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1、本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）机器人眼部视觉识别伺服系统的研究机器人眼部视觉识别伺服系统的研究题目题目作者作者学院学院专业专业学号学号指导教师指导教师二 年 月 日湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的本科毕业论文（设计） ，是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本科毕业论文（设计）作者签名：二 年 月 日摘摘 要要首先,分析了人眼眼球运动
2、的特点和形式.然后,在人眼解剖学和生理学研究的基础上,根据控制眼球运动的神经回路,建立了可实现人眼功能的仿生型机器人眼三维眼球运动控制系统的数学模型.在与生理学试验相同的条件下对该模型用Matlab 进行了仿真,仿真结果与生理学实验结果对比表明,该模型能自适应地实现人眼的平滑追踪、前庭动眼反射、视动反射及其复合运动.关键词关键词:建模;机器人眼;仿生眼;眼球运动控制;自适应AbstractFirstly, analyzes the characteristics and forms of the human eye movement. Then, based on the anatomical
3、 and physiological research of human eyes, according to the neural circuit of eye movement control, established the mathematical model of the human eye can realize the function of biomimetic robot eye 3D oculomotor control system. In the same experimental conditions and physiology of the model uses
4、the Matlab simulation experiments, simulation results and physiological experiments. The results show that the model can adaptively achieve smooth eye tracking, vestibular ocular reflex and optokinetic reflex and composite motion.Key words: modeling; robot eye; bionic eye; eye movement control; adap
5、tive目录目录摘 要3Abstract 4目录5第 2 章 绪论61.1 引言.61.2 机器人视觉伺服系统发展概况61.3 研究内容.8第 2 章 仿生眼球研究基础92.1 两眼结构分析92.2 两眼视觉神经网络92.3 人眼眼球运动的基本形式11第 3 章 机器人眼部信息获取133.1 视觉伺服系统的要求分析及基本硬件选取.133.1.1 摄像机的选择.133.1.2 处理器及平台的选择143.2 视觉系统结构的选择.143.2.1 单目视觉系统.153.2.2 双目视觉系统.153.2.3 多目视觉系.153.3 摄像机.153.3.1 摄像机同步采集与同步处理问题的解决.163.3.
6、2 双摄像机的同步采集.163.4.2 图像采集与图像处理的同步17第四章 机器人眼系统建模194.1 两眼运动控制系统194.2 眼部仿人运动建模19第五章 结论22参考文献23致谢24第第 2 章章 绪论绪论1.1 引言引言机器人是一种人工智能，能够感知、预测、决策和协调运动，从而真正实现人类与运动对抗的自动化机器。机器人作为一个展示系统集成和技术水平的良好平台，具有很高的研究价值和深刻的实践意义和广阔的应用前景，关键技术涉及到许多领域的辐射都可以。机器视觉伺服系统作为机器人的眼睛。为大脑提供信息以完成任务，实现感知和预测的功能。因此，机器视觉伺服系统是机器人的重要组成部分，有必要对视觉系
7、统的体系结构、算法的功能和设计进行研究。目前机器人的研究已经取得了一定的进展，已经能够在简单的场景中完成初步的人机对抗，但仍有简单的人机对抗模式进行真实场景仿真，存在程度低的问题。而对于国内机器人起步较晚的研究，最早实现的实际系统是由浙江大学在当年研制的双拍、单目视觉、一七自由度气动机器人的基础上实现的一个简单函数。随着研究工作的开展，取得了一定的进展，但仍有许多方面有待改进。鉴于机器人系统其所需技术的实用价值及易拓展性,而视觉技术作为机器人系统中的重要组成部分,是机器人完成击球任务的重要前提和基础,机器视觉伺服作为感知、预测的一种重要的技术手段,对其进行专门的研究不论从“技术”层面还是“教学
8、”层面都具有重要意义。1.2 机器人视觉伺服系统发展概况机器人视觉伺服系统发展概况机器人的研究已经使用了很多年，视觉伺服系统应用到机器人的机器人的一部分。作为展示科学技术实力的重要平台之一，机器人的研究正在迅速发展。总的来说，机器人的速度比国内和国外发展的更快，而且对热的发展日新月异，研发投入的增长，而变的困难和简单的变向复杂的使用相应的技术，从单功能向多功能智能化发展。在视觉伺服系统中发挥着重要的作用，外部图像实时采集的实现，图像处理技术实现三维视觉技术应用的检测来实现定位与跟踪中的应用，准确地根据球的赛道时间，适当的模型的位置、速度等信息，实时这是一种精度要求是机器人视觉技术的应用，最重要
9、和最难的部分是这个主要方面不同于传统的图像处理技术。从功能实现的角度，对国内外重点检测机器人视觉伺服系统，定位和跟踪来实现精确的球，在一个特定的模型，根据未来轨迹的信息已经被球球的准确预测和提供给执行机构控制器的预测结果。视觉系统结构、图像处理方法、轨迹预测与跟踪方法、预测模型等具体技术不尽相同，各种各样。七自由度仿人机械手是在上个世纪发展起来的，日本的东芝公司在中间的一个视觉系统的打击是双目视觉系统由两个模拟相机，相机采样率和分辨率的像素帧每秒。宾夕法尼亚大学的贝尔实验室在大多数年开发的机器人可以连续两轮取得的罢工行动，利用视觉伺服功能的视觉系统，由一个分辨率的像素，一个模拟摄像机帧每秒的采
10、样率，并已在 FIRST 机器人竞赛冠军的瑞士苏黎世联邦工业大学开发的机器人使用双目立体视觉系统的摄像机的分辨率，在香港举行的帧每秒的采样率。在日本大阪大学开发的机器人是一个独立的图像处理组，它与两个同步触发摄像机连接。和局部加权回归分析法预测对高精度的边缘球的运动轨迹，实现了人机播放功能，他们目前视觉伺服的工作方向是实现对对手的态度，球和球拍的手势识别，球的轨迹，旋转式的期待，臂球运动时间赢得了更多的。而美国等人开发的机器人是用在单目视觉系统中，确定三维位置是根据图像平面的投影面积来确定尺寸，但这种方法的精度较低，实际效果不理想。从今年开始，实验室研制的三代机器人，第二代、第三代已经实现了许
11、多人拍打着球，和第三代机器人控制回球的位置，也取得了不错的进展，奠定了浙江大学的硕士学位实现基础两章介绍机器人的集会。第一代机器人是一个球的影子球单目视觉系统，固定光投影在图像平面上的位置来实现三维定位，但定位精度不是很理想，从双目视觉系统的第二代和第三代，实现高精度的定位跟踪和预测更准确。人类对客观世界的感知超过 90%的信息是通过眼睛获得的。人眼具有许多特殊的自然特征，如眼睛只能看同一目标的跟踪，通过头部运动引起的视觉偏差补偿，您可以快速切换目标，能够顺利地跟踪目标，可以在后台等看到物体的运动是由不同形式的运动，眼球运动的实现。在机器人上， “眼睛”是一种重要的传感装置。仿生机器人人眼与人
12、眼的许多功能。目前，各种特征和人体运动已被模仿，但他们中的大多数只能达到一一个或几个运动，只有一维水平运动。本文主要研究仿生机器人眼控制系统三维运动的建模，对前庭动眼反射、视动反射平稳跟踪三运动的计算机仿真模型的应用，并将实验结果与生理研究的仿真结果，验证了模型的正确性。1.3 研究内容研究内容本文的工作主要由以下几个部分组成1 机器人视觉伺服系统硬件平台的搭建及软件程序的设计与实现。2 的准确检测、定位、跟踪算法及摄像机自定位算法的改进3 与球桌碰撞过程模型的研究及飞行轨迹预测模型的改进。4 拍的检测及姿态识别算法的研究。第一部分，建立了机器人视觉伺服系统硬件平台的详细介绍，包括系统硬件的选
13、择和要求的分析，构建了基于双目视觉的结构，相机同步，图像同步采集、图像处理程序同步，实现了视觉系统的软件框架设计、程序流程，介绍了各部分的功能。第二部分,对的准确检测、定位及跟踪算法进行详尽的介绍和分析,提出改进的检测、跟踪算法并以实验结果佐证为了满足本体视觉的需要,文章还给出了一个线性的、快速的、足够精确度的视觉自定位算法,并通过实验验证了算法的有效性。碰撞过程模型的研究及模型的建立,以及飞行过程中的轨迹建模及预测模型的改进。第四部分,作为进一步完善机器人视觉伺服系统功能完善的一部分,对对方球拍进行跟踪检测,提前预知对方回球方向以给手臂提供更多的运动时间是一个可行的途径。文章将在此部分提出一
14、种新的、简便的、精度较高的球拍姿态检测算法,对其进行详尽的推导分析,并与其他方法进行了实验对比分析。最后是论文的总结,总结已经取得的进展以及当前的视觉系统的状况,指出存在的不足,并为后续工作提出自己的建议。第第 2 章章 仿生眼球研究基础仿生眼球研究基础2.1 两眼结构分析两眼结构分析从解剖学的角度来看，眼球是由巩膜（Sclera） 、角膜（Cornea） 、瞳孔（Pupil） 、透镜（Lens） 、虹膜（Iris） 、睫状体（Ciliary body） 、视神经（Optic nerve） 、视网膜（Retina） 、脉络膜（Choroids）等组成，见图 1 所示。图 2-1 眼球水平切片并
15、且人类视觉系统可分为 4 个部分：眼睛、视神经、侧釉质和视皮层。神经从眼睛画，这是部分交叉于视交叉，即只有一半的横向搪瓷达成，而另一半到达同侧的外釉。外釉质不仅是视觉信息的中继站，还可以调节和处理视觉信息，由中继细胞形成的视觉辐射与大脑后叶的视皮层相连。当场景位于眼球的视网膜时，视网膜细胞将能量转换成电脉冲。这些冲动通过视觉神经传递给视觉皮层。眼睛是关键的 4 个部分。2.2 两眼视觉神经网络两眼视觉神经网络在研究人的两眼运动控制时，为了简化人类复杂的视觉神经网络及其反馈控制系统，主要考虑眼球运动中最为重要的水平运动，头部运动也限于在水平面上作旋转运动。为此，以人的视觉生理学和解剖学的研究成果
16、为基础，用图中来描绘人的视觉神经网络和两眼与视标之间的透视关系1-3。图中的黑星和虚线表示抑制性神经元和抑制性神经通路，白星和实线表示兴奋性神经元和兴奋性神经通路。 从图 2-1 知道，人的两眼视觉以左、右对称为中心轴 CL，构造人的视觉神经网络。以左眼为例，从左水平半规管 HSCl 来的兴奋性神经信号与左前庭核 VNl 内第 I 类神经元相连；从左眼球鼻侧网膜来的神经和左眼球中心窝的一部分神经交叉后，与右眼球中心窝来的一部分神经汇合在一起，经过左视索核 NOTl 和左桥被盖网样核 NRTPl，最后到达左前庭核 VNl 内第 II 类神经元。从左耳侧网膜来的神经经过左外侧漆状体 LGNl、左大脑皮质视觉领 VCl、左被外侧桥核 DLPNl 后，与左前庭核 VNl 内的第 II 类神经元相连。 从左前庭核 VNl 出发到右眼筋（MRr、LRr）为止的兴奋性神经通路分别如下：(1)从左前庭核 VNl 内第 I 类神经元出发到达右前庭核 VNr 内第 II 类神经元；(2)从左前庭核 VNl 内第 I 类神经元出发，经过左动眼运动核 OMNl 后到达左 MRl
