双目立体视觉运动平台的动力学仿真分析

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  摘要：本文参考赫尔姆霍茨模型，利用UG设计了具有三自由度的双目立体视觉运动平台，并采用ADAMS软件对该平台进行了动力学仿真分析。
　　关键词：立体视觉；运动平台；ADAMS

　　一、引言
　　随着信息、处理、计算机技术的发展，人们对于机器能够仅仅获取以一些平面的二维视觉信息越来越不满意，人们设想借助计算机的技术，能使机器人真正能“看到”精彩的三维世界。计算机技术、视觉传感器技术、摄像技术以及立体视觉理论的发展，利用视觉传感器来获取环境图像，并用计算机实现对视觉信息的处理，从而形成立体视觉，逐渐使这一设想变成现实[1-4]。本文采用了目前国内外进行机电一体化系统设计时最常用的虚拟样机技术，基于3D数字化设计平台UG，采用赫尔姆霍茨模型作为参考设计了一种新型的具有三自由度的双目立体视觉运动平台，如图1所示。
　　二、运动学仿真验证立体视觉运动平台的运动空间范围
　　运动学仿真的目的是为了验证立体视觉运动平台动力模型建模的合理性，检查运动自由度范围是否达到设计指标中要求的“眼睛”左右偏航运动空间范围（±60o）、“头部”俯仰运动空间范围（±45o）。同时通过运动学仿真，还可以检查视觉运动平台动力模型各个部件的之间有没有产生运动碰撞干涉。本文采用机械系统动力学自动分析软件ADAMS对运动平台进行运动仿真分析[5]。
　　经过运行运动学仿真，可以得知各个自由度的运动空间范围如下：
　　（一）左偏航极限±60度、右偏航极限±60度、俯仰极限±45度位置，如图2所示
　　（三）没有发生偏航运动，仰视极限负45度位置，如图4所示
　　偏航和俯仰运动各个自由度运动范围曲线图如图5，图6，图7所示。从上面各个极限位置、偏航和俯仰运动各个自由度运动空间范围曲线图可以观察到部件之间没有产生运动碰撞干涉现象，各个自由度的运动空间范围达到了设计的要求，从仿真结果也可以看出本运动平台运动空间范围广，验证了本视觉运动平台达到了运动功能的要求，说明本立体视觉运动平台的机械系统结构设计是合理的，这为一般机器人立体视觉运动平台的机械结构设计提供实用的改进和参考依据。
　　三、驱动电机的输入扭矩分析
　　要验证选择的驱动电机的输入扭矩是否够，那么要测量俯仰电机和偏航电机的扭矩。在立体视觉运动平台中，电机主要是要克服转动过程中转动头和摄像机等运动部件的负载转矩。运动部件的负载扭矩在ADAMS中通过测量扭矩的方式测量出来，如下图8，图9分别是偏航电机和俯仰电机的负载扭矩。
　　
　　通过图8和图9，可以知道偏航和俯仰电机的负载是时间连续曲线。当偏航或俯仰运动到极限点时，驱动电机要进行变向运行，负载扭矩的方向也发生变化而出现突变拐点，拐点的值便是负载扭矩最大值，可以得知选择的电机的扭矩是足够的。仿真结果对双目立体视觉运动平台的控制系统的性能定性分析提供了一种评价手段。
　　四、结论
　　仿真的结果验证了视觉运动平台的俯仰和左右偏航自由度的运动空间范围符合设计要求。根据仿真结果可以看出本运动平台运动空间范围广，验证了本视觉运动平台达到了运动功能的要求，说明本立体视觉运动平台的机械机构设计是合理的，这为一般机器人立体视觉运动平台的机械系统结构设计提供实用的改进和参考依据。
　　并通过仿真求解出俯仰电机和左右偏航电机的负载扭矩曲线，仿真结果对双目立体视觉运动平台的控制系统的性能定性分析提供了一种评价手段。
　　
　　参考文献：
　　[1]唐新星.具有立体视觉的工程机器人自主作业控制技术研究[J].吉林大学博士论文,2007,(12):10-11.
　　[2]贾云得.机器视觉[M].北京:科学出版社,2000,(4):1-10.
　　[3]朱正德.零部件表面缺陷的机器视觉检测模[J].MC现代零部件,2005,(9):68. [4]龙甫荟,郑南宁.计算机视觉模型的研究与发展[J].信息与控制,1997,26,(2):113.
　　[5]陈立平.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005,(1):70-75.