jī)器人總數(shù)已上升到近 4萬臺，排在世界的第四位4。1.1.2機(jī)器人的國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國的機(jī)器人技術(shù)起步晚，總體水平與發(fā)達(dá)國家相比還比較落后，在八十年代中期，還沒有一臺機(jī)器人問世，更談不上生產(chǎn)應(yīng)用，進(jìn)入九十年代，我國機(jī)器人技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的7種工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，其中1995年又成功研制了深潛6000m的水下機(jī)器人，在一些特種機(jī)器人的研究中已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)或領(lǐng)先水平56。1.2移

24、動機(jī)器人系統(tǒng) 移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，早在六十年代，就已經(jīng)開始了關(guān)于移動機(jī)器人的研究。移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)智能決策與規(guī)劃、行為智能控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。從移動方式上看，移動機(jī)器人可分為輪式、履帶式、腿式（單腿式、雙腿式和多腿式）和水下推進(jìn)式四大類。移動機(jī)器人由于在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染、救災(zāi)探險等危險與惡劣環(huán)境以及制造業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，受到了世界各國普遍關(guān)注。1.2.1移動機(jī)器人的國外發(fā)展?fàn)顩r7 8美國國家科學(xué)委員會曾預(yù)言：“二十世紀(jì)的核心武器是坦克，二十一世紀(jì)的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中2000年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊

25、，并走向戰(zhàn)場”。美國國防高級研究計劃局（darpa）專門立項 ,制定了地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機(jī)器人的序幕，如darpa的“戰(zhàn)略計算機(jī)”計劃中的自主地面車輛（alv）計劃，美國能源部制訂的為期10年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計劃（rips），以及后來的空間機(jī)器人計劃；歐洲尤里卡計劃提出的自主機(jī)器人計劃；日本通產(chǎn)省組織幾十家大企業(yè)和研究所及高等院校實施了在極限環(huán)境下作業(yè)的智能機(jī)器人計劃等。在八十年代時期，由于計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及人工智能技術(shù)的限制，所以移動機(jī)器人的工作主要集中在學(xué)術(shù)角度的體系研究和信息處理，基本處于實驗室驗證階段，而室外移動機(jī)器人智能的表現(xiàn)差

26、強(qiáng)人意，雖然該時期的研究沒有獲得預(yù)期的效果，但是帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為人類研究智能移動機(jī)器人積累了經(jīng)驗。進(jìn)入了九十年代以后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得移動機(jī)器人的研究更加現(xiàn)實，在此期間比較具有代表性的移動機(jī)器人主要有：由美國nasa資助研制的“丹蒂”八足行走機(jī)器人，和同樣由美國nasa研制的火星探測機(jī)器人“索杰”與“rocky7”，以及德國研制的一種輪椅機(jī)器人?！暗さ佟卑俗阈凶邫C(jī)器人是一類無需人輔助參與的八足行走機(jī)器人，其主要目標(biāo)是為實現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的表面進(jìn)行探索而提供一種機(jī)器人解決方案，并在1994年斯珀火山的火山口中進(jìn)行了成功的演示；“索杰”在1997成功地登上了火星而聞名于世

27、界；“rocky7”也在lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的實驗；德國研制的輪椅機(jī)器人 ,在1998年的漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實地現(xiàn)場表演，并在烏爾姆市中心車站擁擠的、有大量乘客的環(huán)境中，進(jìn)行了超過36個小時的考驗。但是總體的看，該時期的移動機(jī)器人還處于低智能水平的狀態(tài)。近年來，隨著微電子技術(shù)和人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，移動機(jī)器人發(fā)展更加趨于智能化、協(xié)作化。多機(jī)器人系統(tǒng)和智能化機(jī)器人系統(tǒng)被明確地提出。美國darpa提出為期4年的戰(zhàn)術(shù)移動機(jī)器人計劃，于1998年開始，其目的是開發(fā)由許多小的、低價的、半自主的移動機(jī)器人組成機(jī)器人團(tuán)隊，并研究其協(xié)調(diào)與控制技術(shù)，準(zhǔn)備將其

28、應(yīng)用于戰(zhàn)略重要情況，如正在發(fā)生軍事沖突市區(qū)的偵察任務(wù)。市區(qū)中人口稠密、建筑物多，美國曾在索馬里就付出過慘痛的代價，而采用該類機(jī)器人后，使作戰(zhàn)部隊可以避免處于危險和不可預(yù)測的境地，并在發(fā)生戰(zhàn)斗的情況下，使用機(jī)器人團(tuán)隊還可為部隊提供火力、情報、救護(hù)等多方面的支持。美國的mdars項目是一個典型的多移動機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在著名的保安機(jī)器人robart的基礎(chǔ)上建立的一個多移動機(jī)器人平臺，主要任務(wù)是完成指定地點的隨機(jī)巡邏，該項目的第一期任務(wù)是用于美國國防部倉庫和儲蓄場庫存量的查定和入侵探測，并已經(jīng)走出了實驗室，在一個作戰(zhàn)用的真實倉庫環(huán)境內(nèi)，進(jìn)行了成功的演示。美國的fetch計劃中，要求研究使用一群小的

29、、堅固的自主移動機(jī)器人去清除地表上未爆炸m42炮彈，該系統(tǒng)是一個人機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)，由四個機(jī)器人和一個操作員控制單元組成，整個計劃的最終目標(biāo)是用12位爆炸物處理專家，監(jiān)控多達(dá)50個機(jī)器人，在現(xiàn)場上并行地工作，清除軍用品。對機(jī)器人的要求：（1）要求機(jī)器人體積小、重量輕，便于運輸，能在鋪滿自然障礙物和沖突后的殘骸現(xiàn)場中導(dǎo)航，能在現(xiàn)場的邊界上停留，提高操作速度 ；（2）要求機(jī)器人的成本盡可能的低，因為在此類危險環(huán)境中，出現(xiàn)意外損壞是難以避免的，低成本可以降低在意外中的損失，這樣才能使得該類機(jī)器人能夠真正的實用。美國實施的這些計劃也反映了移動機(jī)器人今后研究的總體方向和目標(biāo)。1.2.2移動機(jī)器人國內(nèi)的發(fā)展?fàn)?/p>

30、況由于我國在機(jī)器人領(lǐng)域的落后形勢，所以在移動機(jī)器人的研究大多數(shù)尚處于某個單項研究階段，主要的研究工作有：清華大學(xué)在1994年研制成功的智能移動機(jī)器人；中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計、制造的全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)；中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的agv車輛系統(tǒng)和防爆機(jī)器人；以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等9。總體的看，我國移動機(jī)器人技術(shù)與當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平差距還是非常大的。1.3基于視覺伺服的移動機(jī)器人系統(tǒng)基于視覺伺服的移動機(jī)器人系統(tǒng)是以視覺作為機(jī)器人獲取外界信息途徑的移動機(jī)器人系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)在人類的信息獲取中占有重要的地位，人類對外界客觀世界絕大部分信息是通過視覺系

31、統(tǒng)來獲取的。對于擬人的機(jī)器人系統(tǒng)也是非常重要的，如運動目標(biāo)的自動跟蹤與識別、自治戰(zhàn)車的導(dǎo)航等10。1.3.1視覺伺服技術(shù)的發(fā)展歷史機(jī)器視覺是在六十年代末出現(xiàn)的，將視覺信息用于機(jī)械手定位的研究可以追溯到七十年代。 到了八十年代后期，出現(xiàn)了專門的圖像處理硬件，機(jī)器人視覺控制開始了系統(tǒng)的研究。到了九十年代，隨著微電子技術(shù)迅速發(fā)展，大容量、高速、高性能計算機(jī)迅速的普及，圖像處理硬件的快速發(fā)展和快速ccd攝像機(jī)的出現(xiàn)，機(jī)器人視覺伺服技術(shù)出現(xiàn)了飛速的發(fā)展和進(jìn)步1112。 初期基于視覺的機(jī)器人系統(tǒng)，采用的是靜態(tài)look and move形式，即先由視覺系統(tǒng)采集圖像進(jìn)行處理后，再通過計算估計目標(biāo)的位置來控制機(jī)

32、器人運動。這種視覺控制速度是非常慢的，這使得機(jī)器人很難跟蹤運動的物體13。到八十代，由于微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高性能計算機(jī)和快速視覺硬件，使得視覺信息的連續(xù)反饋成為可能，于是出現(xiàn)了視覺伺服 （visual servoing）技術(shù)，這種方式可以克服模型不確定性，提高視覺定位或跟蹤的精度14。1.3.2視覺伺服系統(tǒng)的分類 視覺伺服技術(shù)從視覺傳感器的個數(shù)來劃分，可以分為：單目視覺伺服系統(tǒng)、雙目視覺伺服系統(tǒng)和多目視覺伺服系統(tǒng)15。在單目視覺伺服系統(tǒng)中，機(jī)器人只通過一個視覺傳感器來獲取外界的視覺信息，該類系統(tǒng)相對來看處理比較簡單，在非特定的環(huán)境中只能獲得2維空間的信息；而雙目和多目

33、視覺伺服系統(tǒng)就比較復(fù)雜，一般是具備獲取3維空間信息的能力，實時性是雙目和多目視覺伺服系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)。從視覺傳感器獲得視覺的范圍來劃分，可以分為：全局視覺伺服系統(tǒng)和局部視覺伺服系統(tǒng)16。全局視覺伺服系統(tǒng)是指機(jī)器人獲得視覺信息的視場覆蓋了整個機(jī)器人要求運動或動作的空間，該類系統(tǒng)的優(yōu)點在于整體規(guī)劃，實時性能好，但是該系統(tǒng)的視覺傳感器一般是靜態(tài)，需要獨立于機(jī)器人以外，所以機(jī)動性能差；局部視覺伺服系統(tǒng)機(jī)器人在某時刻獲得視覺信息的視場僅僅是整個機(jī)器人要求運動或動作空間的局部，該類系統(tǒng)規(guī)劃困難，實時性能差，對系統(tǒng)的軟件和硬件要求高，但是該系統(tǒng)視覺傳感器是運動的，一般與機(jī)器人做為一體，所以其機(jī)動性好，能滿足大

34、多數(shù)客觀環(huán)境的需要。從控制結(jié)構(gòu)的角度來劃分，可以分為：開環(huán)控制伺服系統(tǒng)和閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)1718。開環(huán)控制的視覺信息只用來確定機(jī)器人運動前的目標(biāo)位姿，系統(tǒng)不需要昂貴的實時硬件，但要求事先對視覺傳感器機(jī)器人進(jìn)行精確標(biāo)定；閉環(huán)控制的視覺信息用作反饋，這種情況下能消除視覺傳感器與機(jī)器人的標(biāo)定誤差，但實時性要求高。從對于處理視覺圖像的時間來劃分，可以分為：動態(tài)視覺系統(tǒng)和靜態(tài)視覺系統(tǒng)19；從反饋信息類型的角度來劃分，可以分為：基于位置（position-based）的視覺伺服系統(tǒng)和基于圖像（image-based）的視覺伺服系統(tǒng)2021。前者的反饋偏差在三維 cartesian空間進(jìn)行計算，后者的反饋偏

35、差在二維圖像平面空間進(jìn)行計算。基于圖像視覺伺服系統(tǒng)的伺服誤差直接定義在圖像特征空間，即視覺傳感器觀察到的特征信息直接用于反饋，不需要對姿態(tài)進(jìn)行估計，具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。圖1.1 基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)受視覺傳感器模型和標(biāo)定所帶來的誤差影響較小，但是如果在耦合性強(qiáng)、并具有非線性特性的視覺投影空間，該方法將很難適用。因此只有在簡單視覺投影關(guān)系的情況下，才采用該圖像視覺伺服技術(shù)，其很難適用于復(fù)雜視覺環(huán)境中22。 基于位置的視覺伺服系統(tǒng)將視覺伺服誤差定義在三維cartesian空間，具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示。圖1.2 基于位置的視覺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖基于位置

36、的視覺伺服系統(tǒng)主要優(yōu)點是直接在 cartesian空間控制機(jī)器人的動作和運動，將視覺重構(gòu)問題從機(jī)器人控制中分離出來，這樣便于分別對二者進(jìn)行研究，并且整個控制系統(tǒng)的信息直觀，便于理解。但是，基于位置的視覺伺服系統(tǒng)一般需要對視覺系統(tǒng)和機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，并且視覺重構(gòu)和對視覺圖像信息的理解和解釋是一件非常棘手的工作，其計算量大，而且其中的智能要求也高，如何實現(xiàn)實時控制是該類伺服控制方式所要解決的又一關(guān)鍵性技術(shù)問題。1.3.3基于視覺伺服移動機(jī)器人的智能指標(biāo)一個適用于實際環(huán)境的基于視覺伺服的移動機(jī)器人系統(tǒng)，必需擁有靈活、精確的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)機(jī)器人運動動作；可靠的、快速的視覺處理系統(tǒng)完成導(dǎo)航和對外部環(huán)境變化

37、的精確感知；智能的規(guī)劃系統(tǒng)完成路徑與運動動作的合理規(guī)劃23。基于視覺伺服移動機(jī)器人的智能指標(biāo)：視覺信息理解的智能性、快速性；控制系統(tǒng)的適應(yīng)性；決策系統(tǒng)的自主性和交互性。視覺信息理解的智能性、快速性是機(jī)器人對視覺圖像智能、而又快速地理解，由于視覺圖像信息地特殊性，即信息與噪聲比低和數(shù)據(jù)量大，因此如何快速而又準(zhǔn)確地解析出視覺圖像中包含的我們所要獲取的信息，是整個系統(tǒng)能否正常工作的前提，其算法智能性的高低，也代表了整個系統(tǒng)智能的水平?？刂葡到y(tǒng)的適應(yīng)性是機(jī)器人底端控制系統(tǒng)對復(fù)雜工作環(huán)境的適應(yīng)能力，在不同工作條件下精確地實現(xiàn)機(jī)器人的運動動作。決策系統(tǒng)的自主性和交互性是機(jī)器人的決策系統(tǒng)能夠根據(jù)工作任務(wù)和周

38、圍環(huán)境情況，自主地確定工作步驟和工作方式，包括對周圍環(huán)境和自身狀況的理解，路徑的規(guī)劃和動作的策略（躲避策略、進(jìn)攻策略等）；交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)器人之間三種交互層面，主要涉及信息的獲取、處理和理解?；谝曈X伺服移動機(jī)器人的智能系統(tǒng)具有以下特點：信息密集，對信息處理速度的要求高；信息的層次多，既有高層次通過視覺系統(tǒng)所獲得的信息，又有低層次機(jī)器人系統(tǒng)本身的狀態(tài)信息；機(jī)器人與環(huán)境交互豐富多樣；以及信息與知識分布存儲等。所以，基于視覺伺服移動機(jī)器人的智能系統(tǒng)是一個高智能、多層次、多系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，不是單元技術(shù)的簡單連接，是各種分系統(tǒng)在多層次的協(xié)調(diào)和分工的集成。

39、1.3.4基于視覺伺服移動機(jī)器人關(guān)鍵性技術(shù) 1）基于視覺伺服移動機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) 在人類的行為體系中，含有兩種體系結(jié)構(gòu)，即是有意識行為和反射行為，這兩種體系結(jié)構(gòu)在人類總是完美結(jié)合同一的，但是對于機(jī)器人系統(tǒng)二者的結(jié)合是目前的一個研究熱點。包容體系結(jié)構(gòu)采用所謂“感知動作”結(jié)構(gòu)，也稱基于行為的結(jié)構(gòu)，一些實驗表明，包容體系結(jié)構(gòu)在處理動態(tài)環(huán)境中不確定性問題方面具有很多優(yōu)點。反射行為的代表是nasrem模型，該體系類型的機(jī)器人對處理問題的反應(yīng)速度快，精度高。上述的兩種體系結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，將二者的結(jié)合是一個必然發(fā)展趨勢2425。2）視覺信息智能、快速的提取技術(shù) 對于基于視覺伺服的移動機(jī)器人，視覺信息的提取技

40、術(shù)是該系統(tǒng)能否正常工作的前提條件。雖然視覺的信息含量比較大，但是如何從繁雜的信息中提取機(jī)器人所需要獲取的信息，是一件非常困難的工作，并要求視覺信息的提取算法具有相當(dāng)?shù)闹悄苄院汪敯粜裕軌蜻m用于不同的照明條件和工作環(huán)境，只有這樣，該視覺信息提取算法才能正真的實用?？焖傩砸彩且曈X信息提取的瓶頸，視覺信息一般通過圖像數(shù)據(jù)來表達(dá)，其數(shù)據(jù)量是龐大的（一般含有幾十萬個數(shù)據(jù)點），要在一拍伺服時間內(nèi)（幾十毫秒）完成數(shù)據(jù)處理和有用信息的提取，其難度是相當(dāng)大的，但是如果不解決快速性的問題就談不上伺服。而且視覺信息提取程序的智能性與快速性是相互制約的，快速性就希望程序本身以及處理的信息越簡單、越少，越好；而智能性則

41、希望程序在各種各樣的狀態(tài)下都能夠成功地提取出視覺中有用的信息，所以無論程序本身還是所處理的信息都是相對于復(fù)雜的。因此，如何將二者相互有機(jī)的結(jié)合，尋找到合適的、能夠解決問題的視覺信息提取程序是基于視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的一個前提性的關(guān)鍵技術(shù)。3）規(guī)劃技術(shù) 基于視覺伺服移動機(jī)器人的規(guī)劃技術(shù)包含策略規(guī)劃和路徑規(guī)劃兩大部分，規(guī)劃技術(shù)是與人工智能技術(shù)密切相關(guān)的，也是機(jī)器人的一個關(guān)鍵技術(shù)。策略規(guī)劃是當(dāng)機(jī)器人處于某一環(huán)境中，機(jī)器人所要采取運動或動作的計劃，是機(jī)器人與環(huán)境信息的交互，是機(jī)器人自主性的體現(xiàn)，策略規(guī)劃的好壞直接影響到機(jī)器人的工作效率，甚至?xí)P(guān)系到機(jī)器人能否成功完成指定的工作任務(wù)。運動規(guī)劃也是基于視

42、覺伺服移動機(jī)器人的一個重要問題，運動規(guī)劃的目標(biāo)是在一個存在障礙物的環(huán)境中，為移動機(jī)器人尋找一條無碰撞的、在特定的評價標(biāo)準(zhǔn)下最優(yōu)的路徑。從六十年代起，隨著機(jī)器人的出現(xiàn)，就有許多研究者在這個方面做了大量的研究工作，但是一直到現(xiàn)在都沒有獲得十分圓滿的、令人滿意的解決方案。在規(guī)劃技術(shù)中大部分是動態(tài)規(guī)劃，一般是嵌入在機(jī)器人的伺服程序中，所以也存在著智能性和快速性的約束2627。 4）人工智能技術(shù) 機(jī)器人做為一種擬人機(jī)械電子系統(tǒng)，其最高境界的模擬是對人類大腦的模擬，使得機(jī)器人具有如同人類一般的智慧。雖然人們?yōu)榱诉@個目標(biāo)奮斗了許多年，但是現(xiàn)在看來，這個目標(biāo)依然還是很遙遠(yuǎn)。人體的復(fù)雜性，使得我們對自己的智能行

43、為依然如謎一般的迷惑，像生命科學(xué)中生物具有生命一樣，今天我們依然知之甚少。人們雖然在人工智能技術(shù)中取得一些進(jìn)展，但是距離擁有人類智慧的目標(biāo)依舊十分遙遠(yuǎn)。目前， 對于人工智能的研究技術(shù)主要包括基于符號推理人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、進(jìn)化算法（遺傳算法、協(xié)同進(jìn)化、共生進(jìn)化等）和新興的免疫網(wǎng)絡(luò)算法等等。上述的人工智能技術(shù)在特定領(lǐng)域均有成功的應(yīng)用，它們各自擁有自己的優(yōu)點，但是它們也各自都有自己的缺點，在某些情況下，這些缺點往往是致命的2829。 對于基于視覺伺服的移動機(jī)器人來說，關(guān)鍵智能技術(shù)是視覺圖像智能、快速的信息提取技術(shù)和自動規(guī)劃技術(shù)。機(jī)器人的智能行為包括對環(huán)境的感覺和認(rèn)識；對經(jīng)驗的推測

44、、推斷、歸納和總結(jié)；對知識的理解、推斷和學(xué)習(xí)；對自身行為的計劃與規(guī)劃等。涉及的領(lǐng)域包括視覺圖像理解，知識的獲取、學(xué)習(xí)和表達(dá)，以及機(jī)器人自身的智能運動控制等等。1.4本文的研究目的與內(nèi)容由于基于視覺伺服移動機(jī)器人，無論在軍事還是國民生產(chǎn)中有著非常重要的用途，其中包含了許多前沿的科學(xué)技術(shù)，許多發(fā)達(dá)國家正在加大對其研究的力度，因此對該類系統(tǒng)的研究是非常有必要和迫切的。本文主要研究目的是對基于視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)中必需具備的智能技術(shù)做一些研究工作，要求建立基于全局視覺與立體視覺伺服的兩套移動機(jī)器人系統(tǒng)，并且要求這兩套系統(tǒng)視覺處理程序能夠滿足伺服技術(shù)的時間要求和對外界光照條件不敏感的指標(biāo)，最終使得這兩

45、套系統(tǒng)能夠在簡單的環(huán)境中，完成預(yù)先設(shè)定任務(wù)的目標(biāo)。主要研究內(nèi)容和工作包括：(1) 基于全局視覺伺服的移動機(jī)器人系統(tǒng)和基于立體視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)建；(2) 全局視覺圖像信息快速提取智能程序的研究和立體視覺圖像信息快速提取智能程序的研究；(3) 移動機(jī)器人系統(tǒng)底層智能控制技術(shù)的研究；(4) 移動機(jī)器人系統(tǒng)上層智能規(guī)劃技術(shù)的研究；(5) 基于全局視覺和基于立體視覺伺服兩移動機(jī)器人系統(tǒng)的綜合實驗測試。1.5本文的研究創(chuàng)新點本文以基于全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)和基于立體視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)為背景，對比研究不同形式的視覺伺服技術(shù)，并且研究了這兩套機(jī)器人系統(tǒng)中相關(guān)的智能技術(shù)，取得以下的創(chuàng)新點：(1

46、) 全局視覺信息快速提取的智能算法，機(jī)器人視覺為576768（像素點）2的rgb圖像，算法的提取速度高達(dá)15毫秒/幀，對外界光照條件不敏感，并且魯棒性強(qiáng)；(2) 立體視覺信息快速提取的智能算法，機(jī)器人視覺為左右眼兩幅576768（像素點）2的rgb圖像，速度達(dá)到了25.2毫秒/幀，快速性好，并且該算法對外界光照條件不敏感、穩(wěn)定性好；(3) 在移動機(jī)器人底層智能控制程序的研究中，設(shè)計一種自適應(yīng)的遺傳算法，該算法收斂性對初始的變異和雜交率設(shè)定不敏感，能根據(jù)群體相異度自動調(diào)整變異率的大小，能夠避免遺傳算法的早熟現(xiàn)象，是一種適用于工程計算的新算法，并數(shù)學(xué)證明了其收斂性；(4) 在移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃算

47、法中，采用了人工免疫網(wǎng)絡(luò)理論，設(shè)計了一種基于人工免疫網(wǎng)絡(luò)自主式移動機(jī)器人的規(guī)劃算法，并證明了該智能算法的收斂性，仿真與相關(guān)實驗表明該算法無論是快速性還是智能程度都要優(yōu)于普通的機(jī)器人路徑規(guī)劃算法。 2 基于視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)分析2.1概述基于視覺伺服移動機(jī)器人從視覺構(gòu)成可以分為三類：全局視覺伺服、混合視覺伺服和立體視覺伺服?；谌忠曈X伺服移動機(jī)器人的視覺傳感器懸掛在機(jī)器人運動空間的上方，獲得視覺信息是兩維的平面視覺；基于混合視覺伺服移動機(jī)器人的特點是不僅通過視覺傳感器來獲得外界信息，而且還融合了其它類型傳感器的測量方法，如激光等，具有獲得三維信息的能力；基于立體視覺伺服移動機(jī)器人的視覺傳感

48、器一般直接安裝在機(jī)器人系統(tǒng)上，跟隨機(jī)器人運動，所獲得的視覺是具有深度信息的三維立體視覺。本文主要研究全局視覺與立體視覺伺服兩類移動機(jī)器人系統(tǒng)。2.2全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)分析基于全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)是通過懸掛在機(jī)器人運動空間的上方視覺傳感器（ccd）獲得其視場下只具有二維信息的平面視覺，稱為：全局視覺。該系統(tǒng)通過視覺傳感器可以捕獲機(jī)器人的運動狀況以及周圍的環(huán)境信息，從而構(gòu)成了一個全閉環(huán)系統(tǒng)。2.2.1全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的硬件構(gòu)成圖2.1 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)硬件構(gòu)成1）系統(tǒng)硬件構(gòu)成 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2.1所示，由圖像獲取系統(tǒng)、中央處理器系統(tǒng)、通訊

49、系統(tǒng)和移動機(jī)器人系統(tǒng)四大部分組成30。圖像獲取系統(tǒng)又由ccd攝像機(jī)、圖像采集卡兩大部分組成，ccd攝像機(jī)獲取外界的視覺信息轉(zhuǎn)換為視頻信號，而圖像采集卡則是將視頻信號通過a/d轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠識別的數(shù)字圖像，一般采用rgb的存儲格式，以 pci總線方式與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；中央處理系統(tǒng)通常是由一臺或多臺高速計算機(jī)組成，主要完成視覺處理和智能規(guī)劃等任務(wù)；通訊系統(tǒng)由發(fā)射器和接受器兩部分組成，發(fā)射器與中央處理計算機(jī)的串行口（com1）連接，將中央處理計算機(jī)的命令與參數(shù)編碼后發(fā)出，接收器則安裝在機(jī)器人上，來接受命令與控制參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給機(jī)器人系統(tǒng)中的控制器；機(jī)器人系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和運動系統(tǒng)

50、構(gòu)成，控制系統(tǒng)以接受的命令與參數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行控制，運動系統(tǒng)是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括動力與傳動等部分。整個系統(tǒng)的行為可以描述為：首先，系統(tǒng)將采集在ccd攝像機(jī)視場空間下機(jī)器人運動狀況的信息，以視頻信號送入到計算機(jī)pci總線上的圖像采集卡后轉(zhuǎn)換為rgb格式的數(shù)字圖像；接著，通過視覺處理程序從采集到的圖像里來提取機(jī)器人的運動狀態(tài)信息以及環(huán)境信息等系統(tǒng)所需信息；然后，再通過任務(wù)規(guī)劃程序獲得機(jī)器人下拍的命令和參數(shù)，并經(jīng)與計算機(jī)com1口相連的發(fā)射器輸出；最后，機(jī)器人接受到命令和參數(shù)后，由自身帶有的控制器來實現(xiàn)具有反饋的運動，完成控制目標(biāo)。2）視覺模塊關(guān)鍵設(shè)備功能與參數(shù) 全局視覺伺服移動機(jī)器人系統(tǒng)的視覺模塊

51、包括了鏡頭、ccd攝像機(jī)和圖像采集卡三大部分。視覺模塊的工作機(jī)理可以描述為：鏡頭將外界視場的光線聚焦后成像在ccd攝像機(jī)的ccd面陣傳感器上，再經(jīng)攝像機(jī)將該成像轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，而圖像采集卡則進(jìn)一步的將視頻信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠處理的數(shù)字信息。為了在固定的高度獲得最大的視場，攝像機(jī)鏡頭采用了日本精工電子曝光、直徑1/3英寸、視角92的廣角鏡頭；而彩色ccd攝像機(jī)采用的是臺灣敏通（mintron）公司的產(chǎn)品，型號為：mtv_8055mk2，具體參數(shù)為：直徑1/3英寸，320,000個像素點，視頻信號為標(biāo)準(zhǔn)420線電視制式，電視信號輸出口，電子曝光，曝光速度1/50s1/5000s，攝像機(jī)專用12

52、v電源；圖像采集卡選用北京嘉恒中自圖像技術(shù)有限公司出產(chǎn)的基于pci總線的彩色、黑白圖像采集卡（ok_c30/s），具有濾除奇偶場鋸齒現(xiàn)象的功能，特別適合要求采集動態(tài)圖像的場合，場周期為20ms，幀周期為40ms（每一秒可以捕獲25幀畫面），視頻輸入可為標(biāo)準(zhǔn)pal、ntsc或secam制信號，六路復(fù)合視頻輸入選擇或三路y/c輸入選擇，亮度、對比度、色度、飽和度可以通過軟件調(diào)節(jié)，圖像采集顯示分辨率最大為768576（像素點）2，具有圖形位屏蔽功能，可開窗采集，硬件完成輸入圖像比例縮小，具有硬件鏡像反轉(zhuǎn)功能，具有硬件線性虛擬地址映射能力，支持rgb32、rgb24、rgb16、rgb15、rgb8、

53、yuv16、yuv12、yuv9、黑白圖像gray8等圖像格式，視頻a/d為8bits，可采集單場，單幀，間隔幾幀，連續(xù)相鄰幀的圖像，精確到場，一路輔助監(jiān)視輸出。圖2.2 通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3）通訊模塊的設(shè)計與說明 通訊模塊是聯(lián)接機(jī)器人（手、腳）與中央處理單元（大腦）之間的橋梁，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。發(fā)射模塊與計算機(jī)的串口相連（com1），接收模塊則直接安裝在機(jī)器人上，采用廣播式通訊方式，通訊命令格式如下：表1 通訊命令格式字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3含義機(jī)器人編號控制方式與命令參數(shù)字節(jié)2是機(jī)器人控制方式與命令，字節(jié)的高4位表示控制方式（0為速度伺服控制，1為位置補(bǔ)償控制），字節(jié)的低4位代表控制命令，包含有前

54、進(jìn)、前左、前右、后左、后右、后退、停止七條命令；字節(jié)3是機(jī)器人命令的參數(shù)為后輪速度從0255均勻代表了01m/s速度范圍或位置補(bǔ)償?shù)拿}沖數(shù)。 機(jī)器人都能夠接收到上位機(jī)發(fā)送的任一條指令，如果機(jī)器人檢測出信號的標(biāo)識字節(jié)（第一字節(jié)為機(jī)器人編碼）與自己的編號標(biāo)識相符，隨后的命令被判斷為有效的，機(jī)器人執(zhí)行該條命令。4）機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計與說明 機(jī)器人系統(tǒng)主要通過改裝來完成的，采用后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)向的驅(qū)動方式。為了整個系統(tǒng)的控制性能比較理想（控制沒有丟拍、圖像余輝比較?。?，將機(jī)器人的最大線速度限制在1.0m/s范圍以內(nèi)，曝光頻率為5000hz，周期為40ms。驅(qū)動裝置從控制性能上來考慮選用步進(jìn)電機(jī)是比較理想

55、的，但是由于步進(jìn)電機(jī)體積大，并且有電源的限制，顯然不太合適，因此采用了直流電機(jī)伺服控制技術(shù)，雖然其控制難度比步進(jìn)電機(jī)高，但是其優(yōu)點在于：體積小、實現(xiàn)簡單，并且控制精度也能滿足整個系統(tǒng)的要求。在機(jī)器人系統(tǒng)中驅(qū)動電機(jī)選擇的是瑞士生產(chǎn)的直流電機(jī)，自身帶有128線的磁編碼器，采用pwm調(diào)速的控制方式，通過改變脈沖的寬度來實現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速伺服與位置補(bǔ)償相結(jié)合的控制方式，脈沖占空比的改變由數(shù)字控制器來實現(xiàn)，可見其驅(qū)動電路簡單，并且與計算機(jī)的接口相對比較容易實現(xiàn)。對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的轉(zhuǎn)向角，但是由于直流電機(jī)沒有自鎖功能，因此要實現(xiàn)其位置控制很難，所以只有退而求其次選用了兩檔轉(zhuǎn)向，采用機(jī)械限位

56、、復(fù)位和普通電機(jī)驅(qū)動的方式，轉(zhuǎn)向角為30或30，帶有狀態(tài)反饋。機(jī)器人系統(tǒng)自帶有控制器，采用at89c51單片機(jī)為控制器cpu，包括驅(qū)動電路，速度檢測，無線接收等構(gòu)成，其基本控制框圖如圖2.3所示31323334。 圖2.3 基本控制框圖在系統(tǒng)中at89c51單片機(jī)主要完成以下幾種功能：l 根據(jù)協(xié)議接收上位機(jī)的指令；l 根據(jù)速度給定值和實測反饋值并按預(yù)定控制算法得到控制量，通過pwm方式調(diào)速，完成速度閉環(huán)控制；l 按給定的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)角控制，并獲得狀態(tài)反饋，判斷是否完成30或30的轉(zhuǎn)角，只要轉(zhuǎn)向角達(dá)到，p1.4端口為高電平，其余狀態(tài)均為低電平狀態(tài)。圖2.4 直流電機(jī)的驅(qū)動電路圖 直流電機(jī)的驅(qū)動控制電路采用三極管組成的h橋電路來實現(xiàn)，如圖2.4所示。首先驅(qū)動電路的控制端口a和端口b分別與多路選擇通道的0通道和1通道相連，當(dāng)單片機(jī)p1.01，pwm信號由端口a輸入，pwm信號為高電平，三極管t2、t3和t4導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)p1.00，pwm信號由端口b輸入，pwm信號為高電平，三極管t1、t5和t6導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)35363738。機(jī)器人系統(tǒng)的速度反饋檢測環(huán)節(jié)是由電機(jī)自帶的電磁編碼器輸出的脈沖信