帶跟瞄功能的視覺眼孔通信模型研究

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。