視覺是人類感知外界信息的重要手段坛掠，視覺伺服系統(tǒng)是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的關(guān)鍵組成部分颓蛀。本文主要討論仿人機(jī)器人BHR-1的視覺伺服系統(tǒng)步鸣。首先介紹機(jī)器人頭部的視覺總體結(jié)構(gòu)方案，然后論述了基于立體視覺的信息處理和頭部運(yùn)動(dòng)控制殃忠，最后通過目標(biāo)跟蹤和物體抓取實(shí)驗(yàn)說明了系統(tǒng)的可行性了奋。

總體方案及控制系統(tǒng)
　　仿人機(jī)器人的視覺伺服系統(tǒng)要求能夠根據(jù)具體環(huán)境和具體情況進(jìn)行主動(dòng)搜索，實(shí)時(shí)將攝像頭轉(zhuǎn)向目標(biāo)趾始，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤并獲取物體的三維位置信息秉馏，從而控制手臂實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的準(zhǔn)確抓取。
　　BHR-1)的頭部有2個(gè)自由度脱羡，面部放置兩只CCD攝像頭作為視覺傳感器來模擬人的眼睛萝究。機(jī)器人的手臂也是模仿人類的上肢設(shè)計(jì)的，具有7個(gè)自由度锉罐，肩關(guān)節(jié)3個(gè)自由度帆竹，肘關(guān)節(jié)2個(gè)自由度绕娘，腕關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)人類上肢的各種動(dòng)作栽连。機(jī)器人根據(jù)目標(biāo)的三維位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取险领。
仿人機(jī)器人BHR-1的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)物體的快速定位秒紧，需要完成圖像處理和運(yùn)動(dòng)控制的任務(wù)绢陌。一臺(tái)計(jì)算機(jī)將難以滿足快速定位的實(shí)時(shí)性要求，因此本文采用了雙計(jì)算機(jī)處理和Memolink通信方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熔恢，使用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別負(fù)責(zé)雙目立體視覺的信息處理和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制脐湾。Memolink是系統(tǒng)間進(jìn)行快速通信的一種有效解決方案。
機(jī)器人的視覺跟蹤以及目標(biāo)抓取的實(shí)現(xiàn)都依賴運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制绩聘。運(yùn)

圖2 系統(tǒng)總體方案

　　動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)視覺處理系統(tǒng)的處理結(jié)果董翻，控制機(jī)器人采取相應(yīng)決策。例如:頭部的兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)钱淳，以跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或者上肢手臂去抓取目標(biāo)。運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)以RT-Linux實(shí)時(shí)操作操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)几谐，保證了機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性恳瞄。
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)的被控對(duì)象是機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的角度，而關(guān)節(jié)是由電機(jī)帶動(dòng)的坊欢，因此被控對(duì)象實(shí)際上是帶動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度漩践，是一個(gè)位置伺服系統(tǒng)。
系統(tǒng)使用了一套多功能接口板甥归，將所有的A/D轉(zhuǎn)換肝唁、D/A轉(zhuǎn)換、ENC卑保、PWM处冰、32位IO等多種功能都集成在該接口板上，提高了系統(tǒng)的集成性并減小了系統(tǒng)體積和重量天俺。
在控制信號(hào)的輸入方面赞辩，由于控制的目的是為了機(jī)器人的頭部能夠跟蹤運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，因此實(shí)際上輸入量就是根據(jù)圖像處理子系統(tǒng)的處理結(jié)果得到的授艰，在圖像處理的過程中辨嗽，最終求得的目標(biāo)的位置就是后面運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)的輸入量。由于圖像處理子系統(tǒng)的處理結(jié)果本身就是數(shù)字量淮腾，運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)所得到的位置信息也是數(shù)字信號(hào)糟需，因此，這里不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程谷朝。
在反饋信號(hào)的輸入方面洲押，因?yàn)楸豢貙?duì)象是電機(jī)武花，確切的說是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，是位置控制诅诱，因此可以用電機(jī)上面的軸角編碼器的輸出作為反饋信號(hào)髓堪。軸角編碼器是一個(gè)測量電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度的器件，它以脈沖的方式來反饋電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度娘荡，電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度越大干旁，它輸出的脈沖個(gè)數(shù)就越多，反之炮沐，輸出的脈沖個(gè)數(shù)就越少朋暴。因此我們采用了接口板上的ENC(encoder)

圖3 機(jī)器人頭部運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)框圖

　　接口來作為反饋信號(hào)的輸入通道，它可以測量軸角編碼器的脈沖輸出個(gè)數(shù)碉伙。機(jī)器人頭部的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示下抬。

基于立體視覺的視覺信息處理
　　系統(tǒng)采用了基于立體視覺的解決方案，通過加入了深度信息真译，使得目標(biāo)的搜索結(jié)果更加準(zhǔn)確紧燎。系統(tǒng)使用了美國SRI人工智能中心所開發(fā)的一套高速的雙目立體視覺系統(tǒng)SVS(small vision system)。
　　圖像分割是物體識(shí)別的預(yù)處理階段猬蚤，是機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一戒款。該系統(tǒng)采用了基于顏色信息的閾值分割方法。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明执寺，對(duì)同一顏色屬性的物體区孩，在光源種類、照度洞惕、物體反射特性等不同條件下刑嚷，測得的RGB顏色值分布很分散本洁，很難確定識(shí)別RGB的閾值范圍槽邮。而HSV模型更接近人眼對(duì)顏色的感知，它將采集的顏色信息分為色調(diào)流椒、飽和度和亮度三種屬性量化流码，色調(diào)屬性H能比較準(zhǔn)確地反映顏色種類又官，對(duì)外界光照條件的變化敏感程度低，因此漫试，HSV較之RGB更適合于用做識(shí)別處理的基礎(chǔ)六敬。本文采用HSV模型作為顏色識(shí)別處理的基礎(chǔ)，選取其中的參數(shù)H和V作為識(shí)別處理的判別依據(jù)驾荣。RGB空間中一點(diǎn)到HSV空間中一點(diǎn)的具體轉(zhuǎn)化關(guān)系如下:
V=max(r,g,b)外构，V′= min(r,g,b);
If V= 0 or V = V′then H=0, S=0;
If r = V then H=(g－b)/(V－V′);
If g= V then H=2+ (b－r)/(V－V′);
If b = V then H=4+ (r－g)/(V－V′), H=H×60;
If H <0 then H=H+360, S=(V－V′)/V
　　系統(tǒng)首先離線采樣目標(biāo)圖像區(qū)域，將該局部彩色圖像從RGB模型轉(zhuǎn)化為HSV模型播掷，對(duì)其中H审编、S兩個(gè)分量分別作直方圖撼班，得到選定區(qū)域的H、S閾值垒酬，這是一個(gè)離線的學(xué)

圖4 視覺處理流程圖

習(xí)過程砰嘁。在隨后的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別中，H薛苫、S閾值根據(jù)前一個(gè)視覺周期的彩色圖像實(shí)時(shí)更新以適應(yīng)新的光照條件鹤梯。
　　視覺處理系統(tǒng)的流程圖如圖4所示，系統(tǒng)使用攝像頭來采集圖像排貌，在對(duì)圖像進(jìn)行一系列的預(yù)處理之后犬洽，對(duì)其進(jìn)行區(qū)域分割，以得到多個(gè)區(qū)域投谅，再搜索這些區(qū)域纪萎，根據(jù)已知目標(biāo)特征找到目　　標(biāo)所在的區(qū)域。如果找到蘑劲，則控制機(jī)器人頭部面向目標(biāo)虹限，同時(shí)更新目標(biāo)的特征，以用來在下次搜索時(shí)使用似魄，如果沒有找到相匹配的目標(biāo)壤牙，則可能目標(biāo)被暫時(shí)隱藏或丟失，這時(shí)開始下一次處理竿靠，以等待目標(biāo)再次出現(xiàn)。
　　因?yàn)橐曈X處理系統(tǒng)處理的是上一個(gè)周期的圖像霍衫，所以得到的目標(biāo)坐標(biāo)也是上一個(gè)周期的坐標(biāo)候引，如果用此方向坐標(biāo)來作為運(yùn)動(dòng)控制的輸入，則頭部運(yùn)動(dòng)始終滯后一個(gè)周期敦跌。為了加快系統(tǒng)的速度澄干，本文采用了比例微分控制，系統(tǒng)地輸入輸出函數(shù)為:
Iα(k＋1)＝kp eα(k)＋kd(eα(k)－eα(k-1))
Iβ(k＋1)＝kp eβ(k)＋kd(eβ(k)－eβ(k-1))
eα(k)＝αk－αk’,eβ(k)＝βk－βk’
式中Iα(k＋1)和Iβ(k＋1)為在t(k＋1)時(shí)間上控制系統(tǒng)的輸出;(αk,βk)表示在時(shí)間 t(k)目標(biāo)的方向坐標(biāo);(αk’, βk’)該時(shí)刻二自由度機(jī)構(gòu)的方向坐標(biāo);eα(k)和eβ(k) 分別表示該時(shí)刻頭部位置與目標(biāo)位置之間的偏差;kp和kd分別為控制系統(tǒng)的比例系數(shù)和微分系數(shù)柠傍。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)kp和kd麸俘，kd＜＜kp，系統(tǒng)可以既有較高的反應(yīng)速度惧笛，同時(shí)又具有穩(wěn)定性从媚。
運(yùn)動(dòng)控制過程
　　根據(jù)前面的敘述，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程是一個(gè)循環(huán)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集患整，實(shí)時(shí)決策拜效，實(shí)時(shí)控制的過程，在本系統(tǒng)中各谚，根據(jù)所選用器件的具體情況紧憾，假設(shè)對(duì)所有的控制環(huán)完成這樣的一個(gè)循環(huán)大約需要m毫秒的時(shí)間左右到千。在視覺信息處理系統(tǒng)中，處理一幀圖像平均需要n毫秒左右的時(shí)間块生，由于視覺處理和運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的特點(diǎn)的不同稻诚，n>>m，也就是說視覺處理的周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)動(dòng)控制的周期廓蒜。在一個(gè)視覺處理的周期內(nèi)辖狞，系統(tǒng)可以完成多個(gè)控制周期的處理。因此在一個(gè)視覺處理周期之后漓蜗，系統(tǒng)應(yīng)該做好下一個(gè)視覺處理周期之內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃岳散，也就是做好后面多個(gè)控制周期之內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，這樣才能保證機(jī)器人的頭部以均勻螃恕、平緩眠煮，同時(shí)又是準(zhǔn)確的速度來跟蹤目標(biāo)。
控制系統(tǒng)軟件流程如圖5所示膳几。
　　在每一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制周期內(nèi)茴审，程序都首先要查看Memolink，看視覺信息處理系統(tǒng)是否有新的處理結(jié)果通過Memolink傳遞到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)启疙，如果沒有躁绸，程序就按照預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng);如

圖5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的軟件流程

　　果有，程序就先要根據(jù)視覺系統(tǒng)的處理結(jié)果來修改運(yùn)動(dòng)規(guī)劃臣嚣。為了使機(jī)器人頭部的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)净刮，我們把每次預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所規(guī)劃的時(shí)間定為略大于視覺處理的平均周期，這樣就能夠保證系統(tǒng)在每次新的視覺處理結(jié)果到來之時(shí)硅则，原有的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃還沒有執(zhí)行完淹父。從而使只要目標(biāo)在不斷運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人頭部便可以處于不斷運(yùn)動(dòng)過程中怎虫，避免了機(jī)器人頭部時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的現(xiàn)象暑认。
隨后程序分別讀取規(guī)劃和反饋，根據(jù)兩者之差來求得控制量大审，再發(fā)出控制信號(hào)蘸际，控制機(jī)器人頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)。
對(duì)于控制量的求法程序采用了傳統(tǒng)的PID算法徒扶，設(shè)t(k)為第k個(gè)運(yùn)動(dòng)控制周期時(shí)刻粮彤，在t(k)時(shí)間上，系統(tǒng)的輸出量為Yk酷愧，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的規(guī)劃量為Xk逛径，依據(jù)PID算法，在t(k＋1)時(shí)間上濒垫，系統(tǒng)的輸出Yk＋1為
Yk＋1＝KP(Xk－Yk)＋Ki∑(Xk－Yk)＋Kd(Xk－Yk－Xk-1＋Yk-1)
　　上式中KP匕憋，Ki远燕，Kd分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)族帅，微分系數(shù)奖放。在一個(gè)控制系統(tǒng)中，一定大小積分系數(shù)可以使系統(tǒng)沒有殘差廊睹，但會(huì)降低響應(yīng)速度;而一定大小的比例系數(shù)可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度砚粒，并能根據(jù)輸入的變化提前做出響應(yīng)，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定贤疆。因此在結(jié)果可以接受的情況下益柳，應(yīng)該只使用比例系數(shù)，如果結(jié)果達(dá)不到要求再使用積分系數(shù)和微分系數(shù)枫演。

實(shí)驗(yàn)
　　本系統(tǒng)中捕谢，視覺信息處理系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分別適用Windows和RT-Linux作為軟件開發(fā)平臺(tái)。RT-Linux是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)酵熙，使用它可以滿足運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性轧简，而Windows系統(tǒng)的強(qiáng)大的多媒體功能使其成為圖像處理的平臺(tái)。視覺信息處理計(jì)算機(jī)的CPU為PⅣ 2.4GB,內(nèi)存512M;運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的CPU為PⅢ 700MHz匾二，內(nèi)存256M;Memolink是連接視覺處理系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的橋梁哮独，我們選用的產(chǎn)品采用PCI接口，最大傳輸速率為1Mbytes/s察藐。攝像頭為SVS視覺處理系統(tǒng)皮璧，每秒鐘采樣15幀。
SVS視覺處理系統(tǒng)安裝才2自由度的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上分飞，該機(jī)構(gòu)在2個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)足以使其指向任何方向恶导，因此可以實(shí)現(xiàn)跟蹤物體。BHR-1的頭部的三維尺寸為寬19cm浸须，高27cm，深19cm邦泄，重量2.8kg删窒，以上數(shù)據(jù)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、軸承顺囊、電機(jī)很撩、攝像機(jī)等。
　　利用該系統(tǒng)跟蹤和定位物體時(shí)端辛，圖像的處理速度為每秒鐘10幀咨只，視覺伺服周期為100ms左右，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的伺服周期是3ms希没，近距離的定位精度較高械拉，最高精度為1m處3‰佳绩。圖6為BHR-1的頭部跟蹤和物體定位實(shí)驗(yàn)。
　　為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的視覺定位與動(dòng)作規(guī)劃的方法的有效性鸿铐，BHR-1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的抓取試驗(yàn)(如圖7)舰搜，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)過程中胞仅，視覺系統(tǒng)將目標(biāo)物體的三維信息通過memolink傳遞給運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)蚪桐，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)上面提出的方法規(guī)劃數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)抓取物體。
結(jié)語
　　本文給出了一種基于雙目視覺的物體的跟蹤和定位方案唁映。雙目視覺用于獲取目標(biāo)物體的三維空間信息紫侵，實(shí)現(xiàn)物體的定位。這個(gè)系統(tǒng)采用了雙計(jì)算機(jī)處理和Memolink 通訊方式蜂大，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別進(jìn)行視覺信息處理和運(yùn)動(dòng)控制闽铐，保證了系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度。