带跟瞄功能的视觉眼孔通信模型研究

1 引言

　　一般机器人具有视觉、力触觉，而发射眼孔波的视觉机器人几乎未见报导。机器人视觉识别和发射眼孔波之后，按眼孔波信息，机器人力触觉传感器可以进行相应动作。用视觉进行识别，用眼孔波发射信息。

　　眼孔可以发出眼孔波，眼孔波含有信息，据此首次提出机器人视觉系统眼孔波通信框架，以下简称眼孔波通信框架，这种眼孔波通信跟瞄数学上同时给出其数学表达。

　　眼孔波信息传送可以用大气激光通信系统在机器人中的应用方法实现。眼孔波握手的方法：

　　1、 发起者开始捕获序列，发出眼孔波，它的位置和特性被接收者捕获、跟踪、瞄准。
　　2、 接收者回答，发出眼孔波，他的位置和特性被发起者捕获、跟踪、瞄准。
　　3、 发起者开始眼孔波数据传输。

　　机器人视觉可以同时使用眼孔波通信方法，本文该技术开辟了视觉光通信的新阶段。本文将小型大气光通信系统引入机器人视觉系统中，并通过研究自动捕获，使视觉通信实现自动化，发射接收端可以实现双向通信，从眼孔波自动获取短距离信息以操纵机械手工作。

2 捕获方法：信标光捕获研究

　　在捕获过程中激光器或探测器应当覆盖不确定区域，当激光束被接收端探测到时,开始时有一个初始瞄准误差，为了能够开始通信，它应当被减少至所需的瞄准误差。在发射端和接收端可以采用基于角度分析的多种捕获方法[1-2]，在测量距离为Z的条件下，根据靶面尺寸正态瑞利分布特性，本文提出从尺寸角度将捕获分成两种方法见图1、图2：

图1 捕获方法

　　捕获见图2：

图2 Yu捕获示意图

　　关于手动捕获：对远处的通信机进行视觉眼孔观察信标光捕获。在一定角度或靶面尺寸范围内进行。

　　关于自动捕获：对远处的通信机进行自动信标光捕获。在一定角度或靶面尺寸范围内进行。

1、发射端扫描捕获方法

　　当第一阶段无法捕获时，保持FPA(CCD)接收端不动，发射端用发散角狭窄的信标光激光束在不确定的区域扫描。在捕获距离为Z的条件下，捕获时间依赖于不确定区域尺寸对可探测光束尺寸的比例乘以在每个点的滞留时间。由于不稳定抖动的影响，为了增加额外的边际安全，搜索过程在扫描区域之间存在着交迭，光束发散尺寸被交迭的因子修正。当信标光激光束被接收端探测到时，开始时有一个初始瞄准误差如图1(a) 所示。此时捕获取景完成。

2、接收端扫描捕获方法

　　保持发射端的信标光激光束不动，FPA(CCD)接收端在不确定的区域扫描视场。在捕获距离为Z的条件下，捕获的时间依赖于不确定区域尺寸对可探测光束尺寸的比例乘以在每个点的滞留时间。由于不稳定抖动的影响，为了增加额外的边际安全，搜索过程中在扫描区域之间存在着交迭，光束发散尺寸被交迭的因子修正。当信标光激光束被接收端探测到时，开始时有一个初始瞄准误差如图1(b) 所示。此时捕获取景完成。

3 信标光瞄准及瞄准误差正态、瑞利分布研究

3.1 二维瞄准误差分析

　　捕获过程是一个统计过程，在发射机和接收机已对准的情况下，有因为不同的姿态导致的瞄准角误差，也有由于热量变形而导致的误差，从而使发射机和接收机偏离使通信中断。

　　在两通信机之间进行捕获的最流行的方法，包括在一个通信机上使用一个信标信号，在另一个通信机上使用FPA(CCD)探测和一个跟踪系统。瞄准系统精确的仰角和方位角对FPA(CCD)输出信号产生响应。由于跟踪系统中震动噪声、热量噪声等的影响，到达接收通信机的光束会抖动，抖动方向的瞄准误差角模型是基于法线分布的。前人给出的是角度瞄准误差分布研究[3]，由于角度瞄准误差在实验中不如尺寸瞄准误差测量方便，本文在测量距离为Z的条件下，提出将角度瞄准误差用靶面尺寸瞄准误差表达，并提出对捕获范围、捕获可能性的相应推导。

　　俯仰角靶面尺寸瞄准误差的概率密度正态分布为：

　　　 （1）

　　和 分别是俯仰角尺寸瞄准标准差和俯仰角瞄准靶面尺寸。

　　方位角靶面尺寸瞄准误差的概率密度正态分布为：

　               （2）
　　和 分别是方位角尺寸瞄准标准差和方位角瞄准靶面尺寸。

　　辐射角靶面尺寸瞄准误差是方位角尺寸和仰角尺寸的平方和的根。

　　          （3）

　　由对称性我们可以假设

　              （4）
 
　　我们假定方位角尺寸和仰角尺寸是独立的，并且具有相等的分布，因此辐射角靶面尺寸瞄准误差概率密度是瑞利分布：

　          （5）

　　在距离为Z的靶面上对应的信标光远场光斑类

　　似为正态分布，其振幅为：

                      = 　（6）

　　其光斑截面半径为：
　             （7）

3.2 目标瞄准抖动的Rician分布及瞄准图示：

　　眼孔波通信抖动瞄准的数学表达：

　　在距离Z处，抖动的动态分量用L表示，静态分量用 表示，瞄准误差概率分布函数见公式（8），这个函数是Rician分布在文献中[3]以角度形式讨论，在本文中以尺寸形式讨论；在该分布函数中 是改进的Bessel函数见公式（9）。在静态瞄准误差不存在的情况下，这个分布函数转化成多数研究者更熟悉的简化形式即瑞利分布见公式（5）。

　　在瞄准中，瞄准目标小幅度抖动现象对运动目标瞄准是经常存在的。在此给出抖动目标瞄准的Rician分布及图示图4和图5。

　　围绕目标抖动，给出跟瞄ATP分析图示见图6：

4 结论

　　首次提出机器人视觉系统眼孔波通信框架或眼孔波通信框架，这种眼孔波的信息传送可以用小型大气激光通信系统在机器人视觉中的应用的方法实现。本文提出了眼孔波通信构架，解决了该通信系统的捕获和跟瞄问题（ATP问题），建立了相应数学模型。