基于Internet与视觉反馈的闭环网络控制系统

摘要

网络控制系统是通信技术与控制理论相结合的产物，因其在信息共享，远程控制以及成本控制等诸多方面的优势而受到广泛关注，是当前控制领域的研究热点。网络控制系统由于网络的引入而导致大量问题的出现，极大的影响了控制系统的性能，其中最为突出的是网络诱导延时对系统稳定性的影响。网络诱导延时和所选取的网络息息相关，在常见的网络中，Internet遍及全球且接入成本低廉而受到关注，但Internet同时也是各种网络中诱导延时最为复杂的，所以在在Internet的基础上构建网络控制系统并对其性能进行研究具有理论和现实两方面的意义。网络控制系统分为分级结构与直接结构两种。分级结构的网络控制系统称为网络遥操作系统，而直接结构的网络控制系统则常直接称之为网络控制系统。本文主要在Internet的基础上，以二自由度机械臂为被控对象，对两种结构的网络控制系统进行了研究。主要工作如下： 第一部分的工作是在一个基于Internet的机械臂遥操作系统的基础上，在机械臂工作区域安装摄像头，一方面设计图像压缩算法压缩图像，并实现了16：1以上压缩比以减小图像数据量，然后通过网络向远程端传输压缩图像数据，在远程端实现解压和显示，达到监控机械臂工作现场的目的；另一方面利用棋盘格标定靶对摄像机进行标定以确定摄像机位姿，然后对图像进行分析，识别机械臂末端在图像中的坐标，然后通过摄像机标定结果计算机械臂末端的实际坐标，在远程端用该坐标作为反馈，补偿将要发送的轨迹点坐标。系统中的机械臂是以光电编码器为位置测量元件的半闭环控制系统，具有一定的自主行动能力，在加入图像测量后，采用Look-Move的方式实现了全闭环反馈控制。 第二部分的工作是利用Internet作为信息传递媒介，以机械臂作为被控对象实现了直接结构的网络控制系统实验平台。利用机械臂系统中的控制板卡具有开环控制的功能，使得机械臂系统处于开环状态，然后设计机械臂两个关节电机的控制器，将控制器通过网络与机械臂相连，在机械臂的主控计算机上以10ms为采样周期定时采集机械臂的位置信息，通过网络发送到控制器，控制器根据期望坐标与反馈数据计算控制量并通过网络发送到机械臂的主控计算机以驱动机械臂的关节电机运动。整个实验平台实现了网络诱导延时测量，机械臂系统的直接控制，并给出了实验结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2 网络控制系统的发展历程

1.3 网络控制系统结构与分类

1.4 网络控制系统存在的问题及研究现状

1.4.1直接结构的网络控制系统

1.4.2遥操作系统

1.5 本文的研究工作及内容安排

第二章 基于Internet与视觉反馈的机械臂遥操作系统整体设计

2.1 机械臂系统

2.2 本地服务器

2.3远程客户端

2.4网络模块

2.5本章小结

第三章 基于Internet的机械臂遥操作系统

3.1 机械臂系统

3.1.1 二自由度机械臂系统简介

3.1.2机械臂运动学模型

3.1.3机械臂系统的运动馍式

3.2机械臂本地控制系统

3.2.1机械臂本地控制系统设计思路

3.2.2机械臂本地控制系统软件结构及实现

3.3机械臂遥操作系统

3.3.1 机械臂遥操作系统设计思路

3.3.2机械臂遥操作系统软件实现

3.4本章小结

第四章 图像测量与图像压缩

4.1图像测量

4.1.1摄像机标定

4.1.2机械臂末端图像识别

4.2图像压缩

4.2.1 二维图像的DCT变换

4.2.2数据编码

4.3 图像处理模块的设计与实现

4.3.1 图像格式简介

4.3.2摄像机驱动与图像获取

4.3.3 图像处理模块的软件实现

4.4 图像处理实验结果

4.4.1角点检测算法精度分析

4.4.2综合标定误差分析

4.4.3 图像压缩与解压缩实验结果

4.5本章小结

第五章 视觉反馈及其实现

5.1 视觉反馈设计思路

5.2 视觉反馈的实现

5.2.1 视觉反馈的控制算法设计与分析

5.2.2视觉反馈的软件实现

5.3 视觉反馈下的实验结果分析

5.3.1无视觉反馈功能的遥操作系统绘图实验

5.3.2具有视觉反馈功能的遥操作系统绘图实验

5.4本章小结

第六章 机械臂网络控制系统的设计与实现

6.1引言

6.2 运动控制卡开环状态下的机械臂本地控制系统设计与实现

6.3 机械臂网络控制系统设计目标及整体结构

6.4 机械臂网络控制系统的软件设计与实现

6.4.1 软件整体结构设计

6.4.2采样模块的设计与实现

6.4.3 网络传输模块的设计与实现

6.4.4远程客户端控制器的设计与实现

6.4.5延时测量与估计模块

6.5实验结果

6.5.1 网络延时测量实验

6.5.2 四叶玫瑰线绘制实验

6.5.3 网路控制与本地控制下的阶跃响应

6.6本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文与取得的研究成果