移動機器人主動視覺伺服技術(shù)研究.pdf

1、隨著圖像處理、濾波技術(shù)、控制理論與計算機視覺等技術(shù)的發(fā)展,視覺傳感器被廣泛應(yīng)用于機械臂或移動機器人來提高系統(tǒng)的靈活性、智能性與精確性?；谝曈X傳感器的移動機器人控制研究主要集中于視覺導(dǎo)航、視覺跟蹤、視覺伺服和基于視覺的定位與建圖等方面。其中,視覺伺服控制是利用視覺傳感器獲得的圖像信息,來控制移動機器人到達指定位置/姿態(tài)。在視覺伺服這一研究領(lǐng)域取得了一些研究成果,但就該技術(shù)的研究與實際應(yīng)用而言,尚存在一些有待解決的難點問題。如系統(tǒng)對攝像機

2、內(nèi)參數(shù)和圖像噪聲過于敏感,特征點在視覺伺服過程中很難始終保持在視野范圍內(nèi)(FOV問題),視覺效率較低以及復(fù)雜環(huán)境下不易進行路徑規(guī)劃等。
　　 考慮到視覺伺服研究中存在的上述主要難點問題,論文提出了一種移動機器人主動視覺伺服控制框架,并針對相關(guān)難點問題進行了深入研究?？傮w而言,本文的主要工作集中于以下幾個方面:
　　 (1)本文搭建了移動機器人主動視覺伺服系統(tǒng)實驗平臺,簡化了視覺伺服算法實現(xiàn)的復(fù)雜度。具體而言,該系統(tǒng)硬件部

3、分主要由Pioneer3-DX移動機器人、PTUD46-17云臺系統(tǒng)以及DH-SV400FC攝像機組成。它們通過1394數(shù)據(jù)線或串口轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線來進行高速數(shù)據(jù)交換。軟件部分應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊趟枷刖帉懚?其主要特點是提高了視覺伺服算法的軟件實現(xiàn)效率,增加了軟件編程中的代碼復(fù)用率。同時,該軟件平臺還具有較好的可擴展性。
　　 (2)本文提出了一種具有全局指數(shù)收斂特性的攝像機內(nèi)參數(shù)觀測器。此觀測器可應(yīng)用于主動視覺伺服系統(tǒng)中對攝像機

4、進行在線標定。具體而言,該方法利用主動視覺伺服系統(tǒng)中的高精度云臺機構(gòu)驅(qū)動攝像機進行俯仰和偏航運動,同時提取攝像機拍攝圖像中的特征點圖像坐標。隨后,本文分析了攝像機運動與圖像特征點變化的運動學(xué)關(guān)系,并結(jié)合云臺攝像機的運動約束簡化了該模型。在此基礎(chǔ)上,利用三維環(huán)境中四個或四個以上靜止特征點的圖像像素坐標構(gòu)造了一種攝像機內(nèi)參數(shù)觀測器。最后,應(yīng)用線性時變系統(tǒng)穩(wěn)定性定理證明了該觀測器具有全局指數(shù)收斂的性能。仿真結(jié)果表明了該攝像機內(nèi)參數(shù)觀測器具有辨

5、識準確、收斂速度快等優(yōu)點。
　　 (3)針對在伺服過程中目標特征容易出離攝像機視野范圍問題和運動軌跡低效問題,論文提出了一種移動機器人自適應(yīng)主動視覺伺服方法。它采用視覺跟蹤控制和移動機器人鎮(zhèn)定控制的內(nèi)外兩層控制結(jié)構(gòu)。其中,視覺跟蹤部分通過自適應(yīng)控制器來驅(qū)動云臺攝像機進行俯仰和偏航運動,從而保證特征點始終位于視野范圍中心位置處。移動機器人鎮(zhèn)定控制部分使用了一種分步控制器驅(qū)動移動機器人以直線路徑運動到期望位姿處。概括而言,移動機器人

6、主動視覺伺服系統(tǒng)存在如下優(yōu)點:1.系統(tǒng)實時滿足FOV約束條件。2.伺服效率高。3.算法不需要三維位姿提取算法。最后,通過仿真和實驗驗證了該方法的性能。
　　 (4)針對視覺伺服控制在某些特殊場合應(yīng)用時期望圖像不可獲得的問題,論文提出了一種無期望圖像的移動機器人主動視覺伺服控制策略。與傳統(tǒng)的視覺伺服系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)不需要期望位姿處拍攝的圖像與當前圖像進行比較,而直接利用實時拍攝的圖像進行伺服控制。具體而言,在期望圖像未知條件下系統(tǒng)