雙目立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的仿真分析

1、 設(shè)計(jì)與分析Sheji yu Fenxi雙目立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的仿真分析楊忠高賢海華程意麗（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510510）摘要：基于UG 平臺(tái)設(shè)計(jì)了具有三自由度的雙目立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并采用ADAMS 與MATLAB 軟件對(duì)該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以檢驗(yàn)其精度與合理性。關(guān)鍵詞：立體視覺；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；ADAMS ；MATLAB0引言讓計(jì)算機(jī)或機(jī)器人具有像人一樣的視覺，是科學(xué)家們一直追視覺傳感器技術(shù)、攝像技術(shù)以求與探索的目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、及立體視覺理論的發(fā)展，利用視覺傳感器來獲取環(huán)境圖像，并用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺信息的處理，從而形成立體視覺，逐漸使這一目標(biāo)14。本文采

2、用了目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)變成現(xiàn)實(shí)最常用的虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于3D 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)UG ，采用赫爾姆霍茨模型作為參考，設(shè)計(jì)了一種新型的具有三自由度的雙目立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，如圖1所示。n 姨計(jì)算得：0.78，n 5.02rad/s。t p （3）2平臺(tái)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果及其分析為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟蹤目標(biāo)物體時(shí)各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和頭部俯仰運(yùn)動(dòng)分別運(yùn)動(dòng)精度，在允許的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，對(duì)左右偏航、給定一個(gè)周期變化的正弦運(yùn)動(dòng)跟蹤要求。本文采用ADAMS 與5MATLAB 軟件對(duì)該平臺(tái)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。在分析中，對(duì)左右偏航和頭部俯仰運(yùn)動(dòng)的控制器設(shè)定整定參數(shù)。其中，左右偏航設(shè)置相同的參數(shù)：K p 1

3、40，T i 0.4，T d 1.5；頭部俯K p 22，T i 0.3，T d 1.2。仰參數(shù)：在MATLAB Simulink 中設(shè)置解算器的仿真算法為“0de15s （基于數(shù)值微分公式的變階算法）”，設(shè)定仿真時(shí)間為10s ，仿真運(yùn)行的結(jié)果如下：）立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)左右偏航的運(yùn)動(dòng)跟蹤曲線（圖3）。（11平臺(tái)控制系統(tǒng)方案在本設(shè)計(jì)中，平臺(tái)要求的“眼睛”左右偏航運(yùn)動(dòng)空間范圍是±60°、“頭部”俯仰運(yùn)動(dòng)空間范圍是±45°。“眼睛”左右偏航和“頭俯仰運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)擬采用步進(jìn)電機(jī)。該平臺(tái)的主要目標(biāo)是對(duì)偏部”航運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行精確控制，所以就要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度和

4、位置進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度和位置信息的實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋?？傮w的系統(tǒng)控制方案框圖如圖2所示。（2）立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)頭部俯仰的運(yùn)動(dòng)跟蹤曲線（圖4）。該控制方案采用的是一種“步進(jìn)電機(jī)+控制卡+驅(qū)動(dòng)器”的全伺服閉環(huán)控制方式，它由安裝在步進(jìn)電機(jī)軸后端的增量式編碼器來對(duì)電機(jī)進(jìn)行失步檢測(cè)，在步進(jìn)電機(jī)丟步時(shí)使其重新恢復(fù)到正確的位置點(diǎn)上。所以在本運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，每一個(gè)自由度都可以看作是一個(gè)帶位置反饋的伺服系統(tǒng)，即控制系統(tǒng)可按二階系統(tǒng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其控制傳遞函數(shù)為：C （s ）n 2（1）n n 按照設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)定系統(tǒng)的性能指標(biāo)，暫設(shè)定系統(tǒng)最大超調(diào)量為p 2%，峰值時(shí)間t p 1s ，根據(jù)公式（2）、（3）：p

5、 e姨（2）158Sheji yu Fenxi 設(shè)計(jì)與分析（3）圖5和圖6是立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)左右偏航與頭部俯仰電左右偏航電機(jī)施加的控制規(guī)機(jī)控制力矩隨時(shí)間變化曲線。其中，律是相同的，所以控制力矩曲線相同。最大的峰值。隨著靜摩擦變成動(dòng)摩擦，阻力下降，所以控制力矩輸出迅速下降，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程，這時(shí)系統(tǒng)也進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。從圖6中可以看出，在系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的頭部是在水平平衡位置上的。當(dāng)系統(tǒng)開始加速后，頭部因?yàn)楦┭鲞\(yùn)動(dòng)而失去平衡，所以瞬間電機(jī)的控制力矩輸出變大，當(dāng)頭部俯仰運(yùn)動(dòng)一直在垂直面反復(fù)時(shí)，重力慣性一直作用在平臺(tái)的頭部，故控制電機(jī)需要不斷調(diào)整控制力矩的輸出，以克服頭部的運(yùn)動(dòng)慣性，使其一直處在動(dòng)平

6、衡的狀態(tài)。3結(jié)語仿真分析結(jié)果表明本立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)行閉環(huán)控制后，可以得到平順的運(yùn)動(dòng)，避免由于運(yùn)動(dòng)的突變沖擊引起步進(jìn)電機(jī)的失步現(xiàn)象，有效保證了運(yùn)動(dòng)位置的控制精度，消除了位置振蕩現(xiàn)象，位置跟蹤迅速，效果明顯，從而保證了整個(gè)視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠平穩(wěn)達(dá)到預(yù)先期望的位置。仿真分析的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，證明了本立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)達(dá)到了運(yùn)動(dòng)范圍的要求，并為機(jī)器人視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)或類似的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了一個(gè)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的思路，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期，并提高了設(shè)計(jì)的精確度。參考文獻(xiàn)唐新星具有立體視覺的工程機(jī)器人自主作業(yè)控制技術(shù)研究：博士論文吉林：吉

7、林大學(xué)，賈云得機(jī)器視覺北京：科學(xué)出版社，朱正德零部件表面缺陷的機(jī)器視覺檢測(cè)?，F(xiàn)代零部件，（）：龍甫薈，鄭南寧計(jì)算機(jī)視覺模型的研究與發(fā)展信息與控制，（）：陳立平，等機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及應(yīng)用教程北京：清華大學(xué)出版社，20110325收稿日期：作者簡(jiǎn)介：楊忠高（1980），男，廣西人，博士研究生，講師，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化。從圖3、圖4中可以看出，在閉環(huán)控制系統(tǒng)下，對(duì)偏航運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)位置的控制是精確的，步進(jìn)電機(jī)沒有失步或超步。從圖5中可以看出，在開始系統(tǒng)加速時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)要克服傳動(dòng)鏈的靜摩擦力，所以需要一個(gè)較大的力矩輸出，這時(shí)控制力矩達(dá)到（上接第157頁）2.2軸承潤(rùn)滑性能下降的原因一般來說，

8、軸承潤(rùn)滑性能下降主要是由于軸承內(nèi)所填充的潤(rùn)滑脂中所含基礎(chǔ)油高溫蒸發(fā)或流失。因此，如何防止?jié)櫥械幕A(chǔ)油蒸發(fā)或流失成為本課題研究的重點(diǎn)。要防止?jié)櫥械幕A(chǔ)油流失，就必須提高軸承的密封性能，通常的做法是通過增加密封部位的過盈量，但過盈量的增加會(huì)使軸承在工作時(shí)摩擦力矩增大，產(chǎn)生大量的熱量，使軸承腔體長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，導(dǎo)致腔體中的潤(rùn)滑脂產(chǎn)生高溫氧化、結(jié)碳等問題，這同樣也會(huì)造成潤(rùn)滑脂性能下降，導(dǎo)致軸承噪音變大、壽命減短。另外，國(guó)產(chǎn)軸承密封唇的尺寸公差達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，又為了減小摩擦力矩而加大間隙，因此往往存在漏脂現(xiàn)象，且防塵性能較差。在實(shí)際工作中，我們甚至發(fā)現(xiàn)有的間隙超過1.4mm ，這就造成當(dāng)注脂

9、量較多時(shí)，漏脂嚴(yán)重，同時(shí)防塵性能很差；當(dāng)注脂量較少時(shí)，漏脂量雖很小，但防塵性能仍然不好。這也說明防塵與漏脂相對(duì)獨(dú)立，不能認(rèn)為漏脂率低，防塵效果就要解決上述矛盾問題，就要利用恰當(dāng)增加密封部位的過好。因此，盈量這一核心技術(shù)。2.3低溫升軸承的結(jié)構(gòu)要求軸承內(nèi)、外套圈密封槽的加工精度要求較高，位置尺寸控制要求嚴(yán)，因?yàn)樵摮叽缰苯記Q定了中間密封唇與軸承內(nèi)圈內(nèi)側(cè)的接觸量大小。接觸量太大，會(huì)導(dǎo)致軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力矩大，溫升高，造成軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂高溫氧化；反之，則會(huì)使軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂外泄，影響軸承的密封可靠性。3結(jié)語只有控制好軸承密封的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、加工精度及形位公差，才能達(dá)到一個(gè)良好的密封潤(rùn)滑效果，由此有效防止外界異物的入侵，并降低潤(rùn)滑系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于軸承的密封可靠性（防水、防塵）是既相互矛盾又相互統(tǒng)一的整體，所以，為在規(guī)定條件下滿足其既防水多內(nèi)唇、低溫升的軸承密又防塵的要求，在設(shè)計(jì)制造這種輕接觸、封結(jié)構(gòu)時(shí)必須綜合考慮各種要素。參考文獻(xiàn)胡亞杰，王志強(qiáng)，趙永極機(jī)械密封失效原因分析橡塑技術(shù)與裝備，（）薛正堂，李業(yè)文，衡傳