曹保榮

(西安培華學(xué)院，陜西 西安 710125)

0 引言

當(dāng)前市面上的爬壁機(jī)器人具有一定的爬行能力，但大數(shù)據(jù)機(jī)器人對環(huán)境的感知能力較差，其運(yùn)動(dòng)方式多以自行爬行為主[1]。這些機(jī)器人大多還通過手動(dòng)教學(xué)或遠(yuǎn)程控制來完成爬行過程[2]，顯然在農(nóng)業(yè)、建筑等高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、高強(qiáng)度的“三高”手工作業(yè)中，操作人員不可能始終跟隨機(jī)器人，實(shí)時(shí)觀察其與周圍環(huán)境的相互作用，并對其進(jìn)行控制。為此，有學(xué)者設(shè)計(jì)了爬壁機(jī)器人控制器，建立了旋轉(zhuǎn)平移軌跡，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)的分離控制，使系統(tǒng)全局漸近穩(wěn)定[3]。但在控制器的設(shè)計(jì)中，沒有考慮機(jī)器人的非線性動(dòng)態(tài)特性。在機(jī)器人快速、直接驅(qū)動(dòng)完成任務(wù)的情況下，這些控制方法顯然不能滿足要求[4]。

針對上述問題，提出基于圖像拼接的爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用圖像拼接技術(shù)，設(shè)計(jì)了爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)，通過圖像裁剪與拼接實(shí)現(xiàn)對墻壁裂縫的準(zhǔn)確監(jiān)測，設(shè)計(jì)視覺控制平臺(tái)，利用CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并在存儲(chǔ)器中進(jìn)行處理，將處理過的信號(hào)傳送到上位機(jī)，完成顯示和監(jiān)測。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)、位置伺服控制器模塊和視覺控制模塊3部分組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，采用STM32F103RCT6作為爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)的主控芯片，通過電源、驅(qū)動(dòng)模塊、電路接口和模式選擇開關(guān)等組成爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[5-6]。在手持式控制器結(jié)構(gòu)中，選取STM32F103核心處理器對信息預(yù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破鱗7]。為了達(dá)成對機(jī)器人的精準(zhǔn)控制，需要手持控制器使用搖桿式電位計(jì)作為輸入。RS485可以交換手持式控制器和主控的信息，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升，降低誤碼率。根據(jù)RS485通信協(xié)議原理，信息的傳輸間隔能到達(dá)3 km，并且其抗干擾性能優(yōu)越[8]。

1.1 機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)具有水平運(yùn)行的軌跡，保證了平臺(tái)高空作業(yè)的安全；通過自身操作，使機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)沿垂直方向運(yùn)動(dòng)，在不同高度實(shí)現(xiàn)圖像采集。該硬件結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)軌模塊和機(jī)械氣動(dòng)模塊，通過鏈?zhǔn)綄?dǎo)向架垂直移動(dòng)，使可視化平臺(tái)達(dá)到不同的工作高度。

1.1.1 導(dǎo)軌模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用的軌道包括輪軌、加強(qiáng)梁和端板，輪軌截面為U型，包括2個(gè)鋁槽和1塊鋁板。軌道內(nèi)側(cè)寬度清晰，適用于遙控汽車輪胎間距離。輪軌縱向布置有2根加強(qiáng)梁。所述輪軌兩端設(shè)有通過中心位置螺栓孔與鏈節(jié)鉸接的特殊C型端板，加強(qiáng)梁端可以安裝小型液壓裝置來解決末端壓力不穩(wěn)所面臨的問題[9]。導(dǎo)軌模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)軌模塊結(jié)構(gòu)

當(dāng)軌道垂直轉(zhuǎn)移到預(yù)設(shè)目標(biāo)信息地點(diǎn)后，通過水平移動(dòng)來檢測導(dǎo)軌的穩(wěn)定性，再通過對物體的拉伸、拉緊調(diào)節(jié)，進(jìn)而增加穩(wěn)定性。機(jī)械支撐包括下部支座、上部支座和馬達(dá)支撐，主要起馬達(dá)、傳動(dòng)桿、軸承和鏈輪的固定作用。為了保證電機(jī)、鏈輪和其他部件在相同的高度下，支架采用滑動(dòng)支架，垂直位置可調(diào)。支架包括底板、滑板和墊塊。底座先用螺栓固定于墻面，水平條預(yù)設(shè)在上下邊界，每條有3個(gè)螺紋孔。在左右螺紋孔中設(shè)置有防傾覆螺釘，在滑板上面鉆孔，將防傾覆螺釘釘入鉆孔內(nèi)，防止出現(xiàn)軸承向外傾覆現(xiàn)象；在中間孔設(shè)置有調(diào)節(jié)螺釘，通過擰動(dòng)螺釘使滑板向垂直方向推進(jìn)[10-11]。

1.1.2 機(jī)械氣動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

該模塊以氣動(dòng)方式作為該部件的動(dòng)作器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣缸裝置

由圖3可知，氣缸體內(nèi)利用大氣壓差產(chǎn)生拉力，電磁換向閥可以實(shí)現(xiàn)快速拉力并提供推力，從而減少了循環(huán)能耗。采用電磁換向閥控制氣缸，將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。為了控制氣缸的運(yùn)動(dòng)，引入電磁換向閥，可以滿足對電磁閥的快速、精確地控制[12]。

1.2 位置伺服控制器模塊設(shè)計(jì)

位置伺服控制器的工作原理與變流器的工作原理相似，通過對電流的調(diào)節(jié)來服務(wù)電機(jī)，控制機(jī)器人位置。一般情況下，伺服電機(jī)通過位置、速度和扭矩來控制，以實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)定位。數(shù)字信號(hào)處理器具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，可作為PLC位置伺服控制器的信號(hào)核心[13-15]。

1.3 視覺控制模塊設(shè)計(jì)

視覺控制模塊設(shè)置用于機(jī)器人爬行的足釘，足釘?shù)目焖僮R(shí)別和定位是實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人穩(wěn)定、敏捷爬壁的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過對圖像的采集和處理，獲得拍攝到物體的位置信息，然后根據(jù)物體的位置來計(jì)算機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成視覺控制系統(tǒng)。攝像頭拍攝到的圖片數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過傳輸通道傳送到FPGA，再使用圖像濾波、圖像分割和角點(diǎn)定位等方法提取圖像的輪廓特征。利用足釘?shù)妮喞卣鳎ㄟ^求解三維位置來確定足釘?shù)馁|(zhì)心位置，從而得到機(jī)械關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2 基于圖像拼接技術(shù)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)軟件部分。軟件流程包括視覺監(jiān)測、圖像拼接和位置伺服控制3個(gè)步驟：視覺監(jiān)測技術(shù)通過CCD相機(jī)采集圖片信息，將信號(hào)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像的顯示和監(jiān)測；通過圖像拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對墻壁裂縫的準(zhǔn)確監(jiān)測；利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和預(yù)設(shè)位置軌跡，得到爬壁機(jī)器人的位置伺服控制值，實(shí)現(xiàn)位置伺服控制。

2.1 視覺監(jiān)測

爬壁機(jī)器人視覺監(jiān)測過程使用CCD攝像機(jī)拍攝圖片。相比較當(dāng)前使用的相機(jī)，CCD攝像機(jī)有采集圖片信息穩(wěn)定、傳輸圖片信息強(qiáng)和抗噪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[16-17]，它能有效地將圖片信息數(shù)字化，并通過機(jī)械視覺系統(tǒng)將圖片信息轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，使系統(tǒng)具有分辨率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、重量輕、功耗較低和電磁場較強(qiáng)的特點(diǎn)。CCD相機(jī)工作成像原理如圖4所示。

圖4 CCD相機(jī)工作原理

由圖4可知，光線經(jīng)過鏡頭照射到感光傳感器CCD上，因其有較高靈敏度，在獲取圖像信息的同時(shí)，可將照射到的光線轉(zhuǎn)換成電荷，經(jīng)放大后，通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到記憶卡或存儲(chǔ)器中。

在視覺監(jiān)測過程中，通過CCD相機(jī)采集圖片信息，將信息輸入到FPGA中，再對其中的圖片信息進(jìn)行預(yù)處理。之后對圖像進(jìn)行分割、邊緣檢測、感興趣區(qū)域提取，通過獲得數(shù)據(jù)計(jì)算出三維坐標(biāo)信息和足釘形心輪廓信息;利用圖像處理技術(shù)獲取足釘中心坐標(biāo)的三維信息，將足釘中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為端部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，獲取運(yùn)動(dòng)控制信息；最后，通過圖像恢復(fù)，將處理過的信號(hào)傳送到上位機(jī)，完成顯示和監(jiān)測。

2.2 圖像拼接

由于受拍攝距離和圖像清晰度要求的限制，圖像采集模塊每次只能采集15 cm×10 cm的圖像信息。因此，對于實(shí)際的墻壁結(jié)構(gòu)，為了獲取裂縫等損傷信息，需要對圖像信息進(jìn)行濾波和提取。通過圖像處理技術(shù)拼接大量的圖像，得到完整的墻壁全景圖。

遙控車輛與被測物體之間的距離在遙感圖像采集時(shí)保持不變，從而保證圖像的所有區(qū)域尺寸不變。相鄰圖像的邊緣產(chǎn)生重疊的圖片信息，確保監(jiān)測信息的完整。根據(jù)位置信息對重疊部分進(jìn)行剪切，然后再進(jìn)行拼接。

2.3 位置伺服控制

以爬壁機(jī)器人中軸為參考點(diǎn)建立相對坐標(biāo)系，機(jī)器人位置伺服控制坐標(biāo)示意圖如圖5所示。

圖5 爬壁機(jī)器人位置伺服控制的坐標(biāo)

由圖5可知，該裝置包括3個(gè)質(zhì)量和尺寸相同的全向輪，每輪相距120°，徑向?qū)ΨQ。圖5中，將速度v沿機(jī)器人坐標(biāo)系XOY分解為vx、vy；ω為機(jī)器人在相對坐標(biāo)系中的角速度，(vx,vy,ω)為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度；故3個(gè)輪邊沿線速度(va,vb,vc)與相對坐標(biāo)系中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系為

(1)

式(1)用來表示機(jī)器人中心位置到車輪中心的水平距離。在絕對坐標(biāo)下，速度的加減控制依靠爬壁機(jī)器人程序?qū)崿F(xiàn)，與采集測量的實(shí)轉(zhuǎn)速度相比較，控制機(jī)器人位置軌跡：

(2)

Z(i,j)為爬壁機(jī)器人預(yù)設(shè)位置軌跡點(diǎn)分量。通過式(2)計(jì)算得出爬壁機(jī)器人軌跡,實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)器人在絕對坐標(biāo)系下的位置伺服控制值，將該值傳輸至系統(tǒng)硬件，實(shí)現(xiàn)基于圖像拼接的爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

爬壁機(jī)器人位置伺服控制流程如圖6所示。

圖6 爬壁機(jī)器人位置伺服控制流程

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)選用 MATLAB和Simulink仿真軟件，進(jìn)行爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)控制精度及運(yùn)動(dòng)能力實(shí)驗(yàn)。當(dāng)機(jī)器人達(dá)到桿底時(shí)，觸發(fā)爬升限位開關(guān)，驅(qū)動(dòng)輪2次鎖緊，氣缸控制閥開啟，驅(qū)動(dòng)輪1次就位。檢測正確后，驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)器人勻速上升。獲取爬壁數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 爬壁數(shù)據(jù)

采用上述爬壁數(shù)據(jù)，分別使用人工操作、構(gòu)造旋轉(zhuǎn)與平移軌跡的方法和本文方法，測試所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的圖像拼接效果及伺服控制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下所述。

3.2 圖像拼接效果分析

分析爬壁機(jī)器人對裂縫全景圖的圖像拼接效果，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法圖像拼接效果對比

由圖7可知，使用人工操作方法拼接效果不佳，出現(xiàn)拼接處重疊問題；使用構(gòu)造旋轉(zhuǎn)和平移軌跡的方法拼接效果不佳，出現(xiàn)拼接處丟失問題；使用圖像拼接技術(shù)法拼接效果良好，與裂縫全景圖一致。本文采用圖像拼接技術(shù)，對圖像信息進(jìn)行濾波和提取，將采集到的墻壁圖像拼接形成完整的全景圖，因此該方法能夠準(zhǔn)確識(shí)別墻壁裂縫，提升機(jī)器人位置伺服控制的準(zhǔn)確性和安全性。

3.3 伺服控制效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于圖像拼接的爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)的控制效果，給定上述3種方法目標(biāo)位置，測試轉(zhuǎn)速控制效果，結(jié)果如表2所示。

表2 3種爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速

由表2可知，使用人工操作方法在時(shí)間為20 s時(shí)，轉(zhuǎn)速控制達(dá)到最大為100 r/s，與實(shí)際值轉(zhuǎn)速控制最大值相差10 r/s；使用構(gòu)造旋轉(zhuǎn)和平移軌跡的方法在時(shí)間為20 s時(shí)，轉(zhuǎn)速控制最大值為118 r/s，與實(shí)際值轉(zhuǎn)速控制最大值相差8 r/s；使用本文在時(shí)間為20 s時(shí)，轉(zhuǎn)速控制達(dá)到最大為110 r/s，實(shí)際值轉(zhuǎn)速控制最大值一致。分析可知，本文方法采用STM32F103RCT6主控芯片提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率，利用PLC位置伺服控制器實(shí)現(xiàn)故障電路檢測，能夠有效避免運(yùn)行故障，因此該方法的轉(zhuǎn)速控制效果較好，有效提升了爬壁機(jī)器人的工作效率。

在此基礎(chǔ)上測試3種方法的位置伺服控制，得到實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同方法的位置伺服控制效果對比

如圖8所示，使用人工操作方法的位置伺服控制準(zhǔn)確率平均值為77.5%；使用構(gòu)造旋轉(zhuǎn)和平移軌跡方法的位置伺服控制準(zhǔn)確率平均值為86.5%；使用本文方法的位置伺服控制準(zhǔn)確率平均值為97.5%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文方法對爬壁機(jī)器人進(jìn)行位置伺服控制的結(jié)果更精準(zhǔn)。這是由于本文方法在圖像拼接的基礎(chǔ)上，以機(jī)器人中軸為參考點(diǎn)建立了相對坐標(biāo)系，通過對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和預(yù)設(shè)位置軌跡的比較，得到了準(zhǔn)確的機(jī)器人位置軌跡伺服控制值，從而提升了位置伺服控制精度。

4 結(jié)束語

為提升爬壁機(jī)器人的控制性能，提出基于圖像拼接的爬壁機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)。由機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)、視覺平臺(tái)和控制平臺(tái)3部分組成爬壁機(jī)器人的位置伺服控制系統(tǒng)，在絕對坐標(biāo)系下，獲取圖像位置信息，通過加減速控制處理和拼接，生成圖像。實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以有效檢測和識(shí)別垂直裂紋，位置伺服控制轉(zhuǎn)速較快，控制準(zhǔn)確率較高，具有良好的應(yīng)用前景。