移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)視覺(jué)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(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)的發(fā)展,視覺(jué)傳感器被廣泛應(yīng)用于機(jī)械臂或移動(dòng)機(jī)器人來(lái)提高系統(tǒng)的靈活性、智能性與精確性。基于視覺(jué)傳感器的移動(dòng)機(jī)器人控制研究主要集中于視覺(jué)導(dǎo)航、視覺(jué)跟蹤、視覺(jué)伺服和基于視覺(jué)的定位與建圖等方面。其中,視覺(jué)伺服控制是利用視覺(jué)傳感器獲得的圖像信息,來(lái)控制移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)指定位置/姿態(tài)。在視覺(jué)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(shí)際應(yīng)用而言,尚存在一些有待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。如系統(tǒng)對(duì)攝像機(jī)

2、內(nèi)參數(shù)和圖像噪聲過(guò)于敏感,特征點(diǎn)在視覺(jué)伺服過(guò)程中很難始終保持在視野范圍內(nèi)(FOV問(wèn)題),視覺(jué)效率較低以及復(fù)雜環(huán)境下不易進(jìn)行路徑規(guī)劃等。
　　 考慮到視覺(jué)伺服研究中存在的上述主要難點(diǎn)問(wèn)題,論文提出了一種移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)視覺(jué)伺服控制框架,并針對(duì)相關(guān)難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究?？傮w而言,本文的主要工作集中于以下幾個(gè)方面:
　　 (1)本文搭建了移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)視覺(jué)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),簡(jiǎn)化了視覺(jué)伺服算法實(shí)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(dòng)機(jī)器人、PTUD46-17云臺(tái)系統(tǒng)以及DH-SV400FC攝像機(jī)組成。它們通過(guò)1394數(shù)據(jù)線或串口轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線來(lái)進(jìn)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(diǎn)是提高了視覺(jué)伺服算法的軟件實(shí)現(xiàn)效率,增加了軟件編程中的代碼復(fù)用率。同時(shí),該軟件平臺(tái)還具有較好的可擴(kuò)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(jī)內(nèi)參數(shù)觀測(cè)器。此觀測(cè)器可應(yīng)用于主動(dòng)視覺(jué)伺服系統(tǒng)中對(duì)攝像機(jī)

4、進(jìn)行在線標(biāo)定。具體而言,該方法利用主動(dòng)視覺(jué)伺服系統(tǒng)中的高精度云臺(tái)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行俯仰和偏航運(yùn)動(dòng),同時(shí)提取攝像機(jī)拍攝圖像中的特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)。隨后,本文分析了攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)與圖像特征點(diǎn)變化的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,并結(jié)合云臺(tái)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)約束簡(jiǎn)化了該模型。在此基礎(chǔ)上,利用三維環(huán)境中四個(gè)或四個(gè)以上靜止特征點(diǎn)的圖像像素坐標(biāo)構(gòu)造了一種攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)觀測(cè)器。最后,應(yīng)用線性時(shí)變系統(tǒng)穩(wěn)定性定理證明了該觀測(cè)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(jī)內(nèi)參數(shù)觀測(cè)器具有辨

5、識(shí)準(zhǔn)確、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)。
　　 (3)針對(duì)在伺服過(guò)程中目標(biāo)特征容易出離攝像機(jī)視野范圍問(wèn)題和運(yùn)動(dòng)軌跡低效問(wèn)題,論文提出了一種移動(dòng)機(jī)器人自適應(yīng)主動(dòng)視覺(jué)伺服方法。它采用視覺(jué)跟蹤控制和移動(dòng)機(jī)器人鎮(zhèn)定控制的內(nèi)外兩層控制結(jié)構(gòu)。其中,視覺(jué)跟蹤部分通過(guò)自適應(yīng)控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)云臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行俯仰和偏航運(yùn)動(dòng),從而保證特征點(diǎn)始終位于視野范圍中心位置處。移動(dòng)機(jī)器人鎮(zhèn)定控制部分使用了一種分步控制器驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人以直線路徑運(yùn)動(dòng)到期望位姿處。概括而言,移動(dòng)機(jī)器人

6、主動(dòng)視覺(jué)伺服系統(tǒng)存在如下優(yōu)點(diǎn):1.系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的性能。
　　 (4)針對(duì)視覺(jué)伺服控制在某些特殊場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)期望圖像不可獲得的問(wèn)題,論文提出了一種無(wú)期望圖像的移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)視覺(jué)伺服控制策略。與傳統(tǒng)的視覺(jué)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(dāng)前圖像進(jìn)行比較,而直接利用實(shí)時(shí)拍攝的圖像進(jìn)行伺服控制。具體而言,在期望圖像未知條件下系統(tǒng)