基于双目视觉技术的激光再制造机器人跟踪系统_王一如.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20220813基金项目:国家自然科学基金(No 11875230)作者简介:王一如(1983)，女，硕士，实验师，从事物理学、电子实验技术研究。基于双目视觉技术的激光再制造机器人跟踪系统王一如，樊秋波，种法力徐州工程学院物理与新能源学院，江苏 徐州221018摘要:为提高激光再制造机器人跟踪性能，研究了一种基于双目视觉技术的激光再制造机器人跟踪系统。首先分析环境信息，再利用激光器采集机器人环境信息，设计机器人跟踪控制单元，然后对机器人的运动进行控制，最后设计机器人跟踪程序。至此，完成机器人跟踪系统的设计。实验结果表明，本系统不仅缩小了激光再制造机器人跟踪误差，左右偏差均为 0.12 cm，还具有更好的激光再制造机器人避障精度，最高可达到97%，具有更高的实际应用价值。关键词:双目视觉技术;激光再制造机器人;跟踪系统;跟踪偏差;性能测试中图分类号:TN929文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.216Tracking system of laser remanufacturing robot based onbinocular vision technologyWANG Yiru，FAN Qiubo，CHONG FaliSchool of Physics and Energy，Xuzhou University of Technology，Xuzhou 221018，ChinaAbstract:In order to improve the tracking performance of laser remanufacturing robot，a tracking system of laserremanufacturing robot based on binocular vision technology is studied in this paper Firstly，the environmental informa-tion is analyzed，then the laser is used to collect the environmental information of the robot，the robot tracking controlunit is designed，then the motion of the robot is controlled，and finally the robot tracking program is designed So far，the design of robot tracking system is completed The experimental results show that the system not only reduces thetracking error of the laser remanufacturing robot，with both left and right deviations of 0.12 cm，but also has better ob-stacle avoidance accuracy of the laser remanufacturing robot，up to 97%，and has higher practical application valueKey words:binocular vision technology;laser remanufacturing robot;tracking system;tracking deviation;per-formance testing1引言随着工业机器人不断发展，激光再制造机器人应运而生1。激光再制造机器人具备感知周围环境信息的能力，确定自己位置，但其在移动过程中会遇到障碍物，有时难以准确到达目的地，因此，如何对其移动路径进行跟踪十分关键，成为激光熔覆技术智能化研究的热点24。由于激光再制造机器人跟踪是一个新的问题，传统方法主要沿用传统机器人跟踪方法，如神经网络的机器人跟踪系统，但是由于激光再制造机器人有自己的特殊性，如工作环境参数多变等，因此，跟踪效果不佳58。近些年，有学者提出一种基于改进模糊 PID 的全向搬运机器人路径跟踪控制方法9，依据机器人状态空间模型，以跟踪误差信息和电机电压为输入，输出设计控制器，再加入反向学习策略初始化麻雀种群，以完成机器人的跟踪，但这种方法的跟踪所用时间较长，效率较低;还有学者研究了一种基于自监督学习的温室移动机器人位姿跟踪方法10，构建基于时序一致性约束的自监督位姿变换估计模型，以完成路径http /www laserjournal cn跟踪，但这种方法的精度较低;也有学者设计了一种基于单应矩阵分解的轮式移动机器人视觉伺服轨迹跟踪方法11，通过欧式空间下的参考坐标系、机器人期望坐标系和当前坐标系分别构建单应矩阵等方法完成机器人跟踪，但这种方法跟踪精度低，无法有效躲避机器人移动路径上的障碍物。基于以上研究背景，将双目视觉技术应用到了激光再制造机器人跟踪系统设计中，以期为提升机器人跟踪效果提供一定帮助。2基于双目视觉技术的激光再制造机器人跟踪系统2.1激光器采集环境信息激光器可以对激光信息进行接收与反射，确定工作环境与激光再制造机器人的距离，缩小机器人的跟踪偏差12。在机器人环境信息采集过程，使两个激光器机放置在同一水平面上，由于激光器位置不同，对同一目标点可以在两个方向上进行投影，得到左右图像，通过匹配算法左右图像视差，根据双目视觉的测距原理得到场景中机器人的距离信息。2.2激光再制造机器人跟踪服务器路径规划和地图创建是构成跟踪服务器两个主要组件，路径规划组件实现的功能是在跟踪过程中为机器人提供路径支持，执行管理跟踪系统的功能13;地图创建组件的功能是将坐标点标记在电子地图中，根据坐标点分布情况，连接所有坐标点形成的线段，最后形成一个具有全局意义的电子地图，将以上信息统一储存在跟踪系统数据库中，激光再制造机器人坐标点可以根据传感器采集的信息来标记，也可以直接在跟踪过程中标记1416。激光再制造机器人跟踪服务器结构如图 1 所示。在跟踪系统的后台运行中，跟踪服务器的两个组件可以同时实现各自的功能。通过运行跟踪系统网页，跟踪系统的前端操作路径规划和地图创建两个功能点。在实际应用中，还需要在跟踪系统的硬件端口及时响应跟踪路径的请求。管理服务后台为跟踪系统的后台管理提供了路径规划功能和地图创建功能，并通过跟踪控制单元对电子地图内坐标点进行修改。由后台管理的近红外线视觉端口能够向跟踪服务器发送跟踪坐标点的具体信息，并请求跟踪服务器提供跟踪路径。基于路径规划的结果，实现了机器人跟踪任务。图 1激光再制造机器人跟踪服务器结构2.3激光再制造机器人跟踪控制单元激光再制造机器人通常采用差速驱动的方式，通过机器人左右两个轮之间的差速，使其沿着指定路径完成跟踪任务，机器人运动控制器可以计算出左右两个轮的差速。数字信号处理器是跟踪控制单元的核心，机器人控制单元通过接收左右两个轮的电机编码器反馈，计算机器人跟踪速度，并在 S232 接口位置将机器人的跟踪速度发送给 NAV200，实现定位的目的;NAV200 可以将机器人的位置和方向信息回传给跟踪控制单元，跟踪控制单元根据后台下发的跟踪任务，控制机器人的跟踪路径。跟踪控制单元可以将跟踪数据回传给系统后台的监控终端。激光再制造机器人跟踪运行示意图如图 2 所示。利用机器人跟踪控制单元进行机器人路径跟踪的原理为:将跟踪坐标点安装在工作环境中，在全局坐标系中，坐标点的位置坐标储存在 NAV200 系统中，双目视觉技术传感器可以对周围的环境进行不断的扫描，如果扫描到的坐标点超过三个，根据机器人纵轴与坐标点之间形成的夹角，计算出机器人在跟踪过程中具体位置和行走方向，控制单元可以对比跟踪路径数据和 NAV200 系统输出的数据，从而得到差速控制量，通过调整机器人左右两个轮的差速，实现激光再制造机器人的跟踪。2.4控制激光再制造机器人的运动在直线跟踪控制过程中，机器人控制器输入的参数就是机器人的位置偏差 s 和方向偏差，机器人在跟踪过程中对应的速度控制差量为 V。位置偏差s 和方向偏差 的计算公式为712王一如，等:基于双目视觉技术的激光再制造机器人跟踪系统http /www laserjournal cns=(yq yp)x (xq xp)y+(ypxq yqxp)(ya yp)2+(xq xp)2=rL(1)其中，p(xp，yp)和 q(xq，yq)表示两个跟踪节点，r表示机器人的跟踪方向，L表示机器人在跟踪的路径方向1819。图 2激光再制造机器人跟踪示意图激光再制造机器人在运行过程中，控制器的控制效果与积分参数、比例参数以及微分参数有关。积分参数可以降低机器人在直线跟踪过程中的稳态误差，比例参数可以加快机器人在直线跟踪过程中的响应偏差速度，微分偏差可以避免超调的现象。不同参数的组合情况如表 1 所示。表 1不同参数的组合情况积分参数 Kd比例参数 Kp微分参数 Ki0.230.40.741.50.160.50.341.20.560.81.0100.6激光再制造机器人在曲线跟踪控制中，位置偏差s 表示机器人中心点与预瞄点处切线之间产生的距离17，方向偏差 描述的是机器人与切线方向形成的夹角，那么 s 和 的计算公式为s=(yc yp)kp(xc xp)1+k2p=p(2)其中，(xc，yc)表示机器人中心点的位置坐标，kp表示预瞄点的切线斜率，p表示机器人与切线方向的夹角。激光再制造机器人的运动控制公式为(k)=K1s+K2+K3(k1)+K4(k2)(3)(3)其中，(k)表示 k 时刻激光再制造机器人在跟踪过程中的角速度控制量，Ki表示控制参数，(k1)和(k2)分别表示 k1 时刻与 k2 时刻的角速度控制量。根据以上过程，完成机器人的运动控制。2.2设计激光再制造机器人跟踪程序在实现跟踪的过程中，如果跟踪程序出现不稳定运行的情况，就会使激光再制造机器人出现比较大的横向偏差，因此，设计了基于 VC+编程的机器人跟踪程序，具体流程如图 3 所示。在设计跟踪程序时要保护好系统每一个构件，先设定一个阈值，当设定的阈值小于机器人的位置角和姿态角时，机器人就会停止跟踪，这时需要保证跟踪控制单元输出值是最大的，以使激光再制造机器人完成一次跟踪任务。图 3激光再制造机器人跟踪程序3仿真实验3.1实验实现步骤(1)双目视觉技术的激光器获取环境数据;812王一如，等:基于双目视觉技术的激光再制造机器人跟踪系统http /www laserjournal cn(2)将环境数据发布在系统数据库中;(3)在系统终端发布里程计数据;(4)控制激光再制造机器人运动轨迹;(5)利用跟踪程序控制激光再制造机器人在环境中移动;(6)记录实验结果并绘制实验曲线。3.2激光再制造机器人跟踪偏差对比选择文献 9、文献 10、文献 11的跟踪系统进行对比，三个跟踪系统的激光再制造机器人跟踪横向偏差测试结果如图 4 所示，其中向右偏为正值，向左偏为负值。从图 4 的结果可以看出，文献 11 的激光再制造机器人跟踪系统向左和向右偏差都是0.9 cm;文献 10 的激光再制造机器人跟踪系统向右偏差为 0.6 cm，向左偏差为 0.7 cm;文献 9的激光再制造机器人跟踪系统左右两个方向的偏差约为0.3 cm，而基于双目视觉技术的激光再制造机器人跟踪系统测试得到的左右偏差是相等的，均为 0.12 cm，远远小于另外三种系统的左右误差，原因是设计的跟踪系统可以先利用激光器和双目视觉技术识别到激光再制造机器人移动环境情况，排除环境因素对激光再制造机器人跟踪结果的不利影响。图 4激光再制造机器人跟踪横向偏差3.3激光