1 引言

　　一般機器人具有視覺、力觸覺，而發(fā)射眼孔波的視覺機器人幾乎未見報導。機器人視覺識別和發(fā)射眼孔波之后，按眼孔波信息，機器人力觸覺傳感器可以進行相應動作。用視覺進行識別，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，據此首次提出機器人視覺系統(tǒng)眼孔波通信框架，以下簡稱眼孔波通信框架，這種眼孔波通信跟瞄數(shù)學上同時給出其數(shù)學表達。

　　眼孔波信息傳送可以用大氣激光通信系統(tǒng)在機器人中的應用方法實現(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。
　　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。
　　3、 發(fā)起者開始眼孔波數(shù)據傳輸。

　　機器人視覺可以同時使用眼孔波通信方法，本文該技術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)引入機器人視覺系統(tǒng)中，并通過研究自動捕獲，使視覺通信實現(xiàn)自動化，發(fā)射接收端可以實現(xiàn)雙向通信，從眼孔波自動獲取短距離信息以操縱機械手工作。

2 捕獲方法：信標光捕獲研究

　　在捕獲過程中激光器或探測器應當覆蓋不確定區(qū)域，當激光束被接收端探測到時,開始時有一個初始瞄準誤差，為了能夠開始通信，它應當被減少至所需的瞄準誤差。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]，在測量距離為Z的條件下，根據靶面尺寸正態(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

　　關于手動捕獲：對遠處的通信機進行視覺眼孔觀察信標光捕獲。在一定角度或靶面尺寸范圍內進行。

　　關于自動捕獲：對遠處的通信機進行自動信標光捕獲。在一定角度或靶面尺寸范圍內進行。

1、發(fā)射端掃描捕獲方法

　　當?shù)谝浑A段無法捕獲時，保持FPA(CCD)接收端不動，發(fā)射端用發(fā)散角狹窄的信標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，捕獲時間依賴于不確定區(qū)域尺寸對可探測光束尺寸的比例乘以在每個點的滯留時間。由于不穩(wěn)定抖動的影響，為了增加額外的邊際安全，搜索過程在掃描區(qū)域之間存在著交迭，光束發(fā)散尺寸被交迭的因子修正。當信標光激光束被接收端探測到時，開始時有一個初始瞄準誤差如圖1(a) 所示。此時捕獲取景完成。

2、接收端掃描捕獲方法

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

3 信標光瞄準及瞄準誤差正態(tài)、瑞利分布研究

3.1 二維瞄準誤差分析

　　捕獲過程是一個統(tǒng)計過程，在發(fā)射機和接收機已對準的情況下，有因為不同的姿態(tài)導致的瞄準角誤差，也有由于熱量變形而導致的誤差，從而使發(fā)射機和接收機偏離使通信中斷。

　　在兩通信機之間進行捕獲的最流行的方法，包括在一個通信機上使用一個信標信號，在另一個通信機上使用FPA(CCD)探測和一個跟蹤系統(tǒng)。瞄準系統(tǒng)精確的仰角和方位角對FPA(CCD)輸出信號產生響應。由于跟蹤系統(tǒng)中震動噪聲、熱量噪聲等的影響，到達接收通信機的光束會抖動，抖動方向的瞄準誤差角模型是基于法線分布的。前人給出的是角度瞄準誤差分布研究[3]，由于角度瞄準誤差在實驗中不如尺寸瞄準誤差測量方便，本文在測量距離為Z的條件下，提出將角度瞄準誤差用靶面尺寸瞄準誤差表達，并提出對捕獲范圍、捕獲可能性的相應推導。

　　俯仰角靶面尺寸瞄準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標準差和俯仰角瞄準靶面尺寸。

　　方位角靶面尺寸瞄準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標準差和方位角瞄準靶面尺寸。

　　輻射角靶面尺寸瞄準誤差是方位角尺寸和仰角尺寸的平方和的根。

　　          （3）

　　由對稱性我們可以假設

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

　          （5）

　　在距離為Z的靶面上對應的信標光遠場光斑類

　　似為正態(tài)分布，其振幅為：

                      = 　（6）

　　其光斑截面半徑為：
　             （7）

3.2 目標瞄準抖動的Rician分布及瞄準圖示：

　　眼孔波通信抖動瞄準的數(shù)學表達：

　　在距離Z處，抖動的動態(tài)分量用L表示，靜態(tài)分量用 表示，瞄準誤差概率分布函數(shù)見公式（8），這個函數(shù)是Rician分布在文獻中[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 是改進的Bessel函數(shù)見公式（9）。在靜態(tài)瞄準誤差不存在的情況下，這個分布函數(shù)轉化成多數(shù)研究者更熟悉的簡化形式即瑞利分布見公式（5）。

　　在瞄準中，瞄準目標小幅度抖動現(xiàn)象對運動目標瞄準是經常存在的。在此給出抖動目標瞄準的Rician分布及圖示圖4和圖5。

　　圍繞目標抖動，給出跟瞄ATP分析圖示見圖6：

4 結論

　　首次提出機器人視覺系統(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)在機器人視覺中的應用的方法實現(xiàn)。本文提出了眼孔波通信構架，解決了該通信系統(tǒng)的捕獲和跟瞄問題（ATP問題），建立了相應數(shù)學模型。