雙目主動視覺平臺多自由度運動控制系統設計

【摘要】為了解決并聯機器人雙目主動視覺平臺的運動靈活性問題，構建了多自由度運動機構，給出了雙目主動視覺平臺多自由度運動控制方法。對交流伺服電機的閉環控制策略進行研究，并將其應用到運動機構中；采用串口通信協議實現了2自由度數字云臺與主機的聯網和通信，以及攝像機位姿的調整。該方法基于主控計算機并行地實現多自由度運動機構各運動副的控制，擴展性好，運動穩定，具有較高的視覺監測速度和運動精度。

【關鍵詞】多自由度；運動控制；伺服電機；閉環控制

并聯機器人通過向末梢執行器下達指令，來控制切削刀具的位姿，而缺乏對其工作狀態的主動認知，因此，引入雙目主動視覺平臺對自身狀態進行觀測，以期提高控制精度。該平臺由多自由度運動控制系統和視覺服務系統組成，而多自由度運動控制系統的精度和速度是視覺服務系統的基礎。

傳統的雙目主動視覺機構類似人的頭眼系統，通過控制頭眼的轉動難以實現觀測的靈活性和視覺避讓，同時受并聯機器人多鏈結構影響，視覺遮擋機率更高。E. Samson等人研制的雙目主動視覺靈巧眼ASP（Agile Stereo Pair），視覺遮擋機率較低，卻僅能控制雙目在直線方向上的移動。趙曉光等人建立的一種立體視覺監控裝置（專利號200420077838.5），對安裝在相互垂直導軌上的兩臺攝像機進行控制，基線方向可調，但視角調整靈活性有限。

針對上述問題，基于雙目主動視覺監測平臺，構建了多自由度運動控制系統。基于主控計算機實現伺服電機、數字云臺的并行控制，由伺服驅動器和伺服電機構成閉環控制系統，通過4軸電機控制卡實現對多自由度運動機構中小車和云臺位置的調整；采用串口通信協議完成數字云臺的聯網和通信，實現了雙目基線可調，大視角觀測的控制。

1.多自由度運動機構描述

多自由度運動機構如圖1所示。并聯機器人工作在多自由度運動機構的可視區域，安裝了圓形導軌的驅動齒圈固定，導軌上配備了兩個電機驅動的小車，可繞齒圈做圓周運動，每個小車上裝有垂直絲杠，攝像機通過云臺固定在垂直絲杠的滑塊上，云臺可通過俯仰和擺動兩個自由度調整攝像機的姿態，垂直絲杠下端的電機通過控制絲杠的轉動調整攝像機的高度。運動控制系統主要實現電機驅動的小車和垂直絲杠在兩個自由度下的控制，以及數字云臺兩個自由度的控制。

2.多自由度運動控制系統設計方案

為了滿足視覺服務系統對視域監測信息的需求，多自由度運動控制系統應該具有較好的控制穩定性，以及較好的擴展性，選取工控機作為主控計算機，對驅動電機、數字云臺和攝像機進行并行控制。考慮到平臺齒圈的阻力和運行平穩性，選取交流伺服電機作為小車和絲杠的驅動電機，通過伺服驅動器驅動電機形成閉環交流伺服系統，在工控機配以電機控制卡對伺服驅動系統發送控制信號；數字云臺運動力矩較小，選取步進電機作為其控制電機，通過串口連接到工控機；攝像機安裝在云臺上，需要將拍攝到的圖像快速的送入工控機，因此，通過1394接口將攝像機和主控計算機連接。多自由度運動控制系統方案如圖2所示。

3.多自由度運動控制方法

多自由度運動機構中，小車驅動電機和垂直絲杠驅動電機的運動決定攝像機的空間位置，云臺步進電機的運動決定攝像機的姿態，各運動副之間的并行控制是視覺監測速度的關鍵。

3.1 交流伺服電機控制

多自由度運動機構中，采用主控計算機+運動控制卡的開放式控制方式實現伺服電機的控制，運動控制卡以插卡形式嵌入主控計算機，主控計算機負責伺服控制系統狀態的實時監控和人機交互的管理等工作；運動控制卡完成伺服電機運動控制的所有細節。本文選用和利時公司的SYNTRON6050系列4軸電機運動控制卡，采用研華公司的IPC-610H工控機作為主控計算機，電機運動控制卡插入工控機的PCI插槽中。

3.1.1 電機運動控制卡

電機運動控制卡與主控計算機構成上下位機型的主從式數字控制系統，用于伺服電機的控制。以DSP芯片作為運動控制卡的核心處理器，完成復雜的運動控制算法、插補算法和進行保護中斷的處理，特別是伺服周期內位置控制和速度控制；以FPGA芯片作為協處理器實現鑒相的處理與編碼信號的采集，對模擬量和脈沖進行輸出和配置，把DSP處理過的控制數據經過內部轉換送到外部設備，并管理各種外部設備和DSP的接口配置，FPGA在多軸控制中能進行真正的并行處理。

DSP通過外設接口XINTF與FPGA進行通信，FPGA通過DSP的外部中斷XINT1和XINT2來觸發DSP接受運動控制命令和參數，DSP接受到命令后，根據工作協議調節自身進入定義的工作狀態。同時，DSP在遇到錯誤或工作完成情況時，自動給FPGA發送反饋消息。FPGA負責接受PCI局部總線的命令和參數，對其處理后發送給DSP，下達運動控制指令，同時反饋信息給PCI局部總線，并且控制系統外圍D/A模塊， I/O模塊，鍵盤輸入等。

3.1.2 交流伺服系統的硬件連接

選用SYNTRON公司的GS0020B作為伺服驅動器，集成美國TI公司的DSP核心控制芯片，采用先進的全數字電機控制算法，完全以軟件方式實現了電流環、速度環、位置環的閉環伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應能力，適用于需要快速響應的定位控制與精密轉速控制的應用系統。電機運動控制卡、交流伺服驅動器和交流伺服電機的硬件連接電路如圖3所示。

3.2 云臺控制器接口與通信

主控計算機通過云臺控制器實現云臺俯仰和水平擺動方向的控制，以實現攝像機姿態的調整。主控計算機采用異步通信接口RS485與云臺控制器通信。由于運動控制系統需要主控計算機并行控制兩個云臺，本系統將云臺控制器和主控計算機組成控制網絡，通過設置ID的方式對云臺控制器進行區分，實現對網絡中云臺的控制，云臺控制器和主機聯網的方法如下。

（1）確定云臺控制器在主控計算機中的物理位置：連接控制器和主機的擴展卡相對CPU的位置；

（2）設定云臺控制器的ID號，同一網絡中ID號唯一：根據物理位置和CPU的距離確定ID號；

（3）將標識為ID0的云臺控制器連接到主機的RS485接口，所有云臺通過RS485 接口連接到其相應的控制器。

PC機與云臺的一次完整通信由PC發送指令和被控設備反饋兩部分構成。指令數據流的發送和數據流的反饋之間需要有10ms 的延時，用來穩定RS485總線上的信號，如果回送數據是約定好的正確代碼，則通訊成功；但反饋數據流必須在200ms 以內反饋數據，如果沒有反饋，則主機認為當前的總線上沒有設備號為發送指令數據流中的ID 編碼的設備。

4.總結

雙目主動視覺平臺多自由度運動控制系統基于主控計算機實現了伺服電機、數字云臺的并行控制。由伺服驅動器和伺服電機構成了閉環控制系統，通過4軸電機控制卡實現對多自由度運動機構中小車和云臺位置的調整；采用串口通信協議完成數字云臺的聯網和通信，實現了攝像機位姿的調整。運動控制系統實現了雙目運動的靈活性，基線可調，滿足大視角觀測的需要，當發生視覺遮擋時，可以通過調整攝像機的位置和姿態進行避讓。該系統硬件結構簡單，擴展方便，視覺監測速度較快，具有較高的運動穩定性和運動精度。

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本文榮獲河南省重點科技攻關項目資助（項目編號：122102210065）。

作者簡介：

李曉輝（1981—），男，河南孟州人，碩士，助教，研究方向：機器視覺，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。