淺析四自由度視覺裝置設計及其控制系統實現

摘 要：在信息技術水平不斷提升的背景下，計算機視覺技術在各個行業中的應用范圍不斷擴大，其中四自由度視覺裝置的應用優勢逐漸凸顯出來。本文從四自由度視覺裝置結構設計的總體思路以及雙目立體視覺裝置的設計兩個大方面入手，對四自由度視覺裝置的結構設計展開分析。在此基礎上，結合四自由度視覺裝置應用的具體要求，對其控制系統的實現作出詳細闡述。

關鍵詞：視覺技術；四自由度視覺裝置；控制系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.143

0 前言

相關研究結果表明，人類獲得的信息中超過80%均是通過視覺所得到。近年來，在計算機視覺技術不斷創新發展的背景下，立體視覺傳感器在各個行業中的應用范圍隨之不斷擴大，其中雙目視覺傳感器更是憑借自身結構簡單、應用便捷、速度快以及精準度高等諸多優勢特征，被廣泛的應用于工業檢測、機器人自導引和航天等領域中。就此，本文針對四自由度視覺裝置設計及其控制系統實現展開研究。

1 四自由度視覺裝置的結構設計

1.1 四自由度視覺裝置結構設計的總體思路

在四自由度視覺裝置結構設計過程中，為了實現攝像機對于目標物體的快速定位，首先需要根據四自由度視覺裝置應用需求，設計相應的機械平臺。在此基礎上，結合不同的任務類型，合理控制視覺系統的自由度以及鏡頭的配置。比如：在自由度設置工作中，對于工業機器人而言，為了滿足工業機器人在測量深度方面的需求，需要在設計過程中采用兩個攝像頭，并且設置的兩個攝像頭之間的夾角支持自由調整，因此需要兩個可控的自由度[1]。

此外，為了充分體現出人眼與頭部的功能，使視覺系統的視野進一步擴大，則需要采用四個自由度，也是本文研究的核心內容。對于四自由度視覺裝置結構的設計，其裝置主要包括四個自由度、兩個脖子以及兩個眼。如果從仿生這一角度出發考慮，四自由度視覺裝置中的自由度應該為旋轉自由度，以此來提升裝置的反應速度。此外，在四自由度視覺裝置結構設計過程中，還需要切實保證攝像頭間距設置的合理性。通常情況下，兩個攝像頭之間的間距越大，那么目標物體在兩個攝像頭上的視差便會隨之變大。但是如果間距設置超出合理范圍，則容易導致裝置整個頭部的體積過大，不僅會降低其應用靈活性，其自身的慣性也會進一步加大。因此，在攝像頭間距設置時，一般會選擇人的雙目距離（100mm左右）作為參考。

1.2 雙目立體視覺裝置的設計

為了更好地實現四自由度視覺裝置的圖像伺服閉環控制目的，在雙目立體視覺裝置設計階段中，一般需要設計用于安裝雙目CCD攝像機的視覺裝置。本文研究的四自由度視覺裝置設計，其中包括四個自由度，其中兩個自由度分別為系統的回轉、俯仰自由度，另外兩個自由度則為控制攝像機轉動的自由度。這一過程中，對于系統回轉運動的設計，應該確保整個視覺裝置安裝在機器人實驗平臺的腰身頂部位置處，并且由57BYGH803步進電機1通過一級蝸輪巧以及蝸桿2減速，驅動軸14繞回轉軸線帶動攝像機實現轉動。對于系統俯仰運動的設計，需要借助步進電機通過一級蝸輪以及蝸軒12減速，驅動軸4繞回轉軸線帶動攝像機實現轉動。這一設計方式可以有效促進機器人在垂直平面內的視覺范圍進一步擴大。對于攝像機轉動的設計，需要借助兩個步進電機通過一級蝸輪、蝸桿以及減速，在驅動軸繞回轉軸線的情況下帶動攝像機完成轉動。這種設計方式可以將攝像機兩光軸的交點調整到目標物體上[2]。

2 四自由度視覺裝置控制系統的實現

四自由度視覺裝置控制系統設計中的硬件實現，需要綜合考慮四自由度視覺裝置的應用需求，在充分掌握裝配機器人控制系統設計需求以及結構設計內容的基礎上，開展相關操作。本次四自由度視覺裝置控制系統主要采用的是雙目BP33O型CCD攝像機，通過將其設置在同一平面內的方式，達到獲取目標物體邊界特征的目的，并且可以借助METEOR2/4圖像采集卡對圖像信息實施采集。這種情況下，四自由度視覺裝置控制系統中僅存在一個RGB通道，對此控制系統設計硬件的實現只需要黑白圖像，在RGB通道的R與G上分別連接兩只CCD攝像機，便可以滿足對目標圖像信息的同步采集要求。

除此之外，在四自由度視覺裝置控制系統硬件實現過程中，還需要通過對目標物體進行的位姿算法，同時結合操作臂規劃算法，確定最終的角度。而這一角度與四自由度視覺裝置控制系統操作臂的其實角度對比，可以進一步確定電機對應的轉角。按照設計要求和特定的控制變化規律，將電機對應的轉角轉換為電壓，便可以將其作為四自由度視覺裝置控制系統控制操作臂的期望值。在輸入控制電壓不斷提升的背景下，驅動隨之放大，從而四自由度視覺裝置控制系統控制操作臂對應的關節轉卡可以選擇PCL-839三軸智能步進電機驅動卡。由于PCL-839三軸智能步進電機驅動卡內的三個PCL-AK智能芯片，可以實現對裝置動作轉換的控制，所以可以將其經由板卡上的I/O寄存器，完成對四自由度視覺裝置控制系統每軸的控制。

3 總結

綜上所述，在本次四自由度視覺裝置結構設計與控制系統實現過程中，通過將雙目攝像機光軸置于同一平面內這一方式，可以在保證四自由度視覺裝置自身運動視野大、操作便捷以及控制簡單等優勢的基礎上，大大減少從圖像中獲得目標邊界特征的時間，在縮短匹配時間以及降低無匹配可能等方面，同樣發揮著積極的作用。但是四自由度視覺裝置在操作臂控制方面仍舊存在一定的誤差，因此還需要改進。

參考文獻：

[1]楊勇，盧銀輝.基于計算機視覺的輸煤皮帶人員跌落裝置的設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2018（18）：136-137.

[2]劉云.基于智能視覺在工業機械手裝置上的設計與應用[D].南昌大學，2018.

作者簡介：李晶晶（1995-），女，河北大名人，研究生在讀，研究方向：工業設計工程。