自由變域作業的兩級定位技術

楊幸芳，嚴 凱，盧 健，馬麗萍

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

0 引 言

自由變域作業中，作業機和作業對象二者的一方相對大地固定，另一方搭載在輪式行走變域裝置上相對大地進行自由變域運動，由于輪式行走變域裝置是依靠輪子行走（就像汽車相對地面運動），其相對大地定位精度比較低，一般在數十毫米量級，許多人對提高輪式行走變域裝置的定位精度進行了研究.雷斌［1］提出基于路標的定位方法；廈田［2］則對輪式行走變域裝置視覺導航標識線邊緣特征提?。?］進行了研究；魏明明［4］對基于視覺反饋的輪式行走變域裝置的定位停車技術進行了研究.雖然這些技術都提高了輪式行走變域裝置的定位精度，但是一方面在工廠制作路標或導航標識線總是有失方便，另一方面視覺傳感器對于處理運動的視覺圖像，實時性比較差，不利于現代工廠作業高效率的要求.畢超［5］對基于激光傳感器的輪式行走變域裝置的循跡技術進行了研究，在工廠環境放置激光反射物不但不方便，而且激光對人體還會造成損害；史恩秀［6］提出基于分步式Kalman濾波器的AGV姿態角估計方法，該方法基于多種傳感器融合技術來實現，目前還處于實驗階段.自由變域作業機對加工作業定位精度要求比較高，期望在10－1mm量級以下，僅靠輪式行走變域裝置的一級定位，很難滿足作業對象相對作業機精確定位的作業要求，文中提出了一種自由變域作業機的兩級定位方法，即先利用超聲波傳感器［7－8］完成輪式行走變域裝置相對作業臺的第一級定位（也稱粗定位），然后再利用視覺傳感器完成作業機與作業對象間的第二級定位［9－10］（也稱精定位），實驗表明，本兩級定位方法具有較高的定位精度，能夠很好地滿足自由變域作業中作業機相對作業對象精確定位的作業要求.

圖1 兩級定位自由變域機械加工的配置示意圖Fig.1 Configuration schematic diagram of mechanical processing with the function of freely changing processing domain based on two－level positioning

1 兩級定位方法

自由變域兩級定位作業的配置類型有多種，圖1是兩級定位自由變域機械加工機其中一種設計的配置示意圖.圖1中，1為輪式行走變域裝置（含超聲波傳感器），2為作業機，3為視覺傳感器，4為輪式行走變域裝置位姿校正標識物，5為輪式行走變域裝置行走定位標識物，6為作業臺，7為作業對象，8為參考圖像.

其中，輪式行走變域裝置可以方便實現自由路徑變域，輪式行走變域裝置的結構示意圖如圖2所示.1－1為行走主體，1－2為驅動輪組件，1－3為數控裝置，1－4為自由輪組件，1－5為超聲波傳感器.

輪式行走變域裝置各組件的連接方式及功能描述如下：在行走主體中安裝有兩級定位自由變域機械加工機的數控裝置；在行走主體的左右各設置一驅動輪組件（共兩個），驅動輪組件由數控裝置控制，帶動行走主體自動行走和差速轉彎轉向，以實現自由路徑的導向及控制，從而實現自由路徑變域；在行走主體的前后各設置一自由輪組件（共兩個），自由輪組件為無動力源，僅起支撐作用的自由輪；在行走主體的四邊各設置有兩個超聲波傳感器（前后左右各兩個，共8個）.

對于視覺定位，采用了基于參考圖像（標準圖像）的視覺定位機制，即用參考圖像代替作業對象，視覺傳感器識別的是參考圖像而不是作業對象，實現方法是：（1）視覺傳感器安裝在作業機的末端執行器上，由作業機帶動視覺傳感器相對參考圖像進行預調整運動，標定并記憶參考圖像標定信息；（2）作業對象與參考圖像關系標定并記憶作業對象與參考圖像關系信息；（3）在粗定位基礎上，由作業機帶動視覺傳感器相對參考圖像進行識別調整運動，直至圖像識別信息與參考圖像標定信息相同為止，記下識別調整運動信息；（4）根據識別調整運動信息和作業對象與參考圖像關系信息，進行數控編程和機械作業（加工、裝配、物流交接等）.

用參考圖像代替作業對象的考慮是，由于這里只需識別作業機相對作業對象的位置及姿態特征，不需識別作業對象的形貌特征，因此用參考圖像代替作業對象可以簡化圖像識別，并可提高識別精度及效率.行走定位標識物、位姿校正標識物、驅動輪組件、數控裝置及超聲波傳感器，一起構成了輪式行走變域裝置的控制部分，數控裝置與驅動輪組件和超聲波傳感器分別連接.輪式行走變域裝置上安裝有數控加工機（本配置為5軸加工機，實際為5自由度機器人），由于輪式行走變域裝置具有大地坐標的行走及轉彎兩個自由度，因此，此兩級定位自由變域機械加工機共有7個自由度，7個自由度均由伺服電機驅動.

自由變域機械加工機可實現在不同加工工位之間的變域加工，圖3是兩級定位自由變域機械加工機的移動路線示意圖.

圖2 輪式行走變域裝置的結構示意圖Fig.2 The structure schematic diagram of the device with the function of freely changing processing domain by walking with wheel

圖3中，13為自由路徑，14為變域機械加工機，8為加工對象（大型零件），其有多個加工部位（可為內、外表面），其中的A，B，C，D即為加工對象上的待加工部位.具體實施時兩級定位自由變域機械加工機能夠沿自由路徑移動，依次完成在A，B，C，D處的定位及操作.

自由變域兩級定位，實質是在第一級定位前先進行輪式行走變域裝置的位姿校正，然后再進行輪式行走變域裝置的第一級定位，最后再進行加工機的第二級定位.

1.1 基于超聲波傳感器的一級定位

圖3 兩級定位自由變域機械加工機移動路線示意圖Fig.3 The schematic diagram of moving route of the mechanical processing machine with the function of freely changing processing domain based on two－level positioning

文中基于超聲波傳感器的一級定位輪式行走變域裝置的導向和行走均為數字伺服控制，采用伺服電機驅動和差速轉彎轉向，可以方便地實現自由路徑變域.輪式行走變域裝置上共安裝了8個超聲波傳感器（前后左右各兩個），這些超聲波傳感器在行走途中進行避障探測［2－3］，將得到的信息及時輸入數控裝置進行處理，控制驅動輪組件動作，避免與其他無關物體碰撞；在輪式行走變域裝置到達加工站點之前，前方的兩個超聲波傳感器首先與預設的位姿校正標識物配合采集位置參數，通過數控裝置及時進行計算并控制驅動輪組件，調節輪式行走變域裝置的兩個自由度變化，進行位姿校正得到一個初步定位，以修正輪式行走變域裝置在行走途中的累積位姿誤差，這為提高輪式行走變域裝置的定位精度奠定基礎；然后，這兩個超聲波傳感器再與預設的定位標識物配合，進行輪式行走變域裝置的最終定位，即實現兩級定位自由變域機械加工機的第一級定位.

閆鷹［11］對輪式行走變域裝置（其研究對象為自動導航車AGV）的定位進行了研究，在對AGV運動學模型分析的基礎上，建立了AGV的運動學方程，采用位姿開環與閉環控制相結合的方式對AGV的定位軌跡進行控制，并在建立超聲波測距模型的基礎上，采用超聲波傳感器進行了AGV定位精度的實驗.實驗均在實驗室環境中進行，且AGV行駛的路況較好，定位用的超聲波反射板也較為平直.實驗數據表明，AGV定位的位置誤差在±5mm以內，角點誤差小于±0.50.

1.2 基于視覺傳感器的二級定位

視覺傳感器在工業中的應用相當新穎且發展迅速.當加工機處在正確的加工位置時，在每個加工部位視覺定位傳感器均可采集一幅參考圖像的圖像作為標準圖像，待下次自由變域機械加工機到來時，由于輪式行走變域裝置的一級定位精確較差，故此時視覺傳感器所攝圖像（稱為實時圖像）已不同于標準圖像.為了實現精確加工，此處利用實時圖像與標準圖像的差來引導加工機實現精確定位，這一級定位是基于視覺的，故稱為基于視覺（或視覺傳感器）的二級定位.

兩級定位自由變域機械加工機中的數控加工機通過安裝在其末端執行器上的視覺傳感器采集參考圖像的圖像數據，數控裝置及時進行計算并控制調整加工機的各運動自由度（各關節）運動，直至視覺傳感器識別到的參考圖像的信息與預先標定的參考圖像的信息相同，即實現了視覺傳感器與參考圖像的相對定位，由于視覺傳感器安裝在加工機末端執行器上，參考圖像與作業對象關系已標定，這樣即可確定加工機與作業對象之間的位姿關系.

直接利用圖像特征對機器人進行控制，控制器的給定是目標的圖像特征，利用視覺檢測目標的當前圖像特征作為反饋，以圖像特征的偏差控制機器人的運動.因此，在基于圖像的視覺控制中，要給出期望的圖像特征.輪式行走變域裝置在標準位置采集的圖像即為期望圖像，從期望圖像中提取的標識物特征作為期望的圖像特征.

圖4 基于圖像的視覺控制框圖Fig.4 The visual control block diagram based on image

圖4為基于圖像的視覺控制框圖，它由兩個閉環構成，外環為圖像特征閉環，內環為關節位置閉環，視覺反饋量為標識物的當前圖像特征，將當前圖像特征與期望圖像特征比較得到特征偏差，根據該偏差設計機器人末端微分運動調整策略，實現圖像空間偏差到笛卡爾空間偏差的轉換，對應的轉換矩陣稱為圖像空間到笛卡爾空間微分運動的雅克比矩陣.根據機器人的當前位姿，由機器人末端微分運動量得到希望的機器人末端在笛卡爾空間的位姿，利用機器人的逆運動學計算出關節空間的位置給定，即粗定位；然后由6路關節位置控制器，根據各個關節的期望位置對機器人的運動進行控制.通過機器人本體各個關節的運動，使得機器人的末端到達期望的位置和姿態.實驗表明，基于視覺的二級定位精度可以達到0.01mm［12］.

2 結束語

針對自由變域作業中輪式行走變域裝置相對大地定位精度比較低，而自由變域作業機對加工作業定位精度要求又較高的情況，文中提出了一種自由變域作業機的兩級定位方法：先利用超聲波傳感器完成輪式行走變域裝置相對作業臺的第一級定位，然后再利用視覺傳感器完成作業機與作業對象間的第二級定位，即精定位.實驗表明，兩級定位方法能夠有效滿足作業機相對作業對象精確定位的要求.

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