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基于图像的机器人视觉伺服控制研究

作者：唐润宏 Publish: 2007-11-12 Hits:-

【中文题名】

基于图像的机器人视觉伺服控制研究

【英文题名】

Control Research of Image-Based Robotic Visual Servo System

【学科专业】

模式识别与智能系统

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-11-12

【中关键词】

机器人,松下交流伺服系统,PMAC运动控制卡,DSP图像处理系统,FCMAC,

【英关键词】

robot,Panasonic’s servo system,PMAC control block,DSP image processing system,FCMAC,

【分类导航】

工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化技术及设备>机器人技术>机器人>

【论文摘要】

基于图像的机器人视觉伺服控制研究包括机器人系统部分、松下交流伺服系统部分、PMAC运动控制卡部分、DSP图像处理系统部分、基于图像的FCMAC控制仿真部分和系统综合实验部分。本文的机器人是一个具有两个旋转关节的平面机器人,它只能在x、y方向运动,关节由松下交流伺服电机驱动,采集图像的CCD摄像头安装在机器人第二根杆的末端。本文建立了基于图像的机器人视觉伺服系统数学模型,绕过三维坐标的变换,建立了描述图像坐标变化与机器人关节角度变化关系的图像雅可比矩阵和其逆阵,并将其应用到基于图像的视觉伺服中。松下交流伺服系统是一种全数字高精度的交流伺服控制系统,它直接驱动机器人的两个关节,接受PMAC卡输出的转矩指令,反馈关节电机的编码器信号。PMAC卡是一种采用DSP芯片作为主要运算单元,相对独立、实时性高的运动控制卡,通过与松下交流伺服系统的配合,根据主控程序的指令控制机器人关节的运动。 DSP图像处理系统处理CCD摄像头摄取的目标物体彩色视频图像,首先将其变成灰度图像,经过图像二值化、中值滤波、边界提取算法得到圆形物体的边界,再经过点Hough变换法求取质心坐标,通过串口传递给工控...

【论文题纲】

摘要	4-5
Abstract	5-11
第1章绪论	11-15
1.1 课题背景	11
1.2 课题简介	11-12
1.3 课题研究的意义及国内外研究现状	12-13
1.4 本论文的主要内容及结构安排	13-15
第2章机器人系统	15-27
2.1 机器人概述	15-16
2.1.1 什么是机器人	15
2.1.2 机器人组成部件	15-16
2.1.3 机器人的自由度和关节、坐标	16
2.2 机器人运动学	16-19
2.2.1 位置和姿态的表示	16-17
2.2.1.1 位置描述	16-17
2.2.1.2 方位描述	17
2.2.1.3 位姿描述	17
2.2.2 坐标变换	17-18
2.2.2.1 平移坐标变换	17
2.2.2.2 旋转坐标变换	17-18
2.2.2.3 复合变换	18
2.2.2.4 齐次坐标变换	18
2.2.3 机器人的运动方程表示	18-19
2.2.4 平面机器人位置求解	19
2.3 机器人动力学	19-21
2.3.1 动力学正问题	19-20
2.3.2 动力学逆问题	20
2.3.3 动力学模型	20-21
2.4 机器人视觉伺服系统	21-22
2.4.1 基于位置的视觉伺服系统	21
2.4.2 基于图像的视觉伺服系统	21
2.4.3 基于位置与基于图像的视觉伺服系统的比较	21-22
2.5 摄像机投影模型	22-23
2.5.1 摄像机成像原理	22-23
2.5.2 图像平面坐标系	23
2.5.3 线性摄像机模型	23
2.6 本文实际机器人视觉伺服系统	23-26
2.6.1 机器人系统	23-24
2.6.2 系统数学模型	24-26
2.7 本章小结	26-27
第3章松下交流伺服系统	27-35
3.1 伺服技术应用基础	27
3.1.1 电气伺服系统简介	27
3.1.2 旋转体运动方程	27
3.1.3 负载转矩特性	27
3.2 伺服控制系统	27-28
3.2.1 常用伺服电动机	27-28
3.2.2 交流伺服控制	28
3.3 交流永磁伺服电动机	28-29
3.3.1 电机分类	28-29
3.3.2 PMSM 数学模型	29
3.4 PMSM 伺服系统	29-30
3.5 松下交流伺服系统	30-32
3.5.1 系统组成	30
3.5.2 基本原理和控制框图	30-31
3.5.3 主要功能	31-32
3.6 系统连接及调试	32-34
3.6.1 组建系统	32
3.6.2 系统调试	32-34
3.6.2.1 电机空载试运转	32-33
3.6.2.2 转矩控制模式运转	33
3.6.2.3 带负载运转	33-34
3.7 与PMAC 卡的连接	34
3.8 本章小结	34-35
第4章 PMAC 运动控制卡	35-49
4.1 PMAC 运动控制卡概述	35-36
4.1.1 适应能力	35
4.1.2 配置任务	35
4.1.3 PMAC 是一台计算机	35-36
4.1.4 PMAC 的功能	36
4.2 PMAC 的结构	36-37
4.3 PMAC 卡的输入与输出	37-39
4.3.1 正交编码器输入	38
4.3.2 光电隔离专用的数字输入标志	38
4.3.3 专用数字输出标志	38
4.3.4 光电隔离模拟输出	38-39
4.3.5 其他输入输出接口	39
4.4 PMAC 卡变量系统	39-40
4.4.1 I变量	39
4.4.2 PMAC 的I/O 和内存地址表及 M 变量	39
4.4.3 P 变量和 Q 变量	39-40
4.5 PMAC 卡的命令系统	40-41
4.5.1 PMAC 指令执行进程	40
4.5.2 在线命令	40-41
4.5.2.1 电机特性命令	40
4.5.2.2 坐标系命令	40
4.5.2.3 全局命令	40-41
4.5.3 缓冲命令	41
4.6 相关设置	41-42
4.6.1 电机的设置	41
4.6.2 坐标系的设置	41-42
4.7 计算特性	42
4.8 PMAC 编程特点	42-43
4.8.1 运动模式	42
4.8.2 PMAC 怎样执行运动程序	42-43
4.9 PCOMM32PRO 动态链接库	43-44
4.9.1 OpenPmacDevice 函数	43
4.9.2 ClosePmacDevice 函数	43
4.9.3 PmacGetPmacType 函数	43
4.9.4 PmacGetRomVersionA 函数	43-44
4.9.5 PmacGetRomDateA 函数	44
4.9.6 PmacSetVariable 函数	44
4.9.7 PmacGetResponseA 函数	44
4.10 在本课题中的实际应用	44-47
4.10.1 PMAC 卡的调试	44-45
4.10.2 运动程序实验	45-47
4.11 本章小结	47-49
第5章 DSP 图像处理系统	49-64
5.1 数字图像基础	49
5.2 本文图像处理方法	49-51
5.2.1 彩色图像与灰度图像的转换	50
5.2.2 图像二值化	50
5.2.3 中值滤波	50
5.2.4 边缘检测	50-51
5.3 视频编码	51-53
5.3.1 彩色数字图像	51
5.3.2 色彩空间	51
5.3.3 视频图像	51-53
5.3.3.1 模拟视频	51-53
5.3.3.2 数字视频	53
5.4 DSP 图像处理系统	53-57
5.4.1 DSPs 简介	53-54
5.4.2 TMS320DM642 芯片简介	54-55
5.4.3 SEED-VPM642 处理系统	55-57
5.4.3.1 系统简介	55-56
5.4.3.2 视频应用原理	56-57
5.5 DSP 图像处理系统安装和调试	57-58
5.5.1 实验设备连接和检查	57
5.5.2 软件安装和设置	57-58
5.5.3 软件开发	58
5.6 图像质心求取算法	58-59
5.6.1 三种质心处理算法	58-59
5.6.1.1 极值均值法	58
5.6.1.2 点Hough 变换法	58
5.6.1.3 重心法	58-59
5.6.2 实验结果分析	59
5.7 视频图像处理	59-60
5.8 图像处理程序开发	60-63
5.8.1 基于硬件中断的处理程序	60
5.8.2 基于RF-5架构的FVID处理程序	60-63
5.8.2.1 原理简要介绍	60-61
5.8.2.2 程序流程	61-62
5.8.2.3 图像处理结果	62-63
5.8.3 两种处理程序的比较	63
5.9 本章小结	63-64
第6章基于图像的FCMAC 控制仿真	64-73
6.1 FCMAC 介绍	64-65
6.1.1 CMAC 介绍	64
6.1.2 FCMAC 工作原理和结构	64-65
6.2 两关节机器人的FCMAC 控制系统	65-67
6.2.1 机器人FCMAC 控制系统组成和工作原理	65-66
6.2.2 控制系统工作过程	66-67
6.3 基于图像的视觉伺服FCMAC 控制系统组成和工作流程	67-68
6.3.1 系统组成	67
6.3.2 系统工作流程	67-68
6.4 仿真程序编写	68-69
6.4.1 机器人模型m 文件	68
6.4.2 图像雅可比矩阵逆阵m 文件	68
6.4.3 主程序	68
6.4.4 仿真程序工作流程	68-69
6.5 基于图像的视觉伺服FCMAC 控制系统仿真分析	69-72
6.5.1 直线轨迹跟踪仿真	69-70
6.5.2 曲线轨迹跟踪仿真	70-72
6.6 本章小结	72-73
第7章系统综合实验	73-87
7.1 系统组成	73
7.2 串口通信	73-76
7.2.1 MSComm 控件简介	73-74
7.2.2 主控程序中串口通信程序	74-75
7.2.3 DSP 中的串口通信部分	75-76
7.3 工作流程	76-77
7.3.1 硬件流程	76
7.3.2 软件流程	76-77
7.4 程序介绍	77-80
7.4.1 工控机主控程序	77-79
7.4.1.1 界面	77-78
7.4.1.2 串口通信部分	78
7.4.1.3 PMAC 应用程序	78
7.4.1.4 逆图像雅可比矩阵	78-79
7.4.2 PMAC 运动程序	79
7.4.3 DSP 图像处理程序	79-80
7.5 综合实验	80-84
7.5.1 单角度运动实验	80-81
7.5.2 视觉伺服实验	81-84
7.5.2.1 以相邻时刻像素差作为控制量的实验	81-83
7.5.2.2 以期望像素与实际像素差作为控制量的实验	83-84
7.6 实验分析	84-85
7.7 本章小结	85-87
结论与展望	87-89
参考文献	89-93
攻读学位期间发表的学术论文	93-95
致谢	95

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.386233



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