基于機器視覺的宏／微雙驅動與控制系統的研究
肖獻強1，張志宇2，張文3，李欣欣2
(1．合肥工業大學，安徽合肥230009；2吉林大學，吉林長春130025；3福田汽車股份有限公司，湖北棗陽430000)
摘要：針對目前單一的驅動方式日益不能滿足越來越多的微操作的要求，提出了利用步進電動機和壓電驅動器組成宏／微雙驅動的微操作平臺。步進電動機實現大行程移動和定位，壓電驅動器進行高精度定位誤差補償。同時為了解決宏／微雙驅動兩部分的協調控制問題，提出了利用全局機器視覺的協調控制方法，將末端執行器與目標點的距離作為控制闋值；如果當前距離大于設定的控制閩值，則起動宏動臺進行驅動定位；否則起動壓電驅動器進行定位誤差補償。試驗結果表明：系統的定位速度快，定位精度為1 μm，穩定定位時間小于40 ms。
關鍵詞：宏動臺；微動臺；壓電驅動器；控制閩值；圖像處理
中圖分類號：TM38；TM383．6 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0026—04
0引言
隨著越來越多的微操作系統在軍事工程、光通訊工程、生物工程、精密機械工程、精密光學工程等領域中的成功應用，相應地，這些領域對所應用的微操作系統也提出了更高的要求，特別是在微操作系統的運動精度、響應速度、力感覺、可控性、靈活性等方面的要求越來越高。一些工程領域要求微操作系統在大范圍運動的情況下，同時實現納米級的運動精度，也有一些工程項目要求微操作系統在快速運動的同時，具有精確的力感覺等，這些要求使得傳統的采用單一驅動方式的微操作系統越來越難以勝任。
針對上述情況，在20世紀80年代的中后期，國內外學者相繼提出了宏／微雙驅動微操作系統的初步想法。經過近20年的探索，不論是從理論論證還是從實際應用的情況，都證明了宏／微雙驅動微操作系統在很多方面的性能優于傳統的采用單一驅動方式的微操作系統[1]。宏／微雙驅動微操作系統兼備電機可大行程運動和壓電陶瓷響應快、位移分辨率高等優點。宏動部分完成系統大行程的微米級定位；然后由安裝在宏動部件上的壓電陶瓷微驅動器以高頻響動態補償系統的定位誤差，可實現微米級的分辨率和定位精度，與傳統靜態補償相比縮短了系統的穩定定位時間，提高了定位精度。
本文提出了利用步進電動機和壓電驅動器分別構成微操作平臺的宏驅動與微驅動部分，宏動臺以地面為參考物，實現大范圍的移動定位；微動臺附著在宏動臺上以宏動臺為參考物，實現末端高精度定位誤差補償。同時為了分別協調宏動臺和微動臺地相互配合完成高精度定位，提出了利用機器視覺中的圖像匹配進行末端執行器和定位目標點的識別；并兩者之間的距離作為控制閾值的控制方法，使宏動臺和微動臺共同完成特定的任務。
1宏動部分的設計
步進電動機是一種輸出與輸入數字脈沖相對應的增量驅動元件，具有快速起停、精確步進、能直接接收數字量等特點，已經廣泛應用在各個領域[2]。本文設計的宏動臺由精密直線導軌和精密絲杠組成，由步進電動機進行驅動。在XYZ三個方向上，每個方向都有由一個電機和一個絲杠導軌機構組成的驅動執行系統，分別實現置向、y向、z向三種運動。這種傳動形式的特點是結構緊湊、剛度較大，適用工作行程較大的微操作要求，如圖1所示。電機驅動的絲杠機械系統每秒移動的距離為330 Ixm，選用的精密絲杠導程為40 mm，誤差為lOμm。絲母軸軸向最小移動步距為0．33 μm[3]。
(1)宏動臺具有多自由度、大運動范圍的宏動工作臺；
(2)微動臺具有多自由度、小運動范圍的高精度的微動工作臺；
(3)機器視覺系統具有圖像處理、監視、分辨率較高的機器視覺系統，對操作工具的姿態、位置等精確定位，并具有視覺跟蹤能力，保證操作過程始終在視野中，從而實現集中式操作；
(4)宏動臺運動自控制器主要控制宏動臺的平移和旋轉運動；
(5)微動臺運動控制器主要控制微動臺的平移；
(6)主控計算機主要用來做為上位機和操作過程的監視與人機交互界面。
為了實現數字化控制電機在每個方向上的運行，宏動部分的電機配備了運動控制器。運動控制器模塊的主要功能有兩個：①高精度步進電動機的運動控制；②提供工業標準的RS一232異步串行接口，以實現與計算機的通信。
驅動控制器設計為三軸運動控制，即在一個控制器中用一個單片機分別控制三個步進電動機。單片機作為下位機，計算機作為上位機，通過RS一232串口通信。計算機與單片機通信原理圖如圖2所示。
本系統的驅動控制器采用了c8051F單片機，代替了傳統的線路復雜、成本高的步進控制器，不僅簡化了線路，降低了成本，而且可靠性大大提高，并能根據系統需要靈活改變步進電動機控制方案。
2微動部分的設計
壓電材料作為一種具有壓電效應的彈性體，當壓電陶瓷受力產生應變時，在其表面出現與外力成比例的電荷，這一現象稱為壓電效應；反之，當在壓電陶瓷上加一電場時，壓電陶瓷會產生應變和應力，這種由電場產生應變或應力的現象稱為逆壓電效應。其應變s遵從基本的逆壓電方程[4]：
式中：E為電場強度，d為壓電系數。
由于壓電材料在給其提供一定的電壓時能夠產生穩定的微米、納米量級的位移或運動，同時，壓電驅動具有線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率響應好、不發熱、無磁干擾、無噪聲等優點，并且壓電驅動器能夠實現體積小、重量輕、大功率密度的特點。因此微動部分采用壓電驅動器作為直接驅動部件[5]。
本系統采用的壓電精密驅動器是蠕動式精密直線驅動器(以下簡稱驅動器)，它的運動原理模仿了自然界的某些爬行動物類的方法，如圖3所示。在一個平行槽形軌道內，放置了一個步進式直線驅動
機構(以下簡稱驅動機構)。驅動機構由三部分構成：用于箝位的壓電疊堆A；用于直線驅動的壓電疊堆B；用于箝位的壓電疊堆c。三部分成一個“工”字形布置，并連接成一個整體。其中壓電陶瓷A和c用于箝位，B用于提供位移。按時序控制電壓，裝置可以完成如下的運動過程[6]：
第1步，壓電疊堆A得電伸長并頂緊軌道，形成箝位。
第2步，壓電疊堆B得電伸長。
第3步，壓電疊堆c得電伸長并頂緊軌道，形成箝位。
第4步，壓電疊堆A失電，d與軌道松開。
第5步，壓電疊堆B失電，B收縮。壓電疊堆c失電，c與軌道松開。至此，驅動機構向右前進了一個步長。
循環1～5步，驅動機構可不斷向右運動(步進)，如果改變時序控制信號，則驅動裝置可實現向左運動。
從步進式的工作原理可以看出三個壓電疊堆的控制信號是有時序差的，以向右運動為例，采用六節拍的工作方式，其信號波形如圖4所示。信號為方波，其幅度由具體條件決定，一般來說，在加工精度較高時，A和c的電壓幅度相同，在壓電疊堆可以承受的范圍內，盡可能地提高其電壓幅值，這樣有利于形成箝位。而B的電壓幅度則由需要伸長的距離
決定。本文制作的壓電驅動器的步長精度為O．1μm，移動速度為2．5 mm／min。
3視覺控制系統設計
為了協調控制宏／微雙驅動系統的宏動控制部分和微動控制部分，本文采用視覺伺服全局控制技術。本文的雙重驅動控制系統結構設計如圖5所示。控制系統包括相對獨立工作的宏動和微動兩部分的控制系統，其中宏動系統由步進電動機、電機驅動器以及單片機組成；微動系統由壓電陶瓷驅動電源和相關控制轉換芯片組成。
采用基于全局機器視覺伺服的宏／微統一控制策略，控制策略如下：由運行視覺伺服控制程序的主控計算機首先通過基于運動估計和圖像匹配的模式識別程序動態跟蹤和識別出微動臺上的執行工具和操作目標的相對位置距離關系。并且將微動臺上的執行工具和目標位置的距離作為控制閾值，如果它們之間的距離大于閾值時，通過異步Rs一232串口通信向電機驅動與控制系統發送相應的控制信號，起動宏動臺上相應方向上的電機；否則起動壓電微動臺，也同樣通過異步Rs-232串口通信向壓電陶瓷驅動驅動電源和相關控制轉換芯片組成的壓電驅動控制器發送相應的控制信號，起動壓電微動臺E相應方向上的壓電驅動器。
系統利用基于ccD和模式識別程序的全局視覺伺服控制系統動態地跟蹤和識別安裝在微動臺上的執行工具的位置，并把位置和執行工具要最終定位的位置進行比較；且將視覺系統識別和判斷出的執行工具和最終要定位的位置作為反饋控制信號起動相應的子控制部分。精密定位機構宏動部分進行大范圍的移動，由壓電驅動器微動臺進行快速精密定位和動態位移補償，全局視覺伺服負責整個微動臺的控制協調。
針對目前圖像匹配算法普遍存在運算量大，進而限制了視覺伺服控制技術應用的問題，本文根據絕大數微操作場合的運動空間相對比較小，且運動路徑可以通過程序預測出的特點，在進行基于圖像匹配的目標跟蹤和識別的視覺伺服控制時，并不進行全局的搜索匹配識別，而是只在系統第一次目標匹配識別時，進行全局搜索識別出目標的初始位置，以后每次匹配識別的時候，就以上次識別的位置作為初始位置，根據程序識別和判斷出目標目前位置和系統指定移動的位置的關系，判斷出目標要移動的方向和距離，然后根據微操作在一個識別周期內的移動距離，在這個初始位置偏移一定距離范圍內的一個小區域內進行匹配搜索識別，這樣使得運算量大大減小，加快了識別速度，實現了實時性的跟蹤識別[7]。
運動估計一直被用于視頻壓縮以及視頻信號的處理，它是減少視頻處理中運算量的有效方法之一。本文針對目前微操作的作業空間小、軌跡可估計等特點，將運動估計的思想引入到基于圖像匹配的視覺控制算法中來，用于微操作中的末端執行器的跟蹤和識別定位，提出了建立基于運動估計的圖像匹配方法進行運動檢測與跟蹤。基于運動估計的圖像匹配處理的假設條件是：將圖像或視頻中的目標分成許多小塊，而這些小塊完全屬于目標或者背景，按
此種假設可以檢測出足夠精確的目標[8]。
假設在運動背景下進行目標檢測與跟蹤時，幀圖像或者視頻中含有目標字母A的塊，其位置如圖6a所示。經過運動后，在下一幀視頻中這個含有目標字母A的塊出現在圖6b所示的相應位置，設A
如果程序通過前次程序運行獲得的信息能夠判斷出含有目標字母A塊的下一個時刻的運動軌跡，在進行下一次的跟蹤與識別定位的時候就沒有必要進行全局的匹配搜索，而是根據前提判斷出的軌跡在一個很小的范圍內進行匹配識別就可以了，這樣大大加速了匹配識別的速度。
如圖7所示，假設某一時刻視覺控制程序識別出含有字母A的塊在(i，j)處，而含有字母A的塊指
定的定位目標點(x，y)，那么塊的理想運動軌跡是以此時塊的位置為坐標原點和目標位置連線，此直線的斜率k和直線方程為可以通過式(2)計算出：
上式計算只是理想的運動軌跡，實際中末端執行器所附著的微動臺的運動不可能在這條理想的軌跡上運動。但在實際運用中，可以在一個識別周期t內，分別在x軸和y軸交替運動，且按這條理想運動軌跡的直線斜率^的比例交替運動。電就是說在一個識別周期t內，如果x方向運動d距離，則在y方向相應運動砌距離，經過一個識別周期的運動后，含有字母A的塊又回到理想的軌跡上了。雖實際中可能有所偏差，但經過視覺控制算法的誤差調解，基
本上可以沿著這條理想軌跡為參考線進行運動，如圖8所示。
利用此設計思路，在進行下一次的匹配識別含有字母A的時候，只要在這個含有字母A的塊上次的初始位置且沿著這條理想軌跡上移動一定距離s，s可以通過式(3)計算，且比含有字母A塊稍微大一點的范圍進行搜索匹配含有字母A塊就可以了，大大減少了圖像匹配識別運算量。
4試驗
測試系統由五部分組成：實時監視及運算視覺伺服程序的計算機、Rs-232串口通信線、顯微鏡、ccD、大恒圖像采集卡、高精度步進電動機、絲杠導軌機構及其驅動器、壓電陶瓷驅動的微動工作臺及其驅動器。本研究中采用的電機是北京和利時生產的步進電動機；壓電驅動器是日本TOⅪN公司生產的AE0505D08型壓電疊堆以及哈工大博實精密測控公司研制的HPV系列壓電陶瓷電源設計的壓電驅動器。圖9為利用宏／微雙驅動精密定位平臺以及視覺伺服控制程序測試的位移跟蹤定位曲線，從曲線可以看出定位精度較理想，定位速度快，圖10是利用本系統進行光纖對接測試圖。
5結語
本文針對自主設計的一種宏微雙驅動精密定位機構的建模以及控制方法進行了研究。采用高精度步進電機和壓電驅動器分別構成宏／微雙驅動精密定位機構的宏動部分和微動部分，該精密定位機構同時具備了步進電動機的運動行程大和壓電陶瓷響應快、位移分辨率高等優點。同時對宏／微雙驅動精密定位機構的協調控制問題進行了分析和研究，提出了利用視覺伺服控制程序來協調宏動和微動各自的局部控制問題，并且將精密定位機構的目前位置和即將要定位的位置之間的距離作為作為閾值控制的策略，進行全局協調控制精密定位機構定位到指定的位置。實驗表明：機構的動態性能和穩態性能均良好，該機構的工作行程為80 mm，穩定定位時間小于40 ms，定位精度100 nm。
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