双目立体视觉运动平台控制系统的仿真分析

1、 设计与分析Sheji yu Fenxi双目立体视觉运动平台控制系统的仿真分析杨忠高贤海华程意丽（广东工贸职业技术学院，广东广州510510）摘要：基于UG 平台设计了具有三自由度的双目立体视觉运动平台，并采用ADAMS 与MATLAB 软件对该平台的结构与控制系统进行仿真分析，以检验其精度与合理性。关键词：立体视觉；运动平台；ADAMS ；MATLAB0引言让计算机或机器人具有像人一样的视觉，是科学家们一直追视觉传感器技术、摄像技术以求与探索的目标。随着计算机技术、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，逐渐使这一目标14。本文采

2、用了目前国内外进行机电一体化系统设计时变成现实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。n 姨计算得：0.78，n 5.02rad/s。t p （3）2平台控制系统仿真结果及其分析为了验证运动平台跟踪目标物体时各个部件的运动协调性和头部俯仰运动分别运动精度，在允许的运动范围内，对左右偏航、给定一个周期变化的正弦运动跟踪要求。本文采用ADAMS 与5MATLAB 软件对该平台的控制系统进行仿真分析。在分析中，对左右偏航和头部俯仰运动的控制器设定整定参数。其中，左右偏航设置相同的参数：K p 1

3、40，T i 0.4，T d 1.5；头部俯K p 22，T i 0.3，T d 1.2。仰参数：在MATLAB Simulink 中设置解算器的仿真算法为“0de15s （基于数值微分公式的变阶算法）”，设定仿真时间为10s ，仿真运行的结果如下：）立体视觉运动平台左右偏航的运动跟踪曲线（图3）。（11平台控制系统方案在本设计中，平台要求的“眼睛”左右偏航运动空间范围是±60°、“头部”俯仰运动空间范围是±45°。“眼睛”左右偏航和“头俯仰运动驱动电机拟采用步进电机。该平台的主要目标是对偏部”航运动和俯仰运动位置进行精确控制，所以就要对步进电机的速度和

4、位置进行精确控制，实现对步进电机速度和位置信息的实时闭环反馈。总体的系统控制方案框图如图2所示。（2）立体视觉运动平台头部俯仰的运动跟踪曲线（图4）。该控制方案采用的是一种“步进电机+控制卡+驱动器”的全伺服闭环控制方式，它由安装在步进电机轴后端的增量式编码器来对电机进行失步检测，在步进电机丢步时使其重新恢复到正确的位置点上。所以在本运动平台中，每一个自由度都可以看作是一个带位置反馈的伺服系统，即控制系统可按二阶系统的方式进行设计，其控制传递函数为：C （s ）n 2（1）n n 按照设计指标设定系统的性能指标，暂设定系统最大超调量为p 2%，峰值时间t p 1s ，根据公式（2）、（3）：p

5、 e姨（2）158Sheji yu Fenxi 设计与分析（3）图5和图6是立体视觉运动平台左右偏航与头部俯仰电左右偏航电机施加的控制规机控制力矩随时间变化曲线。其中，律是相同的，所以控制力矩曲线相同。最大的峰值。随着静摩擦变成动摩擦，阻力下降，所以控制力矩输出迅速下降，进入稳态过程，这时系统也进入稳态。从图6中可以看出，在系统处于初始状态时，运动平台的头部是在水平平衡位置上的。当系统开始加速后，头部因为俯仰运动而失去平衡，所以瞬间电机的控制力矩输出变大，当头部俯仰运动一直在垂直面反复时，重力惯性一直作用在平台的头部，故控制电机需要不断调整控制力矩的输出，以克服头部的运动惯性，使其一直处在动平

6、衡的状态。3结语仿真分析结果表明本立体视觉运动平台在对步进电机实行闭环控制后，可以得到平顺的运动，避免由于运动的突变冲击引起步进电机的失步现象，有效保证了运动位置的控制精度，消除了位置振荡现象，位置跟踪迅速，效果明显，从而保证了整个视觉运动平台能够平稳达到预先期望的位置。仿真分析的结果进一步验证了立体视觉运动平台的机械结构设计和控制系统设计的合理性，证明了本立体视觉运动平台的设计达到了运动范围的要求，并为机器人视觉运动平台的设计或类似的设计应用提供了一个机电一体化设计的思路，有效地缩短了设计周期，并提高了设计的精确度。参考文献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：博士论文吉林：吉

7、林大学，贾云得机器视觉北京：科学出版社，朱正德零部件表面缺陷的机器视觉检测模现代零部件，（）：龙甫荟，郑南宁计算机视觉模型的研究与发展信息与控制，（）：陈立平，等机械系统动力学分析及应用教程北京：清华大学出版社，20110325收稿日期：作者简介：杨忠高（1980），男，广西人，博士研究生，讲师，研究方向：机械制造及自动化。从图3、图4中可以看出，在闭环控制系统下，对偏航运动和俯仰运动位置的控制是精确的，步进电机没有失步或超步。从图5中可以看出，在开始系统加速时，因为电机要克服传动链的静摩擦力，所以需要一个较大的力矩输出，这时控制力矩达到（上接第157页）2.2轴承润滑性能下降的原因一般来说，

8、轴承润滑性能下降主要是由于轴承内所填充的润滑脂中所含基础油高温蒸发或流失。因此，如何防止润滑脂中的基础油蒸发或流失成为本课题研究的重点。要防止润滑脂中的基础油流失，就必须提高轴承的密封性能，通常的做法是通过增加密封部位的过盈量，但过盈量的增加会使轴承在工作时摩擦力矩增大，产生大量的热量，使轴承腔体长期处于高温环境下，导致腔体中的润滑脂产生高温氧化、结碳等问题，这同样也会造成润滑脂性能下降，导致轴承噪音变大、寿命减短。另外，国产轴承密封唇的尺寸公差达不到设计要求，又为了减小摩擦力矩而加大间隙，因此往往存在漏脂现象，且防尘性能较差。在实际工作中，我们甚至发现有的间隙超过1.4mm ，这就造成当注脂

9、量较多时，漏脂严重，同时防尘性能很差；当注脂量较少时，漏脂量虽很小，但防尘性能仍然不好。这也说明防尘与漏脂相对独立，不能认为漏脂率低，防尘效果就要解决上述矛盾问题，就要利用恰当增加密封部位的过好。因此，盈量这一核心技术。2.3低温升轴承的结构要求轴承内、外套圈密封槽的加工精度要求较高，位置尺寸控制要求严，因为该尺寸直接决定了中间密封唇与轴承内圈内侧的接触量大小。接触量太大，会导致轴承转动时的摩擦力矩大，温升高，造成轴承内润滑脂高温氧化；反之，则会使轴承内的润滑脂外泄，影响轴承的密封可靠性。3结语只有控制好轴承密封的内在结构、加工精度及形位公差，才能达到一个良好的密封润滑效果，由此有效防止外界异物的入侵，并降低润滑系统的复杂性。由于轴承的密封可靠性（防水、防尘）是既相互矛盾又相互统一的整体，所以，为在规定条件下满足其既防水多内唇、低温升的轴承密又防尘的要求，在设计制造这种轻接触、封结构时必须综合考虑各种要素。参考文献胡亚杰，王志强，赵永极机械密封失效原因分析橡塑技术与装备，（）薛正堂，李业文，衡传