視覺伺服系統(tǒng)

霍敬軒+馬小康+張愛萍

摘 要：伺服系統(tǒng)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：視覺伺服；分類；分析

1 視覺伺服系統(tǒng)的分類介紹

視覺伺服系統(tǒng)一般可以根據(jù)反饋、攝像頭位置、視覺控制方式和攝像頭數(shù)量的差異進(jìn)行分類：

（1）與工業(yè)控制系統(tǒng)一樣根據(jù)有無反饋可分為兩類：開環(huán)體系和閉環(huán)體系。閉環(huán)體系這種視覺伺服系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是，攝像頭對(duì)機(jī)器人的標(biāo)定不必非常精確，系統(tǒng)就可以控制機(jī)器人按照預(yù)先的規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

（2）根據(jù)攝像頭位置的不同來分類：一般攝像頭在視覺伺服系統(tǒng)中被稱為機(jī)器人的“眼睛”，而執(zhí)行體系如機(jī)械卡爪等被稱為機(jī)器人的“手”。另一種是攝像頭安裝在執(zhí)行系統(tǒng)之外，通常叫為“眼在手外”。

（3）當(dāng)使用閉環(huán)控制體系來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)按照視覺控制方式的差異可以分為兩類：一種為基于位置的視覺伺服系統(tǒng)，第二種為基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)：在該種視覺伺服體系中偏差的主要來源為圖像，它是直接利用圖像的特征來進(jìn)行系統(tǒng)反饋的。圖2為這種視覺伺服體系的工作原理圖。

（4）按攝像頭數(shù)目分類：不同的視覺伺服體系中安放的攝像頭數(shù)量不同，所以對(duì)視覺伺服體系可以按照攝像頭數(shù)量進(jìn)行分類，當(dāng)具有一個(gè)攝像頭時(shí)稱為單目系統(tǒng)，具有兩個(gè)攝像頭時(shí)稱為雙目系統(tǒng)，攝像頭數(shù)量在兩個(gè)以上時(shí)稱為多目系統(tǒng)。

2 視覺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

視覺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀主要包括攝像頭標(biāo)定技術(shù)的研究現(xiàn)狀，邊緣檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，特征提取算法的研究現(xiàn)狀。

2.1 攝像頭標(biāo)定技術(shù)研究現(xiàn)狀

一般情況下，系統(tǒng)需要通過建立攝像頭成像的幾何模型來確定空間物體表面某點(diǎn)的笛卡爾空間坐標(biāo)與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，這些幾何模型的參數(shù)就是攝像頭參數(shù)，而這些參數(shù)大多數(shù)是通過多次實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能夠得到，這個(gè)求解參數(shù)的過程就稱之為攝像頭標(biāo)定（或攝像機(jī)標(biāo)定）。攝像頭標(biāo)定技術(shù)一般有以下三種方法：（1）一般標(biāo)定方法。（2）主動(dòng)視覺標(biāo)定方法（3）自標(biāo)定方法。

2.2 邊緣檢測(cè)算法研究現(xiàn)狀

邊緣檢測(cè)是視覺系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理與分析的基礎(chǔ)內(nèi)容，在圖像處理中起著非常重要的作用，邊緣檢測(cè)算法的好壞直接影響圖像處理的結(jié)果進(jìn)而影響系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。綜合已有的邊緣檢測(cè)技術(shù)，其算法主要有分為三類，第一種為微分算子方法。第二種方法為基于局部圖像的方法。第三種方法為基于全局的邊緣檢測(cè)方法

現(xiàn)在，邊緣檢測(cè)的主要研究重點(diǎn)是尋找灰度值強(qiáng)度的非連續(xù)性、抑制噪聲和保持邊緣定位精度等三個(gè)內(nèi)容。因此要求不同，采取的邊緣檢測(cè)方法也不相同，甚至?xí)捎脦追N方法相互結(jié)合的手段進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 特征提取算法研究現(xiàn)狀

圖像的特征檢測(cè)最基本的有直線檢測(cè)、圓檢測(cè)和橢圓檢測(cè)等。

（1）直線檢測(cè)研究現(xiàn)狀。當(dāng)前在直線檢測(cè)領(lǐng)域，使用最為廣泛的為霍夫算法和Randon算法。霍夫算法是霍夫在1962 年提出的一種在直角坐標(biāo)系下檢測(cè)直線的方法通常稱為霍夫變換，隨后在1972年Duda改進(jìn)了霍夫變換，通過極坐標(biāo)系解決了圖像的90度死角問題。

（2）圓檢測(cè)算法研究現(xiàn)狀。上述的這些直線檢測(cè)算法主要針對(duì)的直線為直線的變量數(shù)減少的情況，但是對(duì)直線的變量數(shù)增加的情況，其檢測(cè)效果就不是很明顯。因此，在對(duì)圓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，就需要對(duì)霍夫算法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠?qū)ψ兞吭龆嗟膱A進(jìn)行檢測(cè)。

（3）橢圓檢測(cè)算法研究現(xiàn)狀。在檢測(cè)橢圓圖像的算法中，有兩種算法應(yīng)用最為廣泛，一種為霍夫變換的改進(jìn)算法聚類算法，這種算法主要是根據(jù)橢圓的幾何性質(zhì)，使其降維，再通過霍夫算法進(jìn)行檢測(cè)。屈穩(wěn)太提出的基于弦中點(diǎn)霍夫變換，就是此類算法。首先是計(jì)算出對(duì)橢圓的切點(diǎn)方向，然后計(jì)算出橢圓的切線方程，最后確定橢圓的方程。另一種算法為最優(yōu)化算法，例如最小二乘法以及遺傳算法等。這些算法都是由下向上的檢測(cè)算法，都是直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

3 結(jié)束語

本文主要論述了視覺伺服系統(tǒng)分類和研究現(xiàn)狀。首先介紹了視覺伺服系統(tǒng)的分類包括四種不同的分類方法，詳細(xì)敘述了攝像頭現(xiàn)階段主流的的三種標(biāo)定技術(shù)，邊緣檢測(cè)主流的三種檢測(cè)算法，最后論述了直線、圓、橢圓等三種特征的提取算法。

參考文獻(xiàn)

[1]楊楠.PUMA560機(jī)械臂視覺伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]王鵬飛.基于RM-501機(jī)械臂視覺伺服系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[3]王麟琨，徐德，譚民.機(jī)器人視覺伺服研究進(jìn)展[J].機(jī)器人，2004，03：277-282.

[4]Chaumette F， Malis E. 2 1/2 D visual servoing： a possible solution to improve image-based and position-based visual servoings[C]//Robotics and Automation， 2000. Proceedings. ICRA'00. IEEE International Conference on. IEEE， 2000， 1： 630-635.

[5]Tsai R Y. An efficient and accurate camera calibration technique for 3D machine vision[C]//Proc. IEEE Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition， 1986.