計(jì)算機(jī)理論

　　一、引言

　　隨著信息、處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于機(jī)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?cè)O(shè)想借助計(jì)算機(jī)的技術(shù)，能使機(jī)器人真正能“看到”精彩的三維世界。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)。本文采用了目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最常用的虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于3D數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)UG，采用赫爾姆霍茨模型作為參考設(shè)計(jì)了一種新型的具有三自由度的雙目立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

　　二、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)空間范圍

　　運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的是為了驗(yàn)證立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力模型建模的合理性，檢查運(yùn)動(dòng)自由度范圍是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求的“眼睛”左右偏航運(yùn)動(dòng)空間范圍(±60o)、“頭部”俯仰運(yùn)動(dòng)空間范圍(±45o)。同時(shí)通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，還可以檢查視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力模型各個(gè)部件的之間有沒有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)碰撞干涉。本文采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

　　經(jīng)過運(yùn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以得知各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，仰視極限負(fù)45度位置

　　偏航和俯仰運(yùn)動(dòng)各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)范圍曲線圖如圖5，圖6，圖7所示。從上面各個(gè)極限位置、偏航和俯仰運(yùn)動(dòng)各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)空間范圍曲線圖可以觀察到部件之間沒有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)碰撞干涉現(xiàn)象，各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)空間范圍達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，從仿真結(jié)果也可以看出本運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間范圍廣，驗(yàn)證了本視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)達(dá)到了運(yùn)動(dòng)功能的要求，說明本立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，這為一般機(jī)器人立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)用的改進(jìn)和參考依據(jù)。

　　三、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入扭矩分析

　　要驗(yàn)證選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入扭矩是否夠，那么要測(cè)量俯仰電機(jī)和偏航電機(jī)的扭矩。在立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，電機(jī)主要是要克服轉(zhuǎn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)頭和攝像機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動(dòng)部件的負(fù)載扭矩在ADAMS中通過測(cè)量扭矩的方式測(cè)量出來，如下圖8，圖9分別是偏航電機(jī)和俯仰電機(jī)的負(fù)載扭矩。

　　可以知道偏航和俯仰電機(jī)的負(fù)載是時(shí)間連續(xù)曲線。當(dāng)偏航或俯仰運(yùn)動(dòng)到極限點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要進(jìn)行變向運(yùn)行，負(fù)載扭矩的方向也發(fā)生變化而出現(xiàn)突變拐點(diǎn)，拐點(diǎn)的值便是負(fù)載扭矩最大值，可以得知選擇的電機(jī)的扭矩是足夠的。仿真結(jié)果對(duì)雙目立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的性能定性分析提供了一種評(píng)價(jià)手段。

　　四、結(jié)論

　　仿真的結(jié)果驗(yàn)證了視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的俯仰和左右偏航自由度的運(yùn)動(dòng)空間范圍符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出本運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間范圍廣，驗(yàn)證了本視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)達(dá)到了運(yùn)動(dòng)功能的要求，說明本立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，這為一般機(jī)器人立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)用的改進(jìn)和參考依據(jù)。

　　并通過仿真求解出俯仰電機(jī)和左右偏航電機(jī)的負(fù)載扭矩曲線，仿真結(jié)果對(duì)雙目立體視覺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的性能定性分析提供了一種評(píng)價(jià)手段。