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[導(dǎo)讀]1 引言  一般機(jī)器人具有視覺、力觸覺,而發(fā)射眼孔波的視覺機(jī)器人幾乎未見報(bào)導(dǎo)。機(jī)器人視覺識(shí)別和發(fā)射眼孔波之后,按眼孔波信息,機(jī)器人力觸覺傳感器可以進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。用視覺進(jìn)行識(shí)別,用眼孔波發(fā)射信息?! ⊙劭?

1 引言

  一般機(jī)器人具有視覺、力觸覺,而發(fā)射眼孔波的視覺機(jī)器人幾乎未見報(bào)導(dǎo)。機(jī)器人視覺識(shí)別和發(fā)射眼孔波之后,按眼孔波信息,機(jī)器人力觸覺傳感器可以進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。用視覺進(jìn)行識(shí)別,用眼孔波發(fā)射信息。

  眼孔可以發(fā)出眼孔波,眼孔波含有信息,據(jù)此首次提出機(jī)器人視覺系統(tǒng)眼孔波通信框架,以下簡(jiǎn)稱眼孔波通信框架,這種眼孔波通信跟瞄數(shù)學(xué)上同時(shí)給出其數(shù)學(xué)表達(dá)。

  眼孔波信息傳送可以用大氣激光通信系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用方法實(shí)現(xiàn)。眼孔波握手的方法:

  1、 發(fā)起者開始捕獲序列,發(fā)出眼孔波,它的位置和特性被接收者捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)。
  2、 接收者回答,發(fā)出眼孔波,他的位置和特性被發(fā)起者捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)。
  3、 發(fā)起者開始眼孔波數(shù)據(jù)傳輸。

  機(jī)器人視覺可以同時(shí)使用眼孔波通信方法,本文該技術(shù)開辟了視覺光通信的新階段。本文將小型大氣光通信系統(tǒng)引入機(jī)器人視覺系統(tǒng)中,并通過(guò)研究自動(dòng)捕獲,使視覺通信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,發(fā)射接收端可以實(shí)現(xiàn)雙向通信,從眼孔波自動(dòng)獲取短距離信息以操縱機(jī)械手工作。

2 捕獲方法:信標(biāo)光捕獲研究

  在捕獲過(guò)程中激光器或探測(cè)器應(yīng)當(dāng)覆蓋不確定區(qū)域,當(dāng)激光束被接收端探測(cè)到時(shí),開始時(shí)有一個(gè)初始瞄準(zhǔn)誤差,為了能夠開始通信,它應(yīng)當(dāng)被減少至所需的瞄準(zhǔn)誤差。在發(fā)射端和接收端可以采用基于角度分析的多種捕獲方法[1-2],在測(cè)量距離為Z的條件下,根據(jù)靶面尺寸正態(tài)瑞利分布特性,本文提出從尺寸角度將捕獲分成兩種方法見圖1、圖2:

圖1 捕獲方法

  捕獲見圖2:

圖2 Yu捕獲示意圖

  關(guān)于手動(dòng)捕獲:對(duì)遠(yuǎn)處的通信機(jī)進(jìn)行視覺眼孔觀察信標(biāo)光捕獲。在一定角度或靶面尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行。

  關(guān)于自動(dòng)捕獲:對(duì)遠(yuǎn)處的通信機(jī)進(jìn)行自動(dòng)信標(biāo)光捕獲。在一定角度或靶面尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行。

1、發(fā)射端掃描捕獲方法

  當(dāng)?shù)谝浑A段無(wú)法捕獲時(shí),保持FPA(CCD)接收端不動(dòng),發(fā)射端用發(fā)散角狹窄的信標(biāo)光激光束在不確定的區(qū)域掃描。在捕獲距離為Z的條件下,捕獲時(shí)間依賴于不確定區(qū)域尺寸對(duì)可探測(cè)光束尺寸的比例乘以在每個(gè)點(diǎn)的滯留時(shí)間。由于不穩(wěn)定抖動(dòng)的影響,為了增加額外的邊際安全,搜索過(guò)程在掃描區(qū)域之間存在著交迭,光束發(fā)散尺寸被交迭的因子修正。當(dāng)信標(biāo)光激光束被接收端探測(cè)到時(shí),開始時(shí)有一個(gè)初始瞄準(zhǔn)誤差如圖1(a) 所示。此時(shí)捕獲取景完成。

2、接收端掃描捕獲方法

  保持發(fā)射端的信標(biāo)光激光束不動(dòng),F(xiàn)PA(CCD)接收端在不確定的區(qū)域掃描視場(chǎng)。在捕獲距離為Z的條件下,捕獲的時(shí)間依賴于不確定區(qū)域尺寸對(duì)可探測(cè)光束尺寸的比例乘以在每個(gè)點(diǎn)的滯留時(shí)間。由于不穩(wěn)定抖動(dòng)的影響,為了增加額外的邊際安全,搜索過(guò)程中在掃描區(qū)域之間存在著交迭,光束發(fā)散尺寸被交迭的因子修正。當(dāng)信標(biāo)光激光束被接收端探測(cè)到時(shí),開始時(shí)有一個(gè)初始瞄準(zhǔn)誤差如圖1(b) 所示。此時(shí)捕獲取景完成。

3 信標(biāo)光瞄準(zhǔn)及瞄準(zhǔn)誤差正態(tài)、瑞利分布研究

3.1 二維瞄準(zhǔn)誤差分析

  捕獲過(guò)程是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程,在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)已對(duì)準(zhǔn)的情況下,有因?yàn)椴煌淖藨B(tài)導(dǎo)致的瞄準(zhǔn)角誤差,也有由于熱量變形而導(dǎo)致的誤差,從而使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)偏離使通信中斷。

  在兩通信機(jī)之間進(jìn)行捕獲的最流行的方法,包括在一個(gè)通信機(jī)上使用一個(gè)信標(biāo)信號(hào),在另一個(gè)通信機(jī)上使用FPA(CCD)探測(cè)和一個(gè)跟蹤系統(tǒng)。瞄準(zhǔn)系統(tǒng)精確的仰角和方位角對(duì)FPA(CCD)輸出信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)。由于跟蹤系統(tǒng)中震動(dòng)噪聲、熱量噪聲等的影響,到達(dá)接收通信機(jī)的光束會(huì)抖動(dòng),抖動(dòng)方向的瞄準(zhǔn)誤差角模型是基于法線分布的。前人給出的是角度瞄準(zhǔn)誤差分布研究[3],由于角度瞄準(zhǔn)誤差在實(shí)驗(yàn)中不如尺寸瞄準(zhǔn)誤差測(cè)量方便,本文在測(cè)量距離為Z的條件下,提出將角度瞄準(zhǔn)誤差用靶面尺寸瞄準(zhǔn)誤差表達(dá),并提出對(duì)捕獲范圍、捕獲可能性的相應(yīng)推導(dǎo)。

  俯仰角靶面尺寸瞄準(zhǔn)誤差的概率密度正態(tài)分布為:


    (1)

  和 分別是俯仰角尺寸瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)差和俯仰角瞄準(zhǔn)靶面尺寸。

  方位角靶面尺寸瞄準(zhǔn)誤差的概率密度正態(tài)分布為:


                (2)
  和 分別是方位角尺寸瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)差和方位角瞄準(zhǔn)靶面尺寸。

  輻射角靶面尺寸瞄準(zhǔn)誤差是方位角尺寸和仰角尺寸的平方和的根。


            (3)

  由對(duì)稱性我們可以假設(shè)


               (4)
 
  我們假定方位角尺寸和仰角尺寸是獨(dú)立的,并且具有相等的分布,因此輻射角靶面尺寸瞄準(zhǔn)誤差概率密度是瑞利分布:


           (5)

  在距離為Z的靶面上對(duì)應(yīng)的信標(biāo)光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑類

  似為正態(tài)分布,其振幅為:


                      = ?。?)

  其光斑截面半徑為:
              (7)

 


3.2 目標(biāo)瞄準(zhǔn)抖動(dòng)的Rician分布及瞄準(zhǔn)圖示:

  眼孔波通信抖動(dòng)瞄準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表達(dá):

  在距離Z處,抖動(dòng)的動(dòng)態(tài)分量用L表示,靜態(tài)分量用 表示,瞄準(zhǔn)誤差概率分布函數(shù)見公式(8),這個(gè)函數(shù)是Rician分布在文獻(xiàn)中[3]以角度形式討論,在本文中以尺寸形式討論;在該分布函數(shù)中 是改進(jìn)的Bessel函數(shù)見公式(9)。在靜態(tài)瞄準(zhǔn)誤差不存在的情況下,這個(gè)分布函數(shù)轉(zhuǎn)化成多數(shù)研究者更熟悉的簡(jiǎn)化形式即瑞利分布見公式(5)。


  在瞄準(zhǔn)中,瞄準(zhǔn)目標(biāo)小幅度抖動(dòng)現(xiàn)象對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)瞄準(zhǔn)是經(jīng)常存在的。在此給出抖動(dòng)目標(biāo)瞄準(zhǔn)的Rician分布及圖示圖4和圖5。

  圍繞目標(biāo)抖動(dòng),給出跟瞄ATP分析圖示見圖6:

4 結(jié)論

  首次提出機(jī)器人視覺系統(tǒng)眼孔波通信框架或眼孔波通信框架,這種眼孔波的信息傳送可以用小型大氣激光通信系統(tǒng)在機(jī)器人視覺中的應(yīng)用的方法實(shí)現(xiàn)。本文提出了眼孔波通信構(gòu)架,解決了該通信系統(tǒng)的捕獲和跟瞄問(wèn)題(ATP問(wèn)題),建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型

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