基于位置的机器人视觉伺服控制系统研究

自由漂浮空间机器人视觉伺服系统研究

第３８卷第２期一一一一一一一一一一一哈一尔一滨一工一程一大一学一学一报一一一一一一一一一一Ｖｏｌ．３８?．２ ２０１７年２月一一一一一 一一 一一一 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ一一一一一一一一一一一Ｆｅｂ．２０１７ 自由漂浮空间机器人视觉伺服系统研究 刘阳，谢宗武，王滨，刘宏，蔡鹤皋 （哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘一要：为了将动力学模块引入传统的视觉伺服控制算法，使其更加符合真实模型三本文以自由漂浮空间机器人视觉伺服为目标，分析了其系统组成与工作原理三采用广义雅克比的方法完成其速度级的运动学建模，并在６Ｄ空间下分析其动力学模型三机械臂采用ＰＤ与前馈控制完成笛卡尔空间点到点连续路径规划三借助双目手眼相机完成非合作目标位姿的提取，进而完成视觉伺服系统的搭建三本文算法可将机械臂控制算法引入到空间机器人视觉伺服系统，使得机器人控制更加方便，具有结构简单成本低等优点三通过搭建ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ仿真模型，实现了对期望轨迹的跟踪，验证了视觉伺服算法的正确性三 关键词：空间机器人；视觉伺服；自由漂浮；动力学；双目视觉ＤＯＩ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１６０５０２７ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．ｕ．２０１６１１１６．１６１３．００２．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＰ２４２．３一文献标志码：Ａ一文章编号：１００６－７０４３（２０１７）０２－０１５３－０７ Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｏｆａｆｒｅｅ?ｆｌｏａｔｉｎｇｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ ＬＩＵＹａｎｇ，ＸＩＥＺｏｎｇｗｕ，ＷＡＮＧＢｉｎ，ＬＩＵＨｏｎｇ，ＣＡＩＨｅｇａｏ （ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＳｙｓｔｅｍ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｄｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｒｏｂｏｔｔｏｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅａｕｔｈｅｎｔｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｆｒｅｅ?ｆｌｏａｔｉｎｇｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ，ｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｉｔｓｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ．ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＪａｃｏｂｉａｎｍａｔｒｉｘｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｒｅｅ?ｆｌｏａｔｉｎｇｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ，ａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆ６Ｄｓｐａｔｉａｌｖｅｃｔｏｒ．ＢａｓｅｄｏｎＰＤａｎｄｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗａｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｉｎＣａｒｔｅｓｉａｎｓｐａｃｅ．Ａｂｉｎｏｃｕｌａｒｈａｎｄ?ｅｙｅｃａｍｅｒａｓｙｓｔｅｍｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｐｏｓｅｏｆｔｈｅｎｏｎ?ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｗｈｉｃｈｆｕｒｔｈｅｒｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ．Ｖａｒｉｏｕｓｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｃａｎｂｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｔｈｅｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｔｈａｔｍａｋｅｓｉｔｍｏｒｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔａｎｄｔａｋｅｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｓｉｍｐｌｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｔｈｌｏｗｃｏｓｔ．ＢｙｂｕｉｌｄｉｎｇａＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｅｘｐｅｃ?ｔｅｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｈａｄｂｅｅｎｔｒａｃｋｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｄｔｈｅｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｒｉｇｈｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ；ｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏ；ｆｒｅｅ?ｆｌｏａｔｉｎｇ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ｂｉｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎ收稿日期：２０１６－０５－０９．网络出版日期：２０１６－１１－１６．基金项目：国家重点基础研究发展计划（２０１３ＣＢ７３３１０５）．作者简介：刘阳（１９９０－），男，博士研究生； 谢宗武（１９７３－），男，教授，博士生导师；王滨（１９７３－），男，副教授； 刘宏（１９６６－），男，教授，博士生导师， 长江学者计划 特聘教授； 蔡鹤皋（１９３４－），男，教授，博士生导师，中国工程院院士．通信作者：王滨，Ｅ?ｍａｉｌ：ｗｂｈｉｔ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 一一随着科学技术水平的发展，每年发射进入太空的航天器数目在逐渐增大三ＵＣＳ（ｕｎｉｏｎｏｆｃｏｎｃｅｒｎｅｄｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ）卫星数据显示［１］，截止到２０１６年１月１日，太空中活动卫星的数量为１３８１，其中４９３颗卫星运行于同步地球轨道三这些活动卫星中大约有６８％的卫星处于不受控状态，如废弃卫星二火箭残留物以及太空垃圾［２］三每年都有卫星由于发射失败 而无法正确进入轨道，从而造成大量的经济损失三此类卫星经过在轨维护，大多可以继续服务三 作为主要的在轨维护设备，空间机器人能够胜任卫星维修二能源补充二货物运输等多项太空任务［３－８］三随着太空任务的复杂化，宇航员的操作风险大大提高，利用空间机器人代替宇航员完成空间工作已成为当前空间探索的新趋势三中国将在未来五年内建成我国独立自主研发的空间站，空间站各舱段之间的组装依赖的也是空间机器人三 空间机器人是一个强非线性系统，其运动学与动力学之间存在着动力学耦合［９］三空间微重力环境下对其进行实时控制存在很大困难，同时风险高二难度大三视觉伺服的引入使得空间机器人在执行空间任务时变得智能化，能够根据不同的环境采取不 万方数据

交流伺服控制系统的三种控制方式

交流伺服控制系统的三种控制方式 交流伺服控制器主要由速度控制器、电流控制器和PWM生成电路组成。控制方式上交流伺服控制用脉冲串和方向信号实现。交流伺服控制系统有三种控制方式：速度控制、转矩控制和位置控制。 1.速度控制 速度控制方式主要以模拟量来控制。如果对位置和速度有一定的精度要求，用速度或位置模式较好;如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，则可选用速度控制。根据电动机的类型，调速控制系统也分不同类型，如异步电动机的变频调速和同步电动机的变频调速’异步电动机的变频调速分为笼型异步电动机的变频调速和PWM型变频调速。下面以PWM型变频调速为例来详细说明交流伺服控制原理。 图4-27给出了PWM调速系统示意图，主电路由不可控整流器UR、平波电容器C 和逆变器UI构成。逆变器输入为固定不变的直流电压%’通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和频率来实现调压和调频’同时减小三相电流波形畸变的输出。这种形式主电路特点如下。 ①由于主要电路只有一个功率控制级UI,因而结构简单。 ②由于使用了不可控整流桥，因而电网功率因数跟逆变器的输出大小无关。 ③逆变器在调频时实现调压，与中间直流环节的元件参数无关，从而加快了系统的动态响应。实际的变频调速系统一般都需要加上完善的保护以确保系统安全运行。 2.位置控制

在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电动机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，电动机轴端的编码器只检测电动机转速。由于位置模式对速度和位置都有很严格的控制，因而其主要应用于定位装置，如数控机床、印刷机械等。 3.转矩控制 转矩控制方式实际上就是通过外部模拟量的输入或直接的地址賦值来设定电动机轴输出转矩。例如10V对应5N ? m的话，当外部模拟量设定为5V时，电动机轴输出为2.5N ? m.如果电动机轴负载低于2.5N.m时电动机正转，外部负载等于2.5N ? m时电动机不转，大于2.5N*m时电动机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时改变模拟量的设定来改变设定力矩大小，也可通过通信方式改变对应的地址的数值来实现。转矩控制主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备。

伺服系统的发展及展望

伺服系统的发展及展望 摘要：本文主要介绍了伺服系统的三个发展阶段，包括步进电动机开环伺服系统阶段、直流伺服电动机闭环伺服系统阶段、无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统阶段，并分析了伺服系统的发展趋势：交流化、智能化、网络化、小型化。 关键词：伺服；智能化；小型化 伺服系统也叫位置随动系统，它的根本任务是实现执行机械对位置指令（给定量）的准确跟踪，当给定量随机变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量，是一个位置反馈控制系统[1]，主要包括电机和驱动器两部分，广泛用于航空、航天、国防及工业自动化等自动控制领域。随着电力电子、控制理论、计算机术等技术的快速发展以及电机制造工艺水平的不断提高，伺服系统近年来获得了迅速发展。 1伺服系统的发展阶段 伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段相联系，

由直流电机构成的伺服系统是直流伺服系统，由交流电机构成伺服系统是交流伺服系统。伺服电动机至今经历了三个主要发展阶段： 1.1 第一个发展阶段（20世纪60年代以前）：步进电动机开环伺服系统 伺服系统的驱动电机为步进电动机或功率步进电动机，位置控制为开环系统。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。 步进电机存在一些缺点：在低速时易出现低频振动现象；一般不具有过载能力；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象。 1.2 第二个发展阶段（20世纪60-70年代）：直流伺服电动机闭环伺服系统 由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。 1.3 第三个发展阶段（80年代至今）：无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统

伺服控制系统(设计)

第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置

基于图像的视觉伺服系统

基于图像的机器人视觉伺服系统研究 班级：自121 姓名：成佳宇 学号：3120413006

基于图像的机器人视觉伺服系统 摘要本文采用基于图像的眼在手（eye in hand）视觉伺服结构,通过计算图像雅克比矩阵实现机械手的定位任务。本文采用应用最广泛的机器人工具箱(Robotics Toolbox for Matlab)，在该工具箱的基础上,运用Sub-system实现Matlab和Simulink的有机结合，建立基于图像反馈的六自由度PUMA560机器人视觉伺服系统Simulink模型,仿真验证该模型的有效性。 关键字：puma560机器人；视觉伺服；图像的雅可比矩阵Abstract：In this paper,we use Image-based visual servoing control system, via image jacobin matrix function the positioning of the manipulator by calculation task. on the basis of Robotics Toolbox for Matlab, and using Sub - system to realize the organic combination of Matlab and Simulink, based on the image feedback Simulink model of six degrees of freedom PUMA560 robot visual servoing system, the simulation verify the validity of the model. Keyword：PUMA560robot；IBVS；Image jacobin 引言： 机器人视觉伺服己成为机器人领域重要的研究内容之一，但是机器人视觉伺服系统是一个十分复杂的非线性系统。视觉是一种复杂的感官,视觉信息中包含有大量的数据,要从 中提取特征信息,需要复杂的算法及耗费大量的运算时间,

运动伺服一般都是三环控制系统

运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环速度环位置环。 1、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID 调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。 2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。 3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器。 编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。 谈谈PID各自对差值调节对系统的影响： 1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。。。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。。。 2、单独的I（积分）就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，所以同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程，。。。这个环节最大的好处就是被调量最后是没有残差的。。。

机器人视觉伺服系统综述

机器人视觉伺服系统综述 摘要：对机器人视觉伺服系统进行阐述，介绍了机器人视觉伺服系统的概念、发展历程以及研究背景；并从不同的角度对机器人视觉伺服系统进行了分类。最后介绍了该领域的研究现状、所取得的成就，以及今后的发展趋势。 关键词：机器人；视觉伺服；综述 Survey of robot visual servoing system Abstract:: In this paper,the survey of robot visual servoing system are introduced.The paper reviews the concept and history background of robot visual servoing system.This article also classify the robot visual servo system from different aspects. Finally, it introduce the research status quo, achievements and future trends in the field. Key words:robot, visual servoing, summary 1．引言 随着先进科学技术的不断发展，机器人已经在生产和生活中起到了越来越重要的作用，因次人们不断对机器人技术提出更高的要求。为了使机器人能够完成更加复杂的工作，适应更加复杂的环境，机器人不仅需要更加完善的控制统，还需要能够更多的感知环境的变化。而影响其发展的一个重要原因就是机器人缺少像人一样的感知能力，在人们为机器人添加各种外部传感器的过程中，机器人视觉以其信息大、信息完整成为最重要的机器人感知功能[1]。 机器人的视觉伺服系统是机器人的视觉和机器人控制的相结合的复杂系统。其内容包括了图像的采集与处理、运动学和动力学、自动控制理论及其系统数据实时分析等领域于一体的新兴交叉学科。随着摄像技术和计算机技术的发展，以及相关理论的日益完善和实践的不断检验，视觉伺服已具备了在实际中应用的条件；而随着机器人应用领域的不断扩展，重要性也不断提高，与其相关技术问题已经成为了当前的研究热点[2]。所以实现机器人视觉伺服控制有相当的难度，是机器人研究领域中具有挑战性的课题。 2．机器人视觉伺服系统 2．1机器人视觉伺服系统的定义

工业机器人视觉系统

工业机器人及机器人视觉系统 人类想要实现一系列的基本活动，如生活、工作、学习就必须依靠自身的器官，除脑以外，最重要的就是我们的眼睛了，（工业）机器人也不例外，要完成正常的生产任务，没有一套完善的，先进的视觉系统是很难想象的。 机器视觉系统就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断。它是计算科的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。图像处理和模式识别等技术的快速发展，也大大地推动了机器视觉的发展。 机器视觉系统的应用 在生产线上，人来做此类测量和判断会因疲劳、个人之间的差异等产生误差和错误，但是机器却会不知疲倦地、稳定地进行下去。一般来说，机器视觉系统包括了照明系统、镜头、摄像系统和图像处理系统。对于每一个应用，我们都需要考虑系统的运行速度和图像的

处理速度、使用彩色还是黑白摄像机、检测目标的尺寸还是检测目标有无缺陷、视场需要多大、分辨率需要多高、对比度需要多大等。从功能上来看，典型的机器视觉系统可以分为：图像采集部分、图像处理部分和运动控制部分 工作过程 ?一个完整的机器视觉系统的主要工作过程如下： ?1、工件定位检测器探测到物体已经运动至接近摄像系统的视野中心，向图像采集部分发送触发脉冲。 ?2、图像采集部分按照事先设定的程序和延时，分别向摄像机和照明系统发出启动脉冲。 ?3、摄像机停止目前的扫描，重新开始新的一帧扫描，或者摄像机在启动脉冲来到之前处于等待状态，启动脉冲到来后启动一帧扫描。 ?4、摄像机开始新的一帧扫描之前打开曝光机构，曝光时间可以事先设定。

视觉伺服控制算法优化综述

视觉伺服控制算法优化综述 摘要：系统论述了视觉伺服控制的应用现状。重点介绍了针对不同的实际情况，提出优化的基于位置的视觉伺服系统和基于图像的视觉伺服系统的控制算法。优化后的算法效率高，具有很强的有效性和可行性。优化后的控制系统功能更强，更精确有效。 关键词：视觉伺服;优化;算法 Survey of Visual Servoing control algorithm Abstract:The application status of the visual servo control are reviewed . For different realities , we put fortward an improved position-based visual servo systems and image -based visual servo control algorithm of the system. High efficiency of the improved algorithm has strong effectiveness and feasibility. The improved control system functions stronger, and become more precise and effective. Keywords:Visual Servoing;improve;Algorithm

1 引言 随着科技的快速发展，在现代工业自动化生产过程中,机器视觉正成为一种提高生产效率和保证产品质量的关键技术,如机械零件的自动检测、智能机器人控制及生产线的自动监控等。 基于视觉的伺服策略是采用相机所观察的特征来控制机器人移动的一种灵活有效的方法。视觉伺服主要分为3种：基于位置的视觉伺服(PBVS)、基于图像的视觉伺服(IBVS)和混合控制视觉伺服。早期的研究主要是基于位置的视觉伺服研究，近年来主要是基于图像的视觉伺服研究。 PBVS的反馈偏差在3D笛卡尔空间进行计算，IBVS的反馈偏差在2D图像平面空间进行计算。PBVS 的控制方式直接在笛卡尔空间下进行位姿估计和运动控制，具有很好的直观性和简单有效性。IBVS的控制方式其期望给定值直接以图像特征信息表示，所以不需要将特征信息投影逆变换到工作空间的过程，因此基于图像的控制方式对标定误差和空间模型误差不敏感，具有更高地定位精度，为多数的视觉伺服系统所采用。 2 视觉伺服控制算法 在进行任何一个基于伺服控制的控制系统的分析、综合或设计时，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系，这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据。控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。 2.1 基于位置的视觉伺服算法的优化 对于不同的功能要求，采用传统的基于位置的视觉伺服控制算法，常常造成稳定性不够、精度不够、准确性不足等问题，我们需要对算法进行优化处理，来满足要求。 例如，针对家庭环境中服务机器人物品的抓取问题，提出一种改进的基于位置的视觉伺服抓取算法。该算法主要包括4个部分： 1.基于Naomark 标签的物体识别，根据Naomark的ID确定抓取方式，并利用世界单应分解算法对目标物位姿进行估计。 通过在具有不同形状和特征的各类物品上布置Naomark 标签的方式，可以实现被操作物的快速识别与定位，从而解决家庭环境中物品种类多、操作方式复杂带来的困难。 利用Hough 变换和边缘检测可以得到Naomark 的各特征点。 2.对NAO机器人的五自由度手臂进行运动学建模，计算出运动学正解和逆解。

机器人视觉伺服系统的控制结构

机器人视觉伺服系统的控制结构

机器人视觉伺服系统的控制结构 1 前言 对机器人视觉伺服系统的研究是机器人领域中的重要内容之一，其研究成果可直接用于机器人手—眼系统、移动机器人的自动避障及对周围环境的自适应、轨线跟踪等问题中。通常所说的机器视觉是指：自动获取并分析图像，以得到一组可对景物描述的数据或控制某种动作的数据。而视觉伺服则不同于机器视觉，它利用机器视觉的原理对图像进行自动获取与分析，以实现对机器人的某项控制为目的。正是由于系统以实现某种控制为目的，所以视觉伺服系统中的图像处理过程必须快速准确。 视觉伺服系统采用视觉反馈环形成闭环，在视觉反馈环中抽取某种图像特征。图像特征可以是点、曲线、图像上的某一区域等，比如，它可以是点在图像平面的坐标位置，或投影面的形心及其惯量的高次幂。 2 视觉伺服系统的分类 视觉伺服的控制策略主要基于以下两个问题： 1）是否采用分层控制结构？即机器人是否需要闭环关节控制器？进一步说，就是系统的视觉反馈是为机器人的关节控制闭环提供输入量，还是由视觉控制器直接控制机器人各关节。 2）误差输入量是以机器人所在空间的三维坐标表示，还是以图像特征？ 按控制策略2）区分，视觉伺服系统分为两类：基于位置的控制系统（position－based control，又称3D视觉伺服，3Dvisualservoing），基于图像的控制系统（image－base control，或称2D视觉伺服，2Dvisualservoing）。由于基于位置和基于图像的视觉伺服各有其优缺点，于是近年有学者综合上述两类视觉伺服系统的优点，设计出2-1/2D视觉伺服系统。 按控制策略1）区分，视觉伺服系统可分为动态观察—移动系统和直接视觉伺服。前者采用机器人关节反馈内环稳定机械臂，由图像处理模块计算出摄像机应具有的速度或位置增量，反馈至机器人关节控制器；后者则由图像处理模块直接计算机械壁各关节运动的控制量。 3 视觉伺服系统的控制结构 3.1 基于位置的视觉伺服控制结构

机器人视觉伺服技术发展概况综述

机器人视觉伺服技术发展概况综述 目前，在全世界的制造业中，工业机器人已经在生产中起到了越来越重要的作用。为了使机器人能够胜任更复杂的工作，机器人不但要有更好的控制系统，还需要更多地感知环境的变化。其中机器人视觉以其信息量大、信息完整成为最重要的机器人感知功能。 机器人视觉伺服系统是机器视觉和机器人控制的有机结合，是一个非线性、强耦合的复杂系统，其内容涉及图象处理、机器人运动学和动力学、控制理论等研究领域。随着摄像设备性能价格比和计算机信息处理速度的提高，以及有关理论的日益完善，视觉伺服已具备实际应用的技术条件，相关的技术问题也成为当前研究的热点。 本文对机器人视觉伺服技术进行了综述，介绍了机器人视觉伺服系统的概念及发展历程和分类，重点介绍了基于位置的视觉伺服系统和基于图像的视觉伺服系统。对机器人视觉所涉及的前沿问题做了概括，并指出了目前研究中所存在的问题及今后发展方向。 机器人视觉伺服系统 视觉伺服的定义： 人类对于外部的信息获取大部分是通过眼睛获得的，千百年来人类一直梦想着能够制造出智能机器，这种智能机器首先具有人眼的功能，可以对外部世界进行认识和理解。人脑中有很多组织参与了视觉信息的处理，因而能够轻易的处理许多视觉问题，可是视觉认知作为一个过程，人类却知道的很少，从而造成了对智能机器的梦想一直难以实现。随着照相机技术的发展和计算机技术的出现，具有视觉功能的智能机器开始被人类制造出来，逐步形成了机器视觉学科和产业。所谓机器视觉，美国制造工程师协会(sme society of manufacturing engineers)机器视觉分会和美国机器人工业协会(ria robotic industries association) 的自动化视觉分会给出的定义是： “机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置。”

伺服控制系统

伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。伺服电机工作原理: 伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 伺服使能，是伺服系统的输入信号，上位机输出信号给伺服系统使伺服系统处于使能状态，该信号有效时，驱动器控制电机绕组通电，允许接收其他控制指令；否则电机绕组断电，电机处于自由状态，为止偏差清零，不接收其他指令。 伺服准备好，是伺服系统的输出信号，当驱动器上电完成初始化，可以正常运行时，会输出该信号给上位机。

三菱伺服位置控制

细数三菱伺服绝对值位置控制系统 绝对值位置控制系统对于经常使用的点位控制系统来说，是一种非常方便实用的位置控制方式。一旦原点设置后，完毕每次停电后开机时，这种系统不需要回原点，大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列PLC是在实际中经常用到的伺服系统和控制器，本文讨论在某些特殊的应用场合，如何应用它们来构建一个绝对值位置控制系统。 控制任务简介 这是一个实际使用的控制任务，a点是设备的原始位置，b点是设备的工作位置。开始工作后，设备以位置控制方式移到工作位置b，然后，设备从b以速度控制方式点向a点移动。在移动过程中，执行一些其他的任务，当这些任务完成后在a与b之间的任一位置c点停止。然后以位置控制方式回到原始位置a点，这样整个工作循环结束。 控制平台 三菱j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列plc的功能和特性：三菱mr-j2s-a 系列的伺服系统中伺服电机的编码器为每转为131072线的绝对值编码器，伺服驱动器能够在停电情况下记住伺服电机的当前位置。该伺服系统有位置控制、速度控制和转矩控制三种运行方式。同时该伺服系统内置绝对位置专用传输协议，如果菱mr-j2s-a系列的伺服系统工作在位置方式，则可配合fx2n系列plc的dabs（读绝对位置）指令，在伺服驱动器通电后伺服on（son信号）有效时，plc中读出伺服电机的当前位置。但仅在son信号接通时的上升沿开始传输当前伺服电机位置一次，在son信号接通以后将不再传输伺服电机的当前绝对位置。伺服电机的当前绝对位置

由位置控制装置（如fx2n-1pg模块）根据发出的脉冲数来确定。这实际上是一个开环控制系统。在不发生报警或者脉冲传输不受到干扰的情况下，整个位置控制系统的位置将不会丢失。如果工作在速度控制方式则不能在son接通时读取伺服电机的绝对位置，在整个工作过程中，也无法确定取伺服电机的绝对位置。 任务分析 在本任务中，伺服驱动器将工作在位置控制和速度控制两种方式。a点和b点的定位操作，要求控制系统必需记住伺服电机的位置，但由于b点与c点之间的速度运行方式，使得传统的控制系统不能获知伺服电机的位置。因为尽管在位置方式位置控制器能确定伺服电机的位置，但在伺服驱动器从位置方式转变为速度方式后，位置控制器将不起作用，所以也无法确定伺服电机的位置。由于在整个控制过程中，既有位置控制方式，又有速度控制方式，所以典型的传统控制配置将不能满足本控制任务，必须采用一种新的控制方式来实现控制。 控制方案的硬件配置 上述问题的基本解决思路是通过plc与伺服驱动器的通讯方式，来实时读取伺服电机的当前实际位置，这样不管伺服系统处于位置控制方式，还是在速度控制方式，控制系统都能知道伺服电机的当前位置，从而使系统能正确地定位在a点和b 点。通过查阅资料，我们了解到三菱j2s系列伺服系统除了内置绝对位置专用传输协议外，还内置了三菱伺服通讯协议；三菱fx2n系列内置了无协议通讯指令（rs指令），所以我们可使用rs指令根据伺服驱动器的通讯协议来读取电机当前位置。 fx2n系列plc为主控制器，扩展特殊模块fx2n-1pg为定位模块，其输出为频率和脉冲数可控的定位脉冲。当plc主系统通过通讯方式获得伺服电机当前位置的前提下，能在定位指令的驱动下，驱动伺服电机到给定位置；扩展特殊模块fx2n-4da

伺服控制系统

交流伺服运动控制系统 班级电气5班 学号 2015345 姓名李宏阳

1.引言 随着社会的发展，伺服控制系统在现代社会的作用就越来越大，运用范围也越来越广。从最开始的主要运用与军事方面到工业的方方面面都离不开伺服控制系统。伺服系统最初是用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。 伺服控制系统在整个社会发展中的地位越来越重要，我们主要可以去了解控制策略、控制方法、系统设计(包括交直流伺服、数控、视觉伺服、液压伺服、.气动伺服、机器人伺服等系统)、伺服电动机(包括永磁同步电机、步进电机、直线电机、开关磁阻电机等电机的设计、新原理、新材料、新结构和电机磁场与性能分析及软件分析平台)、伺服控制前沿技术、行业信息、应用案例、伺服器件、传感器、工业通信、新产品等关于伺服控制系统的知识。 2.伺服运动控制系统简介 2.1概念 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统称为伺服控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。 2.2指标要求 （1）系统精度要高 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。在伺服控制系统中一般系统精度越高越好。 （2）稳定性要好 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力，在实际运用中我们希望系统的这一能力越强越好。 （3）响应速度要快 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。在生产运用中我们希望响应速度是越快越好。 （4）工作频率范围要宽 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围.当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求正常工作;而其它频率信号时，体统不能正常工作。根据我们的实际需求我们希望一个系统的工作频率的范围要比较宽，这样才能将伺服控制系统用于实际生产。 2.3体系架构

MATLAB电液位置伺服控制系统设计及仿真教案资料

M A T L A B电液位置伺服控制系统设计及仿真

数控机床工作台电液位置伺服控制系统设 计及仿真 姓名：雷小舟 专业:机械电子工程 子方向：机电一体化 武汉工程大学机电液一体化实验室

位置伺服系统是一种自动控制系统。因此，在分析和设计这样的控制系统时，需要用自动控制原理作为其理论基础，来研究整个系统的动态性能，进而研究如何把各种元件组成稳定的和满足稳定性能指标的控制系统。若原系统不稳定可通过调整比例参数和采用滞后校正使系统达到稳定，并选取合适的参数使系统满足设计要求。 1 位置伺服系统组成元件及工作原理 数控机床工作台位置伺服系统有不同的形式，一般均可以由给定环节、比较环节、校正环节、执行机构、被控对象或调节对象和检测装置或传感器等基本元件组成[1]。根据主机的要求知系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。 系统物理模型如图1所示。 图1 数控机床工作台位置伺服系统物理模型 系统方框图如图2所示。 图2 数控机床工作台位置伺服系统方框图 数控机床工作台位置伺服系统是指以数控机床工作台移动位移为控制对象的自动控制系统。位置伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体。数控机床的工作台位置伺服系统输出位移能自动地、快速而准确地复现输入位移的变化，是因为工作台输出端有位移检测装置（位移传感器）将位移信号转化为电信号反馈到输入端构成负反馈闭环控制系统。反馈信号与输入信号比较得到差压信号，然后把差压信号通过伺服放大器转化为电流信号，送入电液伺服阀（电液转换、功率放大元件）转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，从而使液压马达的四通滑阀有开口量就有压力油输出到液压马达，驱动液压马达带动减速齿轮转动，从而带动滚珠丝杠运动。因滚珠丝杠与工作台相连所以当滚珠丝杠 运动时，工作台也发生相应的位移。 2数控工作台的数学模型 2.1 工作台负载分析 工作台负载主要由切削力c F ,摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成，则总负载力为: a f c L F F F F ++=

机器人视觉系统方案

机器人视觉系统 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及零件识别应用，例如零配件批量加工的尺寸检查，自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动定位，IC上的字符识别等。通常人眼无法连续、稳定地完成这些带有高度重复性和智能性的工作，其它物理量传感器也难有用武之地。由此人们开始考虑利用光电成像系统采集被控目标的图像，而后经计算机或专用的图像处理模块进行数字化处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。这样，就把计算机的快速性、可重复性，与人眼视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。 一个成功的机器视觉系统是一个经过细致工程处理来满足一系列明确要求的系统。当这些要求完全确定后，这个系统就设计并建立来满足这些精确的要求。机器视觉的优点包括以下几点： ■精度高 作为一个精确的测量仪器，设计优秀的视觉系统能够对一千个或更多部件的一个进行空间测量。因为此种测量不需要接触，所以对脆弱部件没有磨损和危险。 ■连续性 视觉系统可以使人们免受疲劳之苦。因为没有人工操作者，也就没有了人为造成的操作变化。多个系统可以设定单独运行。 ■成本效率高 随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉系统成本效率也变得越来越高。一个价值10000美元的视觉系统可以轻松取代三个人工探测者，而每个探测者每年需要20000美元的工资。另外，视觉系统的操作和维持费用非常低。 ■灵活性 视觉系统能够进行各种不同的测量。当应用变化以后，只需软件做相应变化或者升级以适应新的需求即可。 许多应用满意过程控制（SPC）的公司正在考虑应用机器视觉系统来传递持续的、协调的和精确的测量SPC 命令。在SPC中，制造参数是被持续监控的。整个过程的控制就是要保证这些参数在一定的围。这使制造者在生产过程失去控制或出现坏部件时能够调节过程参数。 机器视觉系统比光学或机器传感器有更好的可适应性。它们使自动机器具有了多样性、灵活性和可重组性。当需要改变生产过程时，对机器视觉来说“工具更换”仅仅是软件的变换而不是更换昂贵的硬件。当生产线重组后，视觉系统往往可以重复使用 机器视觉系统的构成 机器视觉技术用计算机来分析一个图像，并根据分析得出结论。现今机器视觉有两种应用。机器视觉系统可以探测部件，在此光学器件允许处理器更精确的观察目标并对哪些部件可以通过哪些需要废弃做出有效的决定；机器视觉也可以用来创造一个部件，即运用复杂光学器件和软件相结合直接指导制造过程。

机器人视觉伺服系统

机器人视觉伺服系统 2014-2-18 15:28:29 浏览：112 目前，在全世界的制造业中，工业机器人已经在生产中起到了越来越重要的作用。为了使机器人能够胜任更复杂的工作，机器人不但要有更好的控制系统，还需要更多地感知环境的变化。其中机器人视觉以其信息量大、信息完整成为最重要的机器人感知功能。 机器人视觉伺服系统是机器视觉和机器人控制的有机结合，是一个非线性、强耦合的复杂系统，其内容涉及图象处理、机器人运动学和动力学、控制理论等研究领域。随着摄像设备性能价格比和计算机信息处理速度的提高，以及有关理论的日益完善，视觉伺服已具备实际应用的技术条件，相关的技术问题也成为当前研究的热点。 本文对机器人视觉伺服技术进行了综述，介绍了机器人视觉伺服系统的概念及发展历程和分类，重点介绍了基于位置的视觉伺服系统和基于图像的视觉伺服系统。对机器人视觉所涉及的前沿问题做了概括，并指出了目前研究中所存在的问题及今后发展方向。 机器人视觉伺服系统 视觉伺服的定义： 人类对于外部的信息获取大部分是通过眼睛获得的，千百年来人类一直梦想着能够制造出智能机器，这种智能机器首先具有人眼的功能，可以对外部世界进行认识和理解。人脑中有很多组织参与了视觉信息的处理，因而能够轻易的处理许多视觉问题，可是视觉认知作为一个过程，人类却知道的很少，从而造成了对智能机器的梦想一直难以实现。随着照相机技术的发展和计算机技术的出现，具有视觉功能的智能机器开始被人类制造出来，逐步形成了机器视觉学科和产业。所谓机器视觉，美国制造工程师协会(sme society of manufacturing engineers)机器视觉分会和美国机器人工业协会(ria robotic industries association) 的自动化视觉分会给出的定义是： “机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置。” 机器视觉作为与人眼类似的机器仿生系统，从广义角度凡是通过光学装置获取真实物体的信息以及对相关信息的处理与执行都是机器视觉，这就包括了可见视觉以及非可见视觉，甚至包括人类视觉不能直接观察到的、物体内部信息的获取与处理等。 机器人视觉发展历程 上个世纪60年代，由于机器人和计算机技术的发展，人们开始研究具有视觉功能的机器人。但在这些研究中，机器人的视觉与机器人的动作，严格上讲是开环的。机器人的视觉系统通过图像处理，得到目标位姿，然后根据目标位姿，计算出机器运动的位姿，在整个过程中，视觉系统一次性地“提供”信息，然后就不参与过程了。在1973年，有人将视觉系统应用于机器人控制系统，在这一时期把这一过程称作视觉反馈(visual feedback)。直到1979年，hill和park提出了“视觉伺服”(visual servo)概念。很明显，视觉反馈的含义只是从视觉信息中提取反馈信号，而视觉伺服则是包括了从视觉信号处理，到机器人控制的全过程，所以视觉伺服比视觉反馈能更全面地反映机器人视觉和控制的有关研究内容。 上个世纪80年以来，随着计算机技术和摄像设备的发展，机器人视觉伺服系统的技术问题吸引了众多研究人员的注意。在过去的几年里，机器人视觉伺服无论是在理论上还是在应用方面都取得了很大进展。在许多学术会议上，视觉伺服技术经常列为会议的一个专题。视觉伺服已逐渐发展为跨机器人、自动控制和图像