計算機理論

　　一、引言

　　隨著信息、處理、計算機技術(shù)的發(fā)展，人們對于機器能夠僅僅獲取以一些平面的二維視覺信息越來越不滿意，人們設(shè)想借助計算機的技術(shù)，能使機器人真正能“看到”精彩的三維世界。計算機技術(shù)、視覺傳感器技術(shù)、攝像技術(shù)以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，并用計算機實現(xiàn)對視覺信息的處理，從而形成立體視覺，逐漸使這一設(shè)想變成現(xiàn)實。本文采用了目前國內(nèi)外進(jìn)行機電一體化系統(tǒng)設(shè)計時最常用的虛擬樣機技術(shù)，基于3D數(shù)字化設(shè)計平臺UG，采用赫爾姆霍茨模型作為參考設(shè)計了一種新型的具有三自由度的雙目立體視覺運動平臺。

　　二、運動學(xué)仿真驗證立體視覺運動平臺的運動空間范圍

　　運動學(xué)仿真的目的是為了驗證立體視覺運動平臺動力模型建模的合理性，檢查運動自由度范圍是否達(dá)到設(shè)計指標(biāo)中要求的“眼睛”左右偏航運動空間范圍(±60o)、“頭部”俯仰運動空間范圍(±45o)。同時通過運動學(xué)仿真，還可以檢查視覺運動平臺動力模型各個部件的之間有沒有產(chǎn)生運動碰撞干涉。本文采用機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS對運動平臺進(jìn)行運動仿真分析。

　　經(jīng)過運行運動學(xué)仿真，可以得知各個自由度的運動空間范圍如下：

　　(一)左偏航極限±60度、右偏航極限±60度、俯仰極限±45度位置

　　(三)沒有發(fā)生偏航運動，仰視極限負(fù)45度位置

　　偏航和俯仰運動各個自由度運動范圍曲線圖如圖5，圖6，圖7所示。從上面各個極限位置、偏航和俯仰運動各個自由度運動空間范圍曲線圖可以觀察到部件之間沒有產(chǎn)生運動碰撞干涉現(xiàn)象，各個自由度的運動空間范圍達(dá)到了設(shè)計的要求，從仿真結(jié)果也可以看出本運動平臺運動空間范圍廣，驗證了本視覺運動平臺達(dá)到了運動功能的要求，說明本立體視覺運動平臺的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，這為一般機器人立體視覺運動平臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提供實用的改進(jìn)和參考依據(jù)。

　　三、驅(qū)動電機的輸入扭矩分析

　　要驗證選擇的驅(qū)動電機的輸入扭矩是否夠，那么要測量俯仰電機和偏航電機的扭矩。在立體視覺運動平臺中，電機主要是要克服轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)動頭和攝像機等運動部件的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。運動部件的負(fù)載扭矩在ADAMS中通過測量扭矩的方式測量出來，如下圖8，圖9分別是偏航電機和俯仰電機的負(fù)載扭矩。

　　可以知道偏航和俯仰電機的負(fù)載是時間連續(xù)曲線。當(dāng)偏航或俯仰運動到極限點時，驅(qū)動電機要進(jìn)行變向運行，負(fù)載扭矩的方向也發(fā)生變化而出現(xiàn)突變拐點，拐點的值便是負(fù)載扭矩最大值，可以得知選擇的電機的扭矩是足夠的。仿真結(jié)果對雙目立體視覺運動平臺的控制系統(tǒng)的性能定性分析提供了一種評價手段。

　　四、結(jié)論

　　仿真的結(jié)果驗證了視覺運動平臺的俯仰和左右偏航自由度的運動空間范圍符合設(shè)計要求。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出本運動平臺運動空間范圍廣，驗證了本視覺運動平臺達(dá)到了運動功能的要求，說明本立體視覺運動平臺的機械機構(gòu)設(shè)計是合理的，這為一般機器人立體視覺運動平臺的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供實用的改進(jìn)和參考依據(jù)。

　　并通過仿真求解出俯仰電機和左右偏航電機的負(fù)載扭矩曲線，仿真結(jié)果對雙目立體視覺運動平臺的控制系統(tǒng)的性能定性分析提供了一種評價手段。