【摘要】为了解决并联机器人双目主动视觉平台的运动灵活性问题，构建了多自由度运动机构，给出了双目主动视觉平台多自由度运动控制方法。对交流伺服电机的闭环控制策略进行研究，并将其应用到运动机构中；采用串口通信协议实现了2自由度数字云台与主机的联网和通信，以及摄像机位姿的调整。该方法基于主控计算机并行地实现多自由度运动机构各运动副的控制，扩展性好，运动稳定，具有较高的视觉监测速度和运动精度。
【关键词】多自由度；运动控制；伺服电机；闭环控制
并联机器人通过向末梢执行器下达指令，来控制切削刀具的位姿，而缺乏对其工作状态的主动认知，因此，引入双目主动视觉平台对自身状态进行观测，以期提高控制精度。该平台由多自由度运动控制系统和视觉服务系统组成，而多自由度运动控制系统的精度和速度是视觉服务系统的基础。
传统的双目主动视觉机构类似人的头眼系统，通过控制头眼的转动难以实现观测的灵活性和视觉避让，同时受并联机器人多链结构影响，视觉遮挡机率更高。E. Samson等人研制的双目主动视觉灵巧眼ASP（Agile Stereo Pair），视觉遮挡机率较低，却仅能控制双目在直线方向上的移动。赵晓光等人建立的一种立体视觉监控装置（专利号200420077838.5），对安装在相互垂直导轨上的两台摄像机进行控制，基线方向可调，但视角调整灵活性有限。
针对上述问题，基于双目主动视觉监测平台，构建了多自由度运动控制系统。基于主控计算机实现伺服电机、数字云台的并行控制，由伺服驱动器和伺服电机构成闭环控制系统，通过4轴电机控制卡实现对多自由度运动机构中小车和云台位置的调整；采用串口通信协议完成数字云台的联网和通信，实现了双目基线可调，大视角观测的控制。
1.多自由度运动机构描述
多自由度运动机构如图1所示。并联机器人工作在多自由度运动机构的可视区域，安装了圆形导轨的驱动齿圈固定，导轨上配备了两个电机驱动的小车，可绕齿圈做圆周运动，每个小车上装有垂直丝杠，摄像机通过云台固定在垂直丝杠的滑块上，云台可通过俯仰和摆动两个自由度调整摄像机的姿态，垂直丝杠下端的电机通过控制丝杠的转动调整摄像机的高度。运动控制系统主要实现电机驱动的小车和垂直丝杠在两个自由度下的控制，以及数字云台两个自由度的控制。
2.多自由度运动控制系统设计方案
为了满足视觉服务系统对视域监测信息的需求，多自由度运动控制系统应该具有较好的控制稳定性，以及较好的扩展性，选取工控机作为主控计算机，对驱动电机、数字云台和摄像机进行并行控制。考虑到平台齿圈的阻力和运行平稳性，选取交流伺服电机作为小车和丝杠的驱动电机，通过伺服驱动器驱动电机形成闭环交流伺服系统，在工控机配以电机控制卡对伺服驱动系统发送控制信号；数字云台运动力矩较小，选取步进电机作为其控制电机，通过串口连接到工控机；摄像机安装在云台上，需要将拍摄到的图像快速的送入工控机，因此，通过1394接口将摄像机和主控计算机连接。多自由度运动控制系统方案如图2所示。
3.多自由度运动控制方法
多自由度运动机构中，小车驱动电机和垂直丝杠驱动电机的运动决定摄像机的空间位置，云台步进电机的运动决定摄像机的姿态，各运动副之间的并行控制是视觉监测速度的关键。
3.1 交流伺服电机控制
多自由度运动机构中，采用主控计算机+运动控制卡的开放式控制方式实现伺服电机的控制，运动控制卡以插卡形式嵌入主控计算机，主控计算机负责伺服控制系统状态的实时监控和人机交互的管理等工作；运动控制卡完成伺服电机运动控制的所有细节。本文选用和利时公司的SYNTRON6050系列4轴电机运动控制卡，采用研华公司的IPC-610H工控机作为主控计算机，电机运动控制卡插入工控机的PCI插槽中。
3.1.1 电机运动控制卡
电机运动控制卡与主控计算机构成上下位机型的主从式数字控制系统，用于伺服电机的控制。以DSP芯片作为运动控制卡的核心处理器，完成复杂的运动控制算法、插补算法和进行保护中断的处理，特别是伺服周期内位置控制和速度控制；以FPGA芯片作为协处理器实现鉴相的处理与编码信号的采集，对模拟量和脉冲进行输出和配置，把DSP处理过的控制数据经过内部转换送到外部设备，并管理各种外部设备和DSP的接口配置，FPGA在多轴控制中能进行真正的并行处理。
DSP通过外设接口XINTF与FPGA进行通信，FPGA通过DSP的外部中断XINT1和XINT2来触发DSP接受运动控制命令和参数，DSP接受到命令后，根据工作协议调节自身进入定义的工作状态。同时，DSP在遇到错误或工作完成情况时，自动给FPGA发送反馈消息。FPGA负责接受PCI局部总线的命令和参数，对其处理后发送给DSP，下达运动控制指令，同时反馈信息给PCI局部总线，并且控制系统外围D/A模块， I/O模块，键盘输入等。
3.1.2 交流伺服系统的硬件连接
选用SYNTRON公司的GS0020B作为伺服驱动器，集成美国TI公司的DSP核心控制芯片，采用先进的全数字电机控制算法，完全以软件方式实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制，具备良好的鲁棒性和自适应能力，适用于需要快速响应的定位控制与精密转速控制的应用系统。电机运动控制卡、交流伺服驱动器和交流伺服电机的硬件连接电路如图3所示。
3.2 云台控制器接口与通信
主控计算机通过云台控制器实现云台俯仰和水平摆动方向的控制，以实现摄像机姿态的调整。主控计算机采用异步通信接口RS485与云台控制器通信。由于运动控制系统需要主控计算机并行控制两个云台，本系统将云台控制器和主控计算机组成控制网络，通过设置ID的方式对云台控制器进行区分，实现对网络中云台的控制，云台控制器和主机联网的方法如下。
（1）确定云台控制器在主控计算机中的物理位置：连接控制器和主机的扩展卡相对CPU的位置；
（2）设定云台控制器的ID号，同一网络中ID号唯一：根据物理位置和CPU的距离确定ID号；
（3）将标识为ID0的云台控制器连接到主机的RS485接口，所有云台通过RS485 接口连接到其相应的控制器。
PC机与云台的一次完整通信由PC发送指令和被控设备反馈两部分构成。指令数据流的发送和数据流的反馈之间需要有10ms 的延时，用来稳定RS485总线上的信号，如果回送数据是约定好的正确代码，则通讯成功；但反馈数据流必须在200ms 以内反馈数据，如果没有反馈，则主机认为当前的总线上没有设备号为发送指令数据流中的ID 编码的设备。
4.总结
双目主动视觉平台多自由度运动控制系统基于主控计算机实现了伺服电机、数字云台的并行控制。由伺服驱动器和伺服电机构成了闭环控制系统，通过4轴电机控制卡实现对多自由度运动机构中小车和云台位置的调整；采用串口通信协议完成数字云台的联网和通信，实现了摄像机位姿的调整。运动控制系统实现了双目运动的灵活性，基线可调，满足大视角观测的需要，当发生视觉遮挡时，可以通过调整摄像机的位置和姿态进行避让。该系统硬件结构简单，扩展方便，视觉监测速度较快，具有较高的运动稳定性和运动精度。
参考文献
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本文荣获河南省重点科技攻关项目资助（项目编号：122102210065）。
作者简介：
李晓辉（1981—），男，河南孟州人，硕士，助教，研究方向：机器视觉，图像处理。
李明彩（1982—），女，河南延津人，硕士，讲师，研究方向：图像处理。