視覺(jué)是人類感知外界信息的主要手腕，視覺(jué)伺服體系是機(jī)器人獵取環(huán)境信息的關(guān)頭組成部分。本文次要計(jì)議仿人機(jī)器人BHR-1的視覺(jué)伺服體系。首先引見(jiàn)機(jī)器人頭頂部的視覺(jué)整體構(gòu)造計(jì)劃，然后闡述了基于立體視覺(jué)的信息處理和頭頂部活動(dòng)掌握，末了經(jīng)過(guò)方針跟蹤和物體抓取實(shí)驗(yàn)說(shuō)了然體系的可行性。
物流分揀機(jī)器人市場(chǎng)需求總體方案及操縱系統(tǒng)仿人機(jī)器人的視覺(jué)伺服系統(tǒng)規(guī)定能夠憑據(jù)詳細(xì)環(huán)境和詳細(xì)情況舉行主動(dòng)搜索，實(shí)時(shí)將攝像頭轉(zhuǎn)向方針，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間方針的實(shí)時(shí)跟蹤并獵取物體的三維位置信息，進(jìn)而操縱手臂實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的正確抓取。BHR-1）的頭頂部有2個(gè)自由度，臉部安排兩只CCD攝像頭作為視覺(jué)傳感器來(lái)模擬人的眼睛。機(jī)器人的手臂也是摹仿人類的上肢設(shè)計(jì)的，具有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，能夠?qū)崿F(xiàn)人類上肢的各類舉措。機(jī)器人憑據(jù)方針的三維位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取。
仿人機(jī)器人BHR-1的整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)物體的快速定位，需求完成圖象處置和活動(dòng)操縱的使命。一臺(tái)計(jì)算機(jī)將難以知足快速定位的實(shí)時(shí)性要求，因而本文采用了雙計(jì)算機(jī)處置和Memolink通信體例的體系構(gòu)造，利用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)劃分賣力雙目立體視覺(jué)的信息處置和機(jī)器人的活動(dòng)操縱。Memolink是體系間開(kāi)展快速通信的一種有用解決方案。
機(jī)器人的視覺(jué)跟蹤和方針抓取的實(shí)現(xiàn)皆依靠活動(dòng)操縱計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)操縱?；顒?dòng)操縱系統(tǒng)依據(jù)視覺(jué)處理系統(tǒng)的處理結(jié)果，操縱機(jī)器人接納相應(yīng)決議計(jì)劃。比方：頭頂部的兩自由度滾動(dòng)，以跟蹤方針的活動(dòng)大概上肢手臂往抓取方針?；顒?dòng)操縱子系統(tǒng)以RT-Linux實(shí)時(shí)操縱操縱系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，包管了機(jī)器人操縱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
圖2體系總體方案
北京分揀機(jī)器人技術(shù)京東物流智能分揀機(jī)器人機(jī)器人的活動(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，是以被控工具事實(shí)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)位置伺服系統(tǒng)。
體系使用了一套多功效接口板，將所有的A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、ENC、PWM、32位IO等多種功效皆集成正在該接口板上，增加了體系的集成性并減小了體系體積和重量。
正在操縱旌旗燈號(hào)的輸入層面，因?yàn)椴倏v的目的是為了機(jī)器人的頭頂部可以跟蹤活動(dòng)的目的，是以事實(shí)上輸入量便是憑據(jù)圖象處置子系統(tǒng)的處置結(jié)果獲得的，正在圖象處置的進(jìn)程中，終究求得的目的的位置便是背面活動(dòng)操縱子系統(tǒng)的輸入量。因?yàn)閳D象處置子系統(tǒng)的處置結(jié)果自己便是數(shù)字量，活動(dòng)操縱子系統(tǒng)所獲得的位置信息也是數(shù)字旌旗燈號(hào)，是以，這里不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的進(jìn)程。
正在反應(yīng)旌旗燈號(hào)的輸入層面，由于被控對(duì)象是機(jī)電，確切的說(shuō)是機(jī)電滾動(dòng)的角度，是位置掌握，因而能夠用機(jī)電上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(guò)的角度的器件，它以脈沖的體例來(lái)反應(yīng)機(jī)電轉(zhuǎn)過(guò)的角度，機(jī)電轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，它輸出的脈沖個(gè)數(shù)就越多，反之，輸出的脈沖個(gè)數(shù)就越少。因而我們采用了接口板上的ENC
接口來(lái)作為反應(yīng)旌旗燈號(hào)的輸入通道，它能夠丈量軸角編碼器的脈沖輸出個(gè)數(shù)。機(jī)器人頭頂部的活動(dòng)掌握子系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如圖3所示。
基于立體視覺(jué)的視覺(jué)信息處理體系采用了基于立體視覺(jué)的解決方案，經(jīng)由過(guò)程加入了深度信息，使得目標(biāo)的搜索后果加倍精確。體系使用了美國(guó)SRI人工智能中心所開(kāi)辟的一套高速的雙目立體視覺(jué)體系SVS（smallvisionsystem）。
圖象支解是物體識(shí)其余預(yù)處置懲罰階段，是機(jī)器人視覺(jué)伺服體系的關(guān)鍵技術(shù)之一。該體系接納了基于色彩信息的閾值支解方式。理論闡發(fā)和實(shí)驗(yàn)后果皆標(biāo)明，對(duì)統(tǒng)一色彩屬性的物體，正在光源品種、照度、物體反射特征等不一樣前提下，測(cè)得的RGB色彩值分布很分離，很難肯定辨認(rèn)RGB的閾值規(guī)模。而HSV模子更接近人眼對(duì)色彩的感知，它將收集的色彩信息分為色調(diào)、飽和度和亮度三種屬性量化，色調(diào)屬性H能對(duì)照精確地反應(yīng)色彩品種，對(duì)外界光照前提的變革敏感水平低，因而，HSV較之RGB更適合于用做辨認(rèn)處置懲罰的根本。本文接納HSV模子作為色彩辨認(rèn)處置懲罰的根本，選取此中的參數(shù)H和V作為辨認(rèn)處置懲罰的辨別根據(jù)。RGB空間中一點(diǎn)到HSV空間中一點(diǎn)的詳細(xì)轉(zhuǎn)化干系如下：
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
體系首先離線采樣方針圖象地區(qū)，將該部分彩色圖象由RGB模子轉(zhuǎn)化為HSV模子，對(duì)此中H、S兩個(gè)重量分離作直方圖，獲得選定地區(qū)的H、S閾值，這是一個(gè)離線的學(xué)
圖4視覺(jué)處置懲罰流程圖
習(xí)歷程。正在隨后的實(shí)時(shí)圖象識(shí)別中，H、S閾值憑據(jù)前一個(gè)視覺(jué)周期的彩色圖象實(shí)時(shí)更新以順應(yīng)新的光照前提。
視覺(jué)處置體系的流程圖如圖4所示，體系運(yùn)用攝像頭來(lái)收羅圖象，正在對(duì)圖象開(kāi)展一系列的預(yù)處置以后，對(duì)其開(kāi)展地區(qū)支解，以獲得多個(gè)地區(qū)，再搜索這一些地區(qū)，依據(jù)已知目的特點(diǎn)找到目的所正在的地區(qū)。若是找到，則掌握機(jī)器人頭頂部面向目的，與此同時(shí)更新目的的特點(diǎn)，以用來(lái)正在下一次搜索時(shí)運(yùn)用，若是沒(méi)有找到相匹配的目的，則大概目的被臨時(shí)潛藏或喪失，這時(shí)候開(kāi)端下一次處置，以期待目的再次出現(xiàn)。
由于視覺(jué)處置懲罰體系處置懲罰的是上一個(gè)周期的圖象，所以獲得的方針坐標(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)來(lái)作為活動(dòng)操縱的輸入，則頭頂部活動(dòng)始終滯后一個(gè)周期。為了加速體系的速度，本文采用了比例微分操縱，體系地輸入輸出函數(shù)為：
Iα＋kd
Iβ＋kd
eα＝βk－βk’
式中Iα為正在t時(shí)候上掌握體系的輸出;目的的標(biāo)的目的坐標(biāo);該時(shí)刻兩自由度機(jī)構(gòu)的標(biāo)的目的坐標(biāo);eα別離默示該時(shí)刻頭頂部位置取目的位置之間的毛病;kp和kd別離為掌握體系的比例系數(shù)和微分系數(shù)。經(jīng)由進(jìn)程實(shí)驗(yàn)調(diào)治kp和kd，kd＜＜kp，體系能夠既有較高的反應(yīng)速度，與此同時(shí)又具有穩(wěn)定性?；顒?dòng)掌握進(jìn)程依據(jù)前面的敘說(shuō)，計(jì)算機(jī)掌握體系的事情進(jìn)程是一個(gè)輪回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收羅，實(shí)時(shí)決議計(jì)劃，實(shí)時(shí)掌握的進(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)所有的掌握環(huán)完成如許的一個(gè)輪回約莫須要m毫秒的時(shí)候擺布。正在視覺(jué)信息處置體系中，處置一幀圖象平均須要n毫秒擺布的時(shí)候，因?yàn)橐曈X(jué)處置和活動(dòng)掌握義務(wù)的特色的差別，n＞＞m，還便是說(shuō)視覺(jué)處置的周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于活動(dòng)掌握的周期。正在一個(gè)視覺(jué)處置的周期內(nèi)，體系能夠完成多個(gè)掌握周期的處置。因此正在一個(gè)視覺(jué)處置周期以后，體系該當(dāng)做好下一個(gè)視覺(jué)處置周期以內(nèi)的活動(dòng)計(jì)劃，還便是做好背面多個(gè)掌握周期以內(nèi)的活動(dòng)計(jì)劃，如許才氣包管機(jī)器人的頭頂部以平均、陡峭，與此同時(shí)又是精確的速度來(lái)跟蹤目的。
節(jié)制系統(tǒng)軟件步驟如圖5所示。
正在每個(gè)活動(dòng)節(jié)制周期內(nèi)，順序皆首先要檢察Memolink，看視覺(jué)信息處理系統(tǒng)是不是有新的處理結(jié)果經(jīng)由過(guò)程Memolink傳送到活動(dòng)節(jié)制系統(tǒng)，假如沒(méi)有，順序就根據(jù)預(yù)設(shè)的活動(dòng)計(jì)劃來(lái)節(jié)制機(jī)器人活動(dòng);如
圖5機(jī)器人活動(dòng)操縱的軟件步驟
果有，法式就先要憑據(jù)視覺(jué)體系的處置結(jié)果來(lái)修正活動(dòng)計(jì)劃。為了使機(jī)器人頭頂部的活動(dòng)安穩(wěn)，我們把每一次預(yù)設(shè)的活動(dòng)計(jì)劃所計(jì)劃的工夫定為略大于視覺(jué)處置的均勻周期，那樣就能夠包管體系正在每一次新的視覺(jué)處置結(jié)果到來(lái)之時(shí)，原有的活動(dòng)計(jì)劃還沒(méi)有施行完。由而使只要目的正在持續(xù)活動(dòng)，機(jī)器人頭頂部便能夠處于持續(xù)活動(dòng)過(guò)程中，避免了機(jī)器人頭頂部時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的現(xiàn)象。隨后法式分離讀取計(jì)劃和反應(yīng)，憑據(jù)二者之差來(lái)求得操縱量，再收回操縱旌旗燈號(hào)，操縱機(jī)器人頭頂部的滾動(dòng)。
關(guān)于掌握量的求法順序采用了傳統(tǒng)的PID算法，設(shè)t為第k個(gè)活動(dòng)掌握周期時(shí)刻，正在t時(shí)候上，體系的輸出量為Yk，活動(dòng)計(jì)劃的計(jì)劃量為Xk，根據(jù)PID算法，正在t時(shí)候上，體系的輸出Yk＋1為
Yk＋1＝KP＋Ki∑＋Kd
上式中KP，Ki，Kd分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)。正在一個(gè)控制體系中，肯定巨細(xì)積分系數(shù)能夠使體系沒(méi)有殘差，但會(huì)低落相應(yīng)速度;而肯定巨細(xì)的比例系數(shù)能夠放慢體系的相應(yīng)速度，并能按照輸入的變更提早做出相應(yīng)，但也許致使體系不穩(wěn)定。因此正在后果能夠接受的情況下，該當(dāng)只利用比例系數(shù)，若是后果達(dá)不到規(guī)定再利用積分系數(shù)和微分系數(shù)。
外國(guó)評(píng)中國(guó)分揀機(jī)器人實(shí)驗(yàn)本體系中，視覺(jué)信息處置懲罰體系和活動(dòng)掌握體系別離實(shí)用Windows和RT-Linux作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。RT-Linux是實(shí)時(shí)操作體系，利用它能夠知足活動(dòng)掌握的實(shí)時(shí)性，而Windows體系的壯大的多媒體功效使其成為圖象處置懲罰的平臺(tái)。視覺(jué)信息處置懲罰計(jì)算機(jī)的CPU為PⅣ2.4GB，內(nèi)存512M;活動(dòng)掌握計(jì)算機(jī)的CPU為PⅢ700MHz，內(nèi)存256M;Memolink是毗鄰視覺(jué)處置懲罰體系取活動(dòng)掌握體系的橋梁，我們選用的產(chǎn)物采取PCI接口，最大傳輸速率為1Mbytes/s。攝像頭為SVS視覺(jué)處置懲罰體系，每秒鐘采樣15幀。
SVS視覺(jué)處理系統(tǒng)安裝才2自由度的活動(dòng)機(jī)構(gòu)上，該機(jī)構(gòu)正在2個(gè)自由度標(biāo)的目的的活動(dòng)足以使其指向任何標(biāo)的目的，是以能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤物體。BHR-1的頭頂部的三維尺寸為寬19cm，高27cm，深19cm，重量2.8kg，以上數(shù)據(jù)包含機(jī)器布局、軸承、機(jī)電、攝像機(jī)等。
應(yīng)用該體系跟蹤和定位物體時(shí)，圖象的處置懲罰速度為每秒鐘10幀，視覺(jué)伺服周期為100ms擺布，活動(dòng)操縱體系的伺服周期是3ms，近距離的定位精度較高，最高精度為1m處3‰。圖6為BHR-1的頭頂部跟蹤和物體定位實(shí)驗(yàn)。為進(jìn)一步考證本文提出的視覺(jué)定位取行動(dòng)計(jì)劃的方法的有效性，BHR-1體系實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的抓取試驗(yàn)，機(jī)器人手臂是具有7個(gè)自由度的機(jī)器人的右臂，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，視覺(jué)體系將目的物體的三維信息按照memolink傳遞為活動(dòng)操縱計(jì)算機(jī)，活動(dòng)操縱計(jì)算機(jī)按照上面提出的方法計(jì)劃數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)抓取物體。結(jié)語(yǔ)本文為出了一種基于雙目視覺(jué)的物體的跟蹤和定位計(jì)劃。雙目視覺(jué)適用于獵取目的物體的三維空間信息，實(shí)現(xiàn)物體的定位。這個(gè)體系采用了雙計(jì)算機(jī)處置懲罰和Memolink通訊方法，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)劃分開(kāi)展視覺(jué)信息處置懲罰和活動(dòng)操縱，包管了體系具有較高的響應(yīng)速度。
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