（电工理论与新技术专业论文）基于机器视觉的永磁球形电动机位置检测方法研究.pdf

r e s e a r c ho np o s i t i o nd e t e c t i o no fp e r m a n e n tm a g n e ts p h e r i c a l s t e p p e rm o t o rb a s e d o nm a c h i n ev i s i o n a b s t r a c t b e c a u s et h e s p h e r i c a l s t r u c t u r ec o u l dw o r k a t a n y o r i e n t a t i o ni n t h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) s p a c e ，s u c ha sm o t i o nc o n t r o lo ft h eh u m a n o i dr o b o t s ，3 d s p a c e m e a s u r e m e n to fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，a n di n d u s t r i a lc o n t r o l i n m u l t i d i m e n s i o n a ls p a c ew h e r eh i g hp r e c i s i o ni se s s e n t i a l ，t h er e s e a r c ho fs p h e r i c a l m o t o rh a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s p o s i t i o nd e t e c t i o nf o rr o t o ro f s p h e r i c a lm o t o ri st h ek e yt e c h n o l o g yi nm o t o rc o n t r o ls y s t e mb e c a u s ew h i c hi s i n d i s p e n s a b l ei nf e e d b a c kc o n t r o l l i n g ，a n di t s d i f f e r e n t i a t er a t ec o u l da f f e c tt h e c o n t r o la c c u r a c yo fs y s t e md i r e c t l y s op o s i t i o nd e t e c t i o ni sa l s oa nu r g e n tp r o b l e m t ob es o l v e di nt h er e s e a r c ho fs p h e r i c a lm o t o r t h eo b je c ts t u d i e di nt h i sp a p e ri sp e r m a n e n tm a g n e ts p h e r i c a ls t e p p e rm o t o r b a s e do nt h er e s e a r c ho fp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o d sf o rs p h e r i c a lm o t o r ，a v i s i o n - b a s e dp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o dp r o p o s e db yk o k - m e n gl e ee ta li su s e dt o o b t a i nt h ep o s i t i o no fr o t o r i no r d e rt oa c h i e v et h ea b s o l u t eo r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o n o ft h er o t o r ，an e wg r i dp a t t e r na n di t sg e n e r a t i o nm e t h o da r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fr o t o rd e t e c t i o n an e wi m a g ea n a l y s i sm e t h o dt og e tt h e c h a r a c t e r i s t i cp o i n t si sp r e s e n t e db a s e do nt h ef e a t u r eo fg r i di m a g ea l s o a tt h ee n d ，t h es i m u l a t e d g r i di m a g ea c c o r d i n gt o t h en e wg r i dp a t t e r n p r o c e s s e db yt h en e wi m a g ea n a l y s i sm e t h o di si m p l e m e n t e di nm a t l a bb yc t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d k e yw o r d s ： s p h e r i c a lm o t o r ；p o s i t i o nd e t e c t i o n ；m a c h i n ev i s i o n ；c o d i n g ； c h a r a c t e r i s t i cp o i n t s 插图清单 图卜1 三个编码器和滑轨支架构成的检测装置【5 】【6 】4 图卜2 单滑轨支架测量系统【7 1 4 图卜3 永磁球形步进电动机结构【引。5 图卜4 光电编码环图【川5 图卜5 转子球面颜色喷涂【9 】5 图卜6 视觉传感器系统p j 6 图卜7 传感器图解1 1 1 儿1 2 j 7 图卜8 双光学传感器检测装置【1 1 】【12 1 7 图卜9 三自由度机械腕机构【1 1 】f 12 1 7 图2 1 麦克尔逊干涉仪原理图1 1 图2 2 光学编码器【1 7 儿j 1 2 图2 3 最简单的光栅干涉仪【2 2 1 1 2 图2 4 悬浮结构l d j 13 图2 5 机器视觉系统框图1 5 图2 6 算法流程图【4 j 1 6 图2 7 基于视觉传感器概念【5 】【3 引1 7 图2 8 等间距球面网格样式【5 】【3 引1 7 图2 9 网格编码图1 5j 18 图2 1 0 仿真网格图18 图3 1 绝对式编码器码盘示意图l 引2 1 图3 2 与x 4 + x + l 对应的反馈移位寄存器【4 2 1 2 2 图3 3 移位寄存器定义的重复关系1 42 。2 2 图3 4 坑中所有序列1 42 。2 3 图3 5 窗1 ：3 性质( m = 4 ) 【42 。2 4 图3 6 由h ( x ) 确定的移位寄存器【4 2 j 2 6 图4 1 边缘检测处理后的网格图3 1 图4 2 链码示意图i l3 。3 2 图4 3 角点定位后的网格图3 3 图4 4 序列匹配示意图3 3 图4 5 算法流程图3 4 图4 - 6 ( a ) ( 3 0 ，0 ，0 ) 修改参数前3 5 图4 6 ( b ) ( 3 0 ，0 ，0 ) 修改参数后3 6 图4 - 6 ( c ) ( 1 0 ，1 0 ，0 ) 修改参数前3 6 图4 6 ( d ) ( 1 0 ，1 0 ，0 ) 修改参数后3 6 图4 - 6 ( e ) ( 一1 0 ，- 1 0 ，l o ) 修改参数前3 6 图4 - 6 ( f ) ( 一1 0 ，- 1 0 ，1 0 ) 修改参数后3 7 表格清单 表3 1 本原多项式列表【4 2 1 2 3 表3 2g f ( p ) 上的本原多项式【4 2 1 2 5 表3 3 由新方法生成的角度序列2 7 表4 1 仿真参数3 4 表4 2 角度误差3 5 表4 3 修改后的参数。3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金妲王些太堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：考孰 签字日期：加7 年年月f7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本入授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：荐薹乞 导师签名 弋一 f 机 签字日期：砷年q 月1 7 日 签字日期：砷年月以日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师李国丽教授的悉心指导下完成的。李老师严谨的治学态度， 精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，富于创新性的学术思维及对科学 技术的执著追求对我影响深远，并终身受益。在论文结束之际，谨向导师致以 衷心的感谢和崇高的敬意。 在课题的选题和研究过程中，得到了王群京教授的指导和大力帮助，王老 师的人格魅力，严谨的科研态度以及平易近人的高尚品德让我受益匪浅。同时 特别感谢胡存刚老师，在学习和日常生活中给予我许多帮助和支持。 感谢项目组成员钱酷师兄和李争师兄，在与他们的讨论学习中我获益颇多。 本文所用仿真网格图和验证所用方向恢复部分由师兄钱酷完成，在此表示衷心 感谢。 感谢史利杰师姐、廖建敏师兄和周金斌师兄对我的帮助，同时感谢杨铸、 褚小莉、王远兵、王强、冯纪归等同学的支持和帮助，在此表示深深的感谢。 感谢论文的评阅老师和答辩委员会老师在百忙中对本文进行审阅、指点。 作者：李姜姜 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 随着现代工业科技水平的不断发展，机器人、机械手等作复杂运动的精密 装置得到了广泛的应用。这类装置往往需要完成空间的多维运动控制，采用常 规一维驱动元件就必须使用多台单自由度驱动元件以及复杂的机械传动机构来 完成空间的多维运动。长期以来，人们对作一维运动的伺服电动机( 如交、直流 伺服电机、步进电机、直线电机等) 及其控制系统进行了广泛深入的研究，这类 元件具有高速低转矩的特性，实用中多用减速齿轮，导致了转动惯量的增加、 非线性摩擦的产生、齿轮装置的机械变形等，一方面增加了系统的重量、体积 和成本，降低了刚度和动态性能；另一方面传动系统的间隙降低了系统的定位 精度。这些问题的出现推动了多维电动机研究的发展，同时计算机技术、电力 电子技术的飞速发展，控制理论、电机理论研究的不断深入，以及各种新材料 的出现和电机制造工艺水平的提高，为多维电动机的制造技术和控制技术的发 展提供了坚实的基础。多维电动机的采用使得机械的集成度提高，电机有效材 料和控制系统元件利用率高，传动链简单且无间隙，大大简化机械系统结构， 提高系统静动态性能和经济效益i lj 。 目前在国内外多自由度电动机的结构研究中，球形结构占主导地位，这是 因为从运动学角度来看，球形结构最有利于多维运动，可以在空间任意方向进 行定位、工作，但其结构设计与分析较为困难。 1 2 球形电动机的研究发展现状及研究热点 1 2 1 国外多维电动机的研究进展 早在二十世纪5 0 年代，乌克兰学者就推出了球形电机实验模型和相关理 论，随后欧美也开始了研究。到8 0 年代初期，由于机器人技术的蓬勃发展，机 器人肩、腕关节若用球形电机替代，可以简化机构，达到类人结构的高效率。 美国、日本、德国、法国和英国等的一些著名大学和研究所等都有参与研究， 形成了一个研究高潮。 1 9 8 7 年美国乔治亚理工学院gj v a c h t s e v a n o s ，k o k m e n gl e e 等介绍了 他们研制的三绕组感应式球形电动机，并首次提出了变磁阻型步进球形电机的 设计思想。19 8 8 年k o k m e n gl e e 等人进一步阐述了关于步进型球形电机的设 计思想，指出了感应式球形电机的缺点所在，指出三自由度步进电机与普通单 自由度步进电机的不同之处。1 9 9 1 年k o k m e n gl e e 等人又进一步发展了他们 的步进型球形电机的设计思想。1 9 9 9 年d a ne e z e n e k w e ，k o k m e n gl e e 对电 机轴承系统进行改进，采用适合于精细运动控制装置的非接触式空气轴承系统， 对其建模和设计进行了研究，给出了动态模型的仿真结果。1 9 9 7 年英国设菲 尔德大学的j w a n g ，g w j e w e l l ，d h o w e 等人研制开发了一种多自由度的永磁 球形电机。1 9 9 9 年德国亚琛工业大学d e p a r t m e n to fe l e c t r i c a lm a c h i n e s ( i e m ) ， i n s t i t u t ef o rp o w e re l e c t r i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e s ( i s e a ) ，l a b o r a t o r yf o rm a c h i n e t o o l s ( w z l ) 合作开发出永磁类型的三自由度电机。1 9 9 9 年，美国约翰霍普金 斯大学g r e g o r ys c h i r i k j i a n ，d a v i ds t e i n 等人设计研制了一种永磁球形步进电 机的原型机。 从目前的研究情况来看，永磁多维球形电动机的样机种类还不多，而且还 不完善，仍处于实验室研究阶段，它的商品化和实用化是研究者所面临的艰巨 任务。目前国内对于永磁多维球形电动机的研究基本还是空白，其它类型多维 电动机的研究多集中在感应式、超声波式和组合式多自由度电机，集中在高校 的科研机构，到目前为止，取得了不少研究成果【1 】【2 】【3 1 。 1 2 2 我国多自由度电机的研究情况 我国对多自由度电机的研究始于2 0 世纪8 0 年代后期，起步较晚，国内以 浙江大学、华中理工大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学为代表，在总结国 内外经验的基础上进行结构和理论创新，研制了各自的多自由度电机。 浙江大学电机系的诸静、范承志等人于1 9 9 3 年研制了一种机器人球关节用 两自由度球形步进电机。华中理工大学的黄声华等人研制了一台三自由度球形 双馈感应电动机，对该电机的三维磁场计算和控制策略等问题进行了研究。西 北工业大学苏仲飞、刘昌旭等人以无刷直流型球形电机为研究方向，1 9 8 9 年 制成了第一台样机，该电机为稀土永磁、无刷、三自由度力矩型电机，转子为 内框架式结构。哈尔滨工业大学研制了一种非球形正交圆柱结构双气隙共磁钢 三自由度步进电动机。 我校李争等人对美国约翰霍普金斯大学g r e g o r ys c h i r i k j i a n 等人所提出 的永磁球形步进电动机进行了系统深入的研究，建立了电机单刚体和刚体系的 运动学模型，并设计制作了一台永磁球形步进电动机样机【1 】【2 】【3 】。 1 2 3 永磁多维球形电机的应用前景及发展方向 同当前永磁多维球形电动机的研究现状形成对比的是，工业控制领域和机 器人等高技术领域中对可在空间任意方向进行定位、执行伺服功能的元件需求 却是与日俱增。研究永磁多维球形电动机的电磁数学模型及设计理论对于我们 从技术源头抓起、掌握最新的多自由度永磁电动机先进技术、并缩短与国际先 进水平的研究差距是很有益的。对于电机学科而言，永磁球形电机的研究作为 新的充满活力的研究舞台，将大大加深电机学科与其它相关学科( 如自动控制、 电力电子、传感检测技术等) 的融会和交叉，使电机学科焕发出新的活力，符 合电机学科发展的大趋势。 随着人们对永磁多维球形电动机研究的深入，永磁球形电动机的结构尺寸 2 将会得到不断地改进，其性能也得到日益改善，应用领域不断拓宽，最终实现 其商品化和产业化。永磁多维球形电动机的应用前景极其广泛，包括机器人、 机械手、人体假肢关节、小型舰船电力推进器、多坐标机械加工中心、金属切 削机床、锥形搅拌机、火炮炮塔控制台、全景摄影操纵台、雷达天线跟踪机构、 球形阀、泵类、电动陀螺仪、多向传动机构、智能仪表中的三维空间测量、制 造业和工业控制中的多维空间伺服控制等一系列需要做多自由度运动的设备仪 县【1 儿2 儿3 】 宙盯。 由于永磁多维电动机结构和原理的特殊性，提高其输出力矩，尺寸小型化， 提高响应灵敏度，提高运行速度，提高定位精度，提高检测系统分辨率，降低 成本是其研究开发的迫切要求，因此以下几个方面将会成为永磁多维电动机研 究的重点： ( 1 )设计方法和结构设计优化的研究 ( 2 ) 动力学和运动学方面的研究 ( 3 ) 三维电磁场计算和转矩的分析研究 ( 4 )电机的实时运动控制策略的研究 ( 5 )电机制造和加工工艺方面的研究 ( 6 )电机驱动系统的研究 ( 7 ) 电机实验方法的研究 ( 8 )位置传感系统的研究 1 3 目前球形电动机位置检测的主要方法h 1 引入多自由度电动机的目的是要实现多自由度的空间运动，从运动学角度 看球形结构最有利于多维运动。球形电机转子的位置检测作为电机不可缺少的 反馈控制环节，是电机控制系统中关键技术之一，并且它的分辨率直接影响到 系统的控制精度，因此位置检测技术也是当前球形电机研究中迫切需要解决的 问题。由于球形电动机结构的限制，传统的电动机转子位置检测方法不能简单 地应用。国内外出现的对球形电动机转子位置检测的方法可以分为接触式和非 接触式。由于接触式会增加摩擦阻力，从而影响转子的动态响应和定位精度， 所以非接触式检测方法是未来的发展趋势。 1 3 1 滑轨支架测量系统 1 9 9 1 年k o k m e n gl e e 等人在以前研究球形电动机的基础上，进一步发展 了步进型球形电动机的设计思想。在他们所提出的原型中，转子位置测量装置 采用一套滑轨支架测量系统【5 】。该系统包括2 个圆形滑轨支架、一个滑块和3 个旋转编码器，如图1 1 所示。测量系统用三个独立的增量式光学旋转编码器 来获得转子的位置信息。此装置为接触式测量系统，三个独立的旋转编码器安 。鹰一墨 圜 1 3 2 二值球形运动编码器 1 9 9 9 年，美国约翰霍普金斯大学g r e g o r ysc h i r i k j i a n ，d a v i ds t e i n 等人 设计研制了一种永磁球形步进电动机的原型机【s 】。其基本结构如图卜3 所示。 电动机转子由2 个中空的塑料半球壳做成的，半球壳内部均匀分布有精确定 位的4 0 个稀土永磁体。正常情况下定转子气隙约01 2 7 m m 。定子由底座、 鞍形支架、1 6 个铁磁线圈、环形支架及起支撑作用的8 个小脚轮构成。定予 对转子的覆盖范围小于半个转予，从而大大扩展了转子的运动范围。该装箕 巧妙的利用光电传感器进行非接触式位置检测 f 图边 图卜3 永磁球形步进电动机结构 具体做法是用光电传感器来检测球形表面颜色信号从而得到转子位置，文 献【9 】中给出了转予表面图形的喷涂原则和检测方法。每个定子线圈均被一个光 电编码环环绕，每个光电编码环上放置6 个等间距的光电编码器，如图卜4 所 示。转子表面着色越离敝越好，采用随机编码的方式在球面选择n ( o oo n ) 个 点，其中n 2 点为黑色，定义为c ( o ，) = l 。x 为球面任意一点如果满足关系式： d 化) ! d ( x ，o )f 1 , 2 卅一1 ，m + 1 _ ， 其中d ( t 力= c o s “( x 力， 则 c ( x ) = c ( o ) 。圈1 5 所示为n = 2 0 0 时用m a t l a b 实现的转子表面喷涂。 o 图1 4 光电编码环幽一图1 5 转子球面颜色喷涂 定子上的n 个光电传感嚣s ，f ：，s 。可能检测到的所有颜色矢量 c 。= 【“q 1 ) ，“o n ) ，c ( o 。) ，】共有m 个，即： lc ( 0 1 1 ) 如i 。) l = 卜、一、 “- 1 ) l c 0 m ) c ( o 瑚) j 当每组着色点与光电传感器位置吻合时i s ，s z ，毛】= 【a t o , ，o ，4 7 0 。 时，矸为旋转矩阵。而且一7 = r ( x , a ) r 机所r ( z 。，) ，从而得到每组着色点由初 时位置旋转到光电传感器位置时所转动的欧拉角( q ，属， ) 。文献 9 r e 提到光学 传感器越多编码的分辨率就越高，使用1 9 2 个光学传感器分辨率可以达到s 1 。 实际的实验装置中使用9 6 个光学传感器。这种非接触式方法同滑轨支架配合旋 转编码器的接触式检测方法相比具有很好的应用前景。用光电传感器的方法 能通过增加传感器的数量来提高分辨率，但是增加了系统的复杂程度，而且要 实现转子表面的精确喷涂较难。 33 机器视觉传感嚣测量系统 2 0 0 1 年，h a r r yg a r n e r 和k o k - m e n gl e e 等人提出视觉传感器获取转子表 面图像，从而分析得到转子的位置p 】，视觉系统实验装置如图1 - 6 所示。视觉 畏0 量系统适合于测量转子位置，通过在转子表面喷涂网格图把转子位置信息加 在转子图像上。转子表面网格线间的间距按照伪随机的方法生成。网格线有一 定的宽度网格线的交点中心为所要获取的特征点。他们把同格图刻在模具上， 在模具上喷涂后把电动机转子放入模具中从而实现大批量生产。视觉传感群获 取转子图像后，得到的是转子表面同格图。采用血管追踪1 1o l 的方法从网格图中 提取特征点( 网格线中心交点) 。在获取的网格图中的中心区域，提取2 条相垂 直的网格线作为搜索方向。获取的交点的问距通过与伪随机序列比较得到特征 点在伪随机序列中的位置，从而得到特征点在固连于转子的坐标系下的坐标。 启动该视觉测量系统时，首先要标定视觉传感器。理想状况下转子仅仅绕 球心转动而且视觉传感器周定后不动，所以传感器仅仅需要标定一次。系统启 动前，把转子固定于一个已知的位置，从而得到特征点在全局坐标系( 该坐标 系原点在转子球心并且不园转子转动而变化) 下的坐标和在转于旋转坐标系 下的坐标。从而可以标定视觉传感器。传感器的线型模型如下： ( 1 2 ) 得到传感参数后，图像中任意一个像素点对应的球形转子表面的点在全局 坐标系下的坐标都可求出。通过这些特征点在不同坐标系下的坐标，可以求得 坐标系之间的旋转矩阵。从而得到旋转后的转子位置。 13 4 双光学传感器测量系统 2 0 0 3 年，k o k m e n gl e e 等人提出用双光学传感器【“1 1 1 2 1 来获取转子位置， 如图1 - 7 所示。使用的光学传感器( 如图卜8 所示) 在2 个方向检测转子的表 面变化量，传感器的刷新率达到1 5 0 0 帧秒。转子表面经过特殊处理保证传感 器能顺利检测偏移量。实验装置中2 个传感器就能测量出三自由度的运动，文 献 1 1 1 2 中给出丁详细的数学推导和实验验证。转子旋转时，速度变化可表 示为： i = 匕i + v 。， ( 1 3 ) ”；计捌= 去圈 “- n ， r r 互， 鸭鸭 【 = ，jm s 图卜7 传息器图解l 4 图i 一8 般光学传感器检渊装兰1 1 1 心l 缸，却为2 个方向的偏移量为扫描周期，c 为增加的传感器输出计数。 通过2 个传感器的空间位置和相互的约束关系，可以得到旋转后的转子方位和 旋转角速度。他们对该双光学传感器检测系统进行了正向和逆向运动学分析。 正向分析即在固定的转子角速率下得到光学传感器的读数，而逆向分析通过光 学传感器读数得到转子方位。 对多种转子表面进行了实验研究，转子表面特征对整个系统的分辨率影响 较大。转子采用砂纸型表面时系统分辨率最高，而白纸型转子表面分辨率虽低。 同时实验也研究了传感器与转子表面的空间距离对整个系统的影响。传感器与 转子表面为24 m m 时，光学传感器计数丢失率最小。实验采用如图l 一9 所示的 三自由度机械腕机构来测量转子的转动角度，该机构由三个独立的步进电动机 旋转提供三自由度的旋转运动。x ，y 方向的分辨率为0 l 。，z 向的分辨率为 o0 3 6 4 。由于z 轴用万向节与步进电动机连接，所以步进电动机输出与转子绕 z 轴旋转的角度为非线型关系。实验中取6 种不同的旋转角度，结果表明该方 法基本能满足要求。把噪声加入到光学传感嚣读数中，比较后发现噪声对获得 的z 轴旋转角度影响最大，而对x ，y 轴旋转角度影响较小。 图i9 三自由度机械腕机构”1 1 “ 1 4 本论文的主要研究内容 本文采用k o k - m e n gl e e 等人提出的基于视觉传感器原理来获取永磁球形 步进电动机转子的位置，主要研究位置信息网格编码和网格图像特征点的提取 方法。论文的研究得到国家自然科学基金项目( # 5 0 6 7 7 0 1 3 ) 和8 6 3 项目 ( # 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 4 ) 的共同资助。 论文的内容安排如下： 第一章是绪论，首先对作为研究对象的球形电机做了简要介绍，并借此引 出本文的研究内容球形电机转子的位置检测，接着详细阐述了目前国际上几种 适用于球形转子位置检测的方法，最后介绍本文的主要研究内容。 第二章首先对机器视觉的产生、发展和应用领域进行了简要介绍，然后比 较详尽地介绍了若干种单自由度和多自由度测量系统，并详细阐述了机器视觉 测量系统的一般构成以及与前述测量系统相比所显示的优点，最后介绍了基于 视觉传感器的球形转子位置测量方法的基本原理。 第三章先引入了若干编码与信息论中的基本概念，随后介绍了几种常用的 位置信息编码方法，并详细阐述了本文所使用的伪随机序列的生成方法、性质 以及在本文应用中的缺陷，最后介绍了本文改进后的新方法所生成的序列。 第四章对数字图像处理技术做了简单介绍，并对其在特征点提取中所用的 主要方法进行了概括。通过上述介绍并从网格图本身特点出发，详细阐述了新 的特征点提取方法，并在仿真环境中对所提方法进行了验证。 第五章是对全文的总结和展望。总结了所做的工作和成果，指出了研究中 的不足之处和将来的研究方向。 第二章基于机器视觉的位置检测方法 2 1 机器视觉 随着信号处理理论和计算机技术的发展，人们试图用摄像机获取环境图像 并将其转换成数字信号，用计算机实现对视觉信息处理的全过程，这样就形成 了一门新兴的学科一一计算机视觉。计算机视觉的研究目标是使计算机具有通 过一幅或多幅图像认知周围环境信息的能力，这使计算机不仅能模拟人眼的功 能，而且更重要的是使计算机完成人眼所不能胜任的工作。而机器视觉则是建 立在计算机视觉理论基础上，偏重于计算机视觉技术工程化。与计算机视觉研 究的视觉模拟识别、视觉理解等内容不同，机器视觉重点在于感知环境中物体 的形状、位置、姿态、运动等集合信息。 机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。 机器视觉系统的首要目标是用图像创建或恢复现实世界模型，然后认知现实世 界。机器视觉系统获取的场景图像一般是灰度图像，即三维场景在二维平面上 的投影，此时，场景三维信息只能通过灰度图像或灰度图像序列来恢复处理， 这种恢复需要进行多点对一点的映射逆变换，在信息恢复过程中，还需要有关 的场景知识和投影几何知识【1 3 】【1 4 】【15 1 。 2 1 1 机器视觉的发展 机器视觉是一个新的且发展十分迅速的研究领域，并成为计算机科学的重要 研究领域之一。机器视觉是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别开始的，当时的 工作主要集中在二维图像分析和识别上，如光学字符识别、工件表面、显微图 片和航空图片的分析和解释等。6 0 年代，r o b e r t s 通过计算机程序从数字图像 中提取出诸如立方体、楔形体、棱柱体等多面体的三维结构，并对物体形状及 物体的空间关系进行描述。r o b e r t s 的研究工作开创了以理解三维场景为目的的 三维机器视觉的研究。到了7 0 年代，已经出现了一些视觉应用系统【g u z m a n 1 9 6 9 ，m a c k w o r t h1 9 7 3 】。 7 0 年代中期，麻省理工学院人工智能实验室正式开设“机器视觉”课程， 由国际著名学者b k p h o r n 教授讲授。同时吸引了国际上许多知名学者参与机 器视觉的理论、算法、系统设计的研究。d a v i dm a r r 教授就是其中一位。他于 1 9 7 7 年提出了不同于积木世界分析方法的计算视觉理论，该理论在8 0 年代成 为机器视觉研究领域中的一个十分重要的理论框架。可以说，对机器视觉的全 球性研究热潮是从2 0 世纪8 0 年代开始的，到了8 0 年代中期，机器视觉获得了 蓬勃发展，新概念、新方法和新理论不断涌现。 到目前为止，机器视觉仍然是一个非常活跃的研究领域。许多会议论文集 都反映了该领域的最新进展。比如，国际计算机视觉与模式识别会议 ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o m p u t e rv i s i o na n dp a t t e r nr e c o g n i t i o n ，c v p r ) ； 9 国际计算机视觉会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o m p u t e rv i s i o n ，i c c v ) ；国 际模式识别会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo np a t t e r nr e c o g n i t i o n ，i c p r ) 等等 1 1 3 1 1 1 4 1 o 2 1 2 机器视觉的应用领域 机器视觉在国民经济、科学研究及国防建设等领域都有着广泛的应用。视觉 的最大优点是与被观测的对象无接触，因此对观测与被观测者都不会产生任何 损伤，这是其他感觉方式无法比拟的。另外，视觉方式所能检测的对象十分广 泛，人眼观察不到的范围，机器视觉也可以观察，例如，红外线、微波、超声 波等人类就观察不到，而机器视觉则可以利用这方面的敏感器件形成红外线、 微波、超声波等图像。因此可以说是扩展了人类的视觉范围。另外人无法长时 间地观察对象，机器视觉则不知疲劳，始终如一地观测，所以机器视觉可以广 泛地用于长时间恶劣的工作环境。 下面列举一些机器视觉的主要应用领域【1 3 j 【1 4 】： ( 1 ) 工业自动化生产线应用。产品检测，工业探伤，自动流水线生产和装 配，自动焊接，p c b 印制板检查，以及各种危险场合工作的机器人等。将图像 和视觉技术用于生产自动化，可以加快生产速度，保证质量的一致性，还可以 避免人的疲劳、注意力不集中等带来的误判。 ( 2 ) 各类检验和监视应用。标签文字标记检查，邮政自动化，计算机辅助 外科手术，显微医学操作，石油、煤矿等钻探中数据流自动监测和滤波，在纺 织、印染业进行自动分色、配色，重要场所门廊自动巡视，自动跟踪报警等。 ( 3 ) 视觉导航应用。巡航导弹制导、无人驾驶飞机飞行、自动行驶车辆、 移动机器人、精确制导及自动巡航捕获目标和确定距离等，既可避免人的参与 及由此带来的危险，也可提高精度和速度。 ( 4 ) 图像自动解释应用。对放射图像、显微图像、医学图像、遥感多波段 图像、合成孔径雷达图像、航天航测图像等的自动判断理解。由于近年来技术 的发展，图像的种类和数量飞速增长，图像的自动理解已成为解决信息膨胀问 题的重要手段。 ( 5 ) 人机交互应用。人脸识别、智能代理等。同时让计算机可借助人的手 势动作( 手语) 、嘴唇动作( 唇读) 、躯干动作( 步态) 、表情测定等了解人的愿 望要求而执行指令，这既符合人类的交互习惯，也可增加交互方便性和临场感 在盘 专于o ( 6 ) 虚拟现实应用。飞机驾驶员训练、医学手术模拟、场景建模、战场环 境表示等，它可以帮助人们超越人的生理极限，“亲临其境”，提高工作效率。 1 0 2 2 基于视觉传感器检测方法的优点 位置检测装置作为传动控制的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并 发出反馈信号与控制装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执 行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。许多单自由度反 馈控制系统使用相对测量系统来满足线性系统的需要，然而在很多非线性系统 中由于非线性的本质，控制参数依赖于系统的全局位置，因而需要全局测量系 统。 多年来，人们不断研究各种类型的测量系统以满足控制系统的需要。其中 主要的两种分别是角度测量和线性测量，并随之出现了满足其标准的各种传感 器。大部分仅仅提供相对测量，并且对于一些非线性系统并不适用。随后一些 基于光学、磁场以及视觉原理的多自由度传感器也相继问世。本节将回顾并介 绍一些经典的单自由度系统、多自由度系统以及基于视觉传感器的测量系统， 并说明机器视觉测量系统的优点。 2 2 1 单自由度测量系统 传统的麦克尔逊干涉仪、光学编码器以及衍射光学编码器是三种常用的单 自由度测量系统。麦克尔逊干涉仪是用分振幅方法产生双光束干涉的仪器，光 路原理如图2 1 所示。 s 图2 一l 麦克尔逊干涉仪原理图 麦克尔逊干涉仪是用分振幅方法产生双光束干涉的仪器。从光源s 发出的 一束光线，经后表面镀有半反射膜的分束板g 1 的分束，被分成光强近似相等并 且互相垂直的反射光l 和透射光2 。它们分别射向相互垂直的反射镜m 1 和m 2 上，经反射后沿原路返回，二者汇集成一束光，沿e ( 人眼) 方向传播，并产生 干涉形成干涉条纹。从e 往g 1 板望去，除直接看到m 1 镜外，还可看到m 2 在g 1 中反射的虚像m 2 。对于观察者来说，m 1 和m 2 所引起的干涉，可看成 m l 和虚像m 2 之间形成的空气层所引起的干涉。由于m 2 不是实物，因而可 以任意改变m 1 和m 2 之间的距离和相对位置，或使它们相交，或完全重叠。借 用光源波长作为参考对象，干涉仪可以测量纳米级的位置偏移。 然而麦克尔逊干涉仪的精度受到很多因素的制约，所用光学组件的质量、 震动、气流以及环境的变化如湿度、温度和压强都会影响测量精度。要解决这 些影响困素必将增加仪器设计的复杂度和成本并加大使用的难度。由于干涉仪 本身的光学结构，应浚也适用于经纬线或非平面物体的位簧测量但是实际应 用时却比较困难“。 另外一种被广泛使用在平面位置检测中的位置测量系统是光学编码器，如 图2 2 所示。 图2 2 光学编码器 玻璃标尺上的刻度一般为线形和径向形用来分别测量线性和角度位移，当 标尺在光源和光电池之间移动时，由于缝隙的变化导致光线的变动会通过光电 池转化的电信号测量出来。一般来说，使用栅距1 0 0 - 1 0 坤l 的线性刻度可以达 到1 0 05 埘级别的精度，5 0 0 0 线的径向刻度分辨率为0 o l 。1 17 1 ”】。大部分光 学编码器只能做相对测量，要做绝对测量就需要更复杂的刻度设计阻及光信号 接收装置。栅距越小衍射作用越明显，为了获得足够的信号，光电池就必须离 移动标尺很近，然而这样会导致光电池与移动标尺之间的机械容许公差不符合 实际操作，由此制约了精度的提高1 1 ”】。 近年来，人们研究发现如果将传统光栅标尺替换成相位型衍射光栅就可以 解决衍射效应导致的光学编码器精度瓶颈问题【l ”。这种类型的编码器被称为光 栅干涉仪、衍射光学编码器或者干涉编码器l2 0 】1 。通过相位光栅形成的两束衍 射光叠加后产生“差频干涉”，得到随频移大小变化的信号，光电探测器阵列检 测出干涉信号的相位变化，从而建立了相移和位移对应的线性关系，通过对相 位的解码，就可以得到光栅的位移。目前衍射光学编码嚣已经达到亚纳米级精 度。图2 - 3 所示为最简单的光栅干涉仪。 i d i r r m p h o t o f j e t 鳅o r 幽2 3 最简单的光栅干涉仪 1 2 以上介绍的三种测量系统在线性测量和角度测量方面均可以达到很高的精 度，其中光学编码器在使用合适标尺的情况下还可以进行绝对位置的测量，但 是这些系统在需要测量多自由度场合下往往要靠附加导联结构将多个单自由度 传感器组合起来进行工作，如第一章提到的滑轨支架测量系统。这类系统如果 要扩展应用在多自由度测量上则需要系统设计的改变。因此，人们研制了其他 可以同时获得多自由度的测量系统。 2 2 。2 多自由度测量系统 对于物体多自由度测量的需要在精确装备、精密仪器控制、光学目标追踪、 特殊机械手以及控制杆等领域越发普遍，一般来说，一个物体的位置和方向可 以用六个自由度来描述。以下将介绍几个具体的例子。 需要三自由度测量的典型例子便是控制杆，控制杆是一种可以同时测量多 个运动轴的简单结构，这些测量值通常用来同时控制一些不同的装置，比如飞 机上姿势控制系统，典型的控制杆由固定结构上的球形转子以及安放在转子上 的手柄组成。常用控制杆通常包含一个范围刻度计，以测量转子绕轴运动。在 很多实际应用中，这样的方法很适用，但是如果转子与刻度计之间的匹配接触 不能保证，这种方法便不可行，并且转子与刻度计之间的接触也会引入不必要 的摩擦阻力。因此，利用光学的非接触性进行测量任务开始被人们重视【1 7 】。 p e t t y p i e c e 提出了一种球形光学编码器用来测量控制杆球形转子的方向，主要利 用了一种灰度编码样式以及光敏元件【2 引。f i n c h e r 利用若干同轴球壳曲面的光 学变化计算获得控制杆的方向1 2 4 。 另外一个需要多自由度测量的领域就是特殊传动装置的控制，这些装置置 于简单紧凑的结构中，能够进行三自由度或者更多自由度运动。人们已经研制 了多种类型的多自由度传动装置。h o l l i s 设计了一种可以进行六自由度定位的 精密运动机器腕关节1 2 引，它包含一个六边形的悬浮结构，并用电磁感应线圈使 其悬浮在分布磁场的定子中，如图2 - 4 所示。该系统利用激光器二极管和位置 光敏元件的排列对悬浮结构进行定位和定向，由于该设备为精密运动设计因此 工作的平移范围为4 m m 方向为5 。 图2 4 悬浮结构【2 5 i 球形电机可以提供三个以上自由度定位，是一种单联结的特殊传动装置， 一般由受到外部驱动的球形转子和定子结构中的电磁线圈或者其他能够给转子 和定子间施加力矩的结构组成。法国的f o g g i a 等人提出了一种将感应器嵌在球 形转子上的球形电机，为了测量转子方向，该装置使用一种特殊排列的电磁传 感器【2 6 1 。日本的很多学者致力于超声波球形电机的研制，这类电机不用于以往 依靠磁场吸引力或排斥力，而是利用物体结构的超声波振动产生力矩进而获得 所需运动过程。这类电机使用特殊耦合结构上的单轴编码器来测量转子方向 【2 7 - 2 9 】 o l a w a l l 等人提出一种可以同时测量三自由度的传感器，使用四个干涉仪组 成的复杂光学装置构成的系统po 。虽然该系统可以提供高精度测量值，但是它 的测量范围非常有限，制约了其在许多场合的应用。另一种基于光学方法的多 自由度测量系统由k i m 等人提出【3 ，并用圆型衍射光栅作为测量对象，其中光 栅将入射光分离成三个衍射光束，并由三个位置感应器( p s d s ) 捕捉测量。由 衍射光束的位置信息以及整个系统的逆运动学原理可以得到圆型衍射光栅在小 范围内的六个自由度。h o u s t o n 提出了另一种类型的传感器【3 引，该传感器通过 h a l l 效应感知器来