高德鵬，杜慶安，吳　銳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱　150000;2.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津　300000)

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月球六分之一微重力環(huán)境模擬裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

高德鵬1，杜慶安2，吳銳1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150000;2.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津300000)

摘要：為了對在月球上工作的機(jī)械臂進(jìn)行地面仿真實驗，設(shè)計并實現(xiàn)了一套懸吊式的、以視覺伺服方式作為隨動控制系統(tǒng)的月球六分之一微重力模擬裝置；為了能夠滿足高精度、大視場、大景深、高頻率的成像條件，設(shè)計了以LED光源主動發(fā)光為基礎(chǔ)的目標(biāo)標(biāo)志器以及基于激光測距儀及雙相機(jī)多傳感器融合的視覺測量系統(tǒng)，提出了一套目標(biāo)識別、檢測和位置測量的方法；采用PMAC運動控制卡作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器，實現(xiàn)對電機(jī)的數(shù)字PID控制；經(jīng)過試驗驗證，所設(shè)計的系統(tǒng)操作簡單、運行穩(wěn)定、微重力模擬精度高。

關(guān)鍵詞：微重力模擬；視覺伺服；隨動系統(tǒng)

0引言

隨著我國探月工程的發(fā)展，對月球微重力環(huán)境的模擬變得越來越重要。懸吊法是目前各國進(jìn)行微重力模擬的主要方法[1]，在懸吊法模擬過程中懸吊點必須跟隨被測試目標(biāo)的運動，由于隨動偏差的存在將導(dǎo)致吊絲在水平方向產(chǎn)生一干擾力矩，破壞微重力模擬的力學(xué)環(huán)境，因此如何減小隨動偏差是懸吊式微重力模擬的關(guān)鍵。

近年來，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識別、計算機(jī)視覺等領(lǐng)域的快速發(fā)展，以視覺測量作為反饋的視覺伺服系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。視覺伺服系統(tǒng)與其他伺服系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢：可以實現(xiàn)非接觸的測量、精度高、且具有良好的魯棒性[2]。本文設(shè)計的月球六分之一微重力環(huán)境模擬裝置，采用視覺伺服的方式作為隨動控制系統(tǒng)，克服了懸吊式微重力模擬裝置工作過程中隨動偏差大、模擬精度低的的缺點。

1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于懸吊式微重力模擬方法，根據(jù)支架結(jié)構(gòu)的不同，可以分為極坐標(biāo)式和直角坐標(biāo)式，極坐標(biāo)式相對于直角坐標(biāo)式占地面積小、運動靈活，因此在這里我們選用極坐標(biāo)式，該形式的重力補償裝置主要包括支撐立柱、懸臂、吊車、吊索、配重以及滑輪組其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1重力補償裝置結(jié)構(gòu)圖

在懸吊式微重力模擬過程中，隨動系統(tǒng)的主要任務(wù)是盡量使連接機(jī)械臂的吊索保持與鉛垂線方向平行，避免吊索產(chǎn)生水平方向的分力，破壞機(jī)械臂的受力環(huán)境，為此必須減小吊車與機(jī)械臂在水平方向上位置偏差。

由于視覺測量具有非接觸的特點，避免了在吊索上安裝傳感器帶來的附加力矩的影響，且視覺測量相對于其他光學(xué)測量方法而言結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)，因此隨動系統(tǒng)采用視覺伺服的方式。根據(jù)產(chǎn)生偏差信號位置的不同，可以將視覺伺服系統(tǒng)分為基于位置的視覺伺服和基于圖像的視覺伺服?；谖恢玫囊曈X伺服系統(tǒng)的偏差信號產(chǎn)生于笛卡爾空間，反饋系統(tǒng)從視覺信息中得出操作對象在笛卡爾空間中的期望位姿，該位姿與實際位姿的偏差作為控制量，該方式控制器設(shè)計簡單，應(yīng)用十分方便[2-4]?；谖恢盟欧碾S動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于位置的隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)可以分為控制子系統(tǒng)和測量子系統(tǒng)兩部分，測量子系統(tǒng)作為隨動系統(tǒng)的反饋主要負(fù)責(zé)采集圖像并從圖像中得到操作對象的實際位姿；控制子系統(tǒng)分為視覺控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，將位姿偏差作為輸入控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際運動。

2測量子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

圖像采集頻率低、圖像處理時間長是影響視覺伺服應(yīng)用的主要原因，如何選取合適的圖像特征保證圖像處理的速度和目標(biāo)定位的精度是測量子系統(tǒng)的關(guān)鍵，針對該問題設(shè)計了特定的目標(biāo)標(biāo)志器和一套圖像處理算法。

2.1測量子系統(tǒng)的組成

測量子系統(tǒng)包括“臂上模塊”和“吊點模塊”，臂上模塊包括相機(jī)、激光測距儀和電源；吊點模塊包括目標(biāo)標(biāo)志器和電源。

目標(biāo)標(biāo)志器采用圓形對稱狀結(jié)構(gòu)，直徑200 mm，圓周上均勻分布著8個LED光源，中間開孔吊裝在吊索上，在負(fù)載拉力作用下標(biāo)志器將與吊索垂直，標(biāo)志器采用輕質(zhì)鋁盤制成，加工過程中盡量減少質(zhì)量以避免標(biāo)志器重心偏移對吊索拉力的影響。

根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)指標(biāo)要求視覺測量范圍為3~8.5 m，在如此大的景深范圍內(nèi)單獨一個相機(jī)很難同時保證視場范圍和分辨率，因此設(shè)計了雙相機(jī)模式，包括一個長焦相機(jī)和一個短焦相機(jī)，相機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　相機(jī)參數(shù)

長焦鏡頭為50 mm，在8.5 m處側(cè)向位移分辨率可達(dá)0.627 3 mm；短焦鏡頭為25 mm，在3 m距離處視場可達(dá)856.8×645.6 mm。當(dāng)成像距離大于5.25 m時采用長焦相機(jī)，否則采用短焦相機(jī)。

由于單獨一個相機(jī)對成像距離不敏感，計算目標(biāo)的三維坐標(biāo)時誤差比較大，所以測量系統(tǒng)配備了激光測距儀，用來測量相機(jī)到目標(biāo)的實際距離，采用深圳盈勤科技有限公司生產(chǎn)的RWRFA-10型號的激光測距儀，測量范圍為0.1~10 m，精度1 mm。

2.2圖像處理算法

如何能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的圖像處理算法是解決視覺伺服頻率低、延遲大的關(guān)鍵因素。

2.2.1特征選擇

由于目標(biāo)標(biāo)志器的結(jié)構(gòu)已知，所以我們選擇每個光斑的質(zhì)心和標(biāo)志器的形狀作為待檢測的特征，光斑所在圓的圓心即為標(biāo)志器的中心，這樣的特征容易識別、對位置比較敏感且充分利用了目標(biāo)的結(jié)構(gòu)信息增加了特征的冗余，能夠保證快速準(zhǔn)確的目標(biāo)定位[2]。

2.2.2滑動窗設(shè)置

為了能夠提高目標(biāo)檢測的速度，增加系統(tǒng)的實時性，需要根據(jù)當(dāng)前幀中目標(biāo)的位置，對下一幀中目標(biāo)的位置進(jìn)行估計，在此采用8個跟蹤窗口，每個窗口對應(yīng)一個光斑。由于本系統(tǒng)中的機(jī)械臂運動屬于準(zhǔn)靜態(tài)過程，相鄰兩幀中目標(biāo)移動較少，且光斑大小基本不變，所以窗口的尺寸設(shè)定為略大于光斑的直徑，窗口的中心與光斑中心重合，這樣下一幀中只需要在跟蹤窗口內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)檢測，這樣既減小了噪聲的影響又提高了運算速度[5]。

2.2.3光斑質(zhì)心的計算

采用質(zhì)心法計算每個光斑的質(zhì)心，設(shè)子窗口區(qū)域內(nèi)的零階矩為m00，沿水平方向和垂直方向的一階矩分別為m10和m01，目標(biāo)圖像的灰度值用f(i,j)表示，那么可以通過式(1)和式(2)求子窗口中光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(x,y)。

(1)

(2)

2.2.4標(biāo)志器中心的計算

最小二乘法(又稱最小平方法)是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。根據(jù)標(biāo)志器的結(jié)構(gòu)可知，8個光斑所在圓的圓心即為標(biāo)志器的中心，因此采用最小二乘法來擬合光斑所在的圓，進(jìn)而求得標(biāo)志器的中心坐標(biāo)[6]。

2.3目標(biāo)位姿估計

對于基于位置的視覺伺服系統(tǒng)，必須知道目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系下的位姿，給系統(tǒng)提供反饋信息，才能實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。由于整個隨動系統(tǒng)構(gòu)成了一個極坐標(biāo)系，因此必須將機(jī)械臂在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系下，以便于計算電機(jī)的控制量。為了便于說明首先給出個坐標(biāo)系的定義。

1)工作坐標(biāo)系(極坐標(biāo)系)OθR：以隨動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸與懸臂的交點為原點，懸臂方向為徑向建立的極坐標(biāo)系為工作坐標(biāo)系。

2)相機(jī)坐標(biāo)系Oxyz：不考慮相機(jī)安裝過程中的誤差，可以認(rèn)為相機(jī)坐標(biāo)系的原點位于懸臂中心，Y軸沿懸臂徑向，Z軸垂直向下，原點隨著吊車的移動而移動。

由于本系統(tǒng)只需要在水平方向隨動，所以可以不考慮Z軸，兩個坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3　坐標(biāo)系位置關(guān)系圖

如圖所示相機(jī)中心點坐標(biāo)為O(θ0,R0)，標(biāo)志器中心點在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)p(x,y)根據(jù)攝像機(jī)針孔模型可以很容易求得，對應(yīng)的在極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為p(θ,R)，其表達(dá)式如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

綜上所述，測量子系統(tǒng)的工作流程主要包括如下幾個步驟：

1)激光測距儀測量相機(jī)到目標(biāo)的距離；

2)根據(jù)激光測距儀側(cè)得的結(jié)果選擇相應(yīng)相機(jī)采集的圖像；

3)如果第2步選擇的相機(jī)由于意外情況沒有采集到圖像，則選擇另外一個相機(jī)采集的圖像；如果兩個相機(jī)均沒有采集到圖像，則給出丟失目標(biāo)的提示；

4)計算標(biāo)志器中心坐標(biāo)；

5)坐標(biāo)變換，得到標(biāo)志器中心在極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

3控制子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

如何能夠控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速、準(zhǔn)確地按照系統(tǒng)給定的控制量運動，是隨動系統(tǒng)能否滿足精度要求的關(guān)鍵問題。

為了簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計，將控制系統(tǒng)分為兩個部分：視覺控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器。視覺控制器根據(jù)采集到的圖像信息，計算吊車跟蹤機(jī)械臂運動所需要的速度和位移；執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器負(fù)責(zé)電機(jī)的具體執(zhí)行。控制子系統(tǒng)的組成如圖4所示。

圖4　控制子系統(tǒng)組成圖

如圖4所示，控制子系統(tǒng)形成了雙層反饋：執(zhí)行機(jī)構(gòu)級的速度/位置反饋、視覺控制級的圖像反饋，保證了整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

3.1視覺控制器的設(shè)計

為了實現(xiàn)懸吊點對目標(biāo)的精確跟蹤，必須對吊車的速度和位置進(jìn)行閉環(huán)控制，因此水平隨動系統(tǒng)采用了位移控制和速度控制兩種控制策略，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了位移和速度的雙閉環(huán)。

3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器直接負(fù)責(zé)電機(jī)的執(zhí)行，由于系統(tǒng)要求響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差小、能夠穩(wěn)定地長時間工作，因此綜合考慮各種控制方法的優(yōu)缺點，最后選擇了控制簡單、穩(wěn)定性好、誤差小的數(shù)字PID控制器。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器采用PC機(jī)+PMAC控制卡的方式實現(xiàn)，PMAC的全稱是可編程多軸控制器(Programmable Multi-Axis Controller)，是由美國Delta Tau公司于1990年推出的，基于PC機(jī)以及Windows操作系統(tǒng)的多軸、多通道開放式運動控制器，包括一個數(shù)字信號處理器、機(jī)器接口、存儲器、數(shù)字電子電路、電力電子電路，可以同時與多個主機(jī)通訊，支持多種通訊協(xié)議，包括USB/PCI/ISA總線通訊、Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊、RS232串口通訊[7]?；赑C機(jī)和PMAC的控制系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5基于PC機(jī)和PMAC的控制系統(tǒng)組成圖

4實驗分析

本文所設(shè)計的月球六分之一微重力模擬裝置支撐立柱高9 m，懸臂長4.85 m，懸臂系統(tǒng)總質(zhì)量443.3 kg，懸臂系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量為1 190 kg·m2，懸臂轉(zhuǎn)動范圍±90°。旋轉(zhuǎn)方向的運動采用伺服直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動，直線方向的運動采用伺服電機(jī)配減速機(jī)帶動同步帶的方式驅(qū)動。

為了驗證系統(tǒng)的性能，首先必須對系統(tǒng)安裝過程中的誤差進(jìn)行標(biāo)定，主要包括兩部分：標(biāo)志器零位標(biāo)定和懸臂傾角標(biāo)定。

4.1標(biāo)志器零位標(biāo)定

由于安裝位置的限制，吊絲和相機(jī)光軸不在同一條直線上，而是在兩條近似平行的直線上，導(dǎo)致不同高度下標(biāo)志器中心在圖像上的零點位置不一樣，因此必須對不同高度下標(biāo)志器的零位進(jìn)行標(biāo)定。由于相機(jī)光軸和吊絲近似平行，所以標(biāo)志器零點坐標(biāo)可以用一條和高度相關(guān)的直線進(jìn)行擬合，實際的標(biāo)定過程中采集不同高度下的標(biāo)志器零位坐標(biāo)，利用最小二乘法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，可以得到一條關(guān)于高度的函數(shù)，利用該函數(shù)便可以計算得到任意高度下標(biāo)志器在圖像上的零位。

4.2懸臂傾角標(biāo)定

由于受到吊絲負(fù)載、懸臂加工精度以及安裝誤差的影響，導(dǎo)致懸臂出現(xiàn)傾斜，懸臂的傾角主要與懸臂當(dāng)前位置和力臂有關(guān)，標(biāo)定過程主要針對這兩個因素進(jìn)行標(biāo)定。

由于懸臂傾角和懸臂位置以及力臂之間是非線性關(guān)系，所以標(biāo)定過程中在不同位置和力臂下測量多組數(shù)據(jù)，利用最小二乘法分別進(jìn)行多項式擬合，便可以得到傾角與力臂以及懸臂位置的關(guān)系，在系統(tǒng)的實際工作過程中力臂以及懸臂位置可以通過編碼器獲得。

4.3隨動系統(tǒng)的測試

測試所用的機(jī)械臂的參數(shù)如下所示：

關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速：0.02°/s~0.2°/s；

最大加速度：0.2°/s2；

質(zhì)量：40 kg.

為了測試隨動系統(tǒng)的性能，設(shè)計了如下所示的測試方案。

1)標(biāo)志器下端連接機(jī)械臂，旋轉(zhuǎn)吊車至標(biāo)志器正上方，此時吊車與標(biāo)志器之間的偏移量為零；

2)控制機(jī)械臂模擬實際工作情況下的運動；

3)隨動系統(tǒng)開始工作，記錄標(biāo)志器與吊車之間的偏移量，直至測試結(jié)束。

測試過程中標(biāo)志器實際成像如圖6所示。

圖6　標(biāo)志器實際成像

左側(cè)的像為原始圖像，右側(cè)的像為最小二乘圓擬合的結(jié)果。

實際的測試結(jié)果如圖7所示。

圖7　測試結(jié)果

圖中，縱軸表示吊車與標(biāo)志器中心點之間的偏差，從圖中可以看出吊點相對于標(biāo)志器前后震蕩，開始是振幅較大，最大振幅可以達(dá)到1.3 mm隨著時間的增長，振幅逐漸減小，大約3 s后，振幅穩(wěn)定在0.5 mm之內(nèi)，該誤差滿足系統(tǒng)設(shè)計的精度要求。

5結(jié)論

本文從機(jī)械臂重力補償?shù)膶嶋H應(yīng)用出發(fā)，針對月球六分之一微重力環(huán)境的模擬試驗，結(jié)合視覺伺服控制的基本原理和方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于視覺伺服的月球六分之一微重力環(huán)境模擬裝置，經(jīng)過試驗驗證，本系統(tǒng)完成了月球機(jī)械臂微重力模擬的基本要求，滿足系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)，為月球機(jī)械臂地面模擬試驗提供了有力的支持。

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Design and Implementation of one-sixth Microgravity Environment Simulator on Moon

Gao Depeng1, Du Qingan2, Wu Rui1

(1.Harbin Institute of Technology, Harbin150000, China;2.Tianjin Aerospace and Electrical Equipment Research Institute, Tianjin300000, China)

Abstract：In order to carry out ground simulation for mechanical arm which will work on moon, a set of suspension one-sixth microgravity simulator with visual servo as the following control system is designed and implemented. In order to satisfy the imaging condition of high precision, wide and large depth of field and high frequency，design a LED light source active light based target marker and a vision measuring system based on multi-sensor fusion of laser range finder and dual camera, presents a method of target recognition and detection based on the target marker. Using the PMAC motion control card as the controller of the actuator,achieve the precise control of motor. After test, the designed system is simple operation, stable running and high microgravity simulation accuracy.

Keywords：microgravity simulation; visual servo; following system

文章編號：1671-4598(2016)02-0137-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.037

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：高德鵬(1988-)，男，吉林九臺人，碩士，主要從事圖像處理、視覺伺服方向的研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61440025)。

收稿日期：2015-08-25；修回日期：2015-09-25。