基于主動(dòng)視覺的移動(dòng)機(jī)器人視覺伺服控制策略研究.pdf

1、伴隨著自動(dòng)控制理論、圖像處理技術(shù)、濾波技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺等學(xué)科的迅猛發(fā)展，視覺傳感器已逐漸被研究者廣泛應(yīng)用到機(jī)器人領(lǐng)域。視覺傳感器在機(jī)器人控制中的應(yīng)用主要有視覺導(dǎo)航、視覺跟蹤、視覺伺服等。這些方面的研究極大地提高了機(jī)器人的靈活性、智能性與精確性。其中，視覺伺服(Visual Servoing)是指使用視覺反饋信息對機(jī)器進(jìn)行鎮(zhèn)定控制，使其運(yùn)動(dòng)到期望位姿處。它是視覺控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)問題。雖然相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者已提出許多方法來解決此問題，然

2、而時(shí)至今日，其中的很多關(guān)鍵性問題仍未得到很好的解決。
　　對于視覺伺服研究中的視野范圍（FOV）約束問題，作者提出了一種基于二自由度云臺(tái)攝像機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)自適應(yīng)視覺伺服理論框架，并針對相關(guān)問題進(jìn)行了深入的研究。本文的工作主要集中于以下幾方面：
　　（1）提出了一種基于二自由度云臺(tái)攝像機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)視覺伺服控制方案。具體而言，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)云臺(tái)攝像機(jī)的俯仰角和偏航角，使攝像機(jī)的光軸始終指向參照物幾何中心，以解決FOV約束

3、問題。與非主動(dòng)自適應(yīng)視覺伺服系統(tǒng)不同的是，該方法可以實(shí)現(xiàn)路徑最優(yōu)；與以往的主動(dòng)視覺移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)不同的是，由于云臺(tái)加入了俯仰角度的變化，使得移動(dòng)機(jī)器人的視野更加開闊，可以充分利用周圍環(huán)境中具有明顯特征的目標(biāo)物，如天花板、排風(fēng)口、標(biāo)志牌等，完成視覺伺服任務(wù)。另外，應(yīng)用更加靈活，可以方便地與激光測距儀等傳感器相結(jié)合，以彌補(bǔ)單目視覺的深度信息缺失等缺陷。
　　（2）建立了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。介紹了攝像機(jī)的小孔成像模型、攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)

4、模型；建立了云臺(tái)系統(tǒng)與機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系方程；建立了地面移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)視覺跟蹤系統(tǒng)幾何模型；詳細(xì)推導(dǎo)了目標(biāo)幾何中心在圖像平面的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，即推導(dǎo)出目標(biāo)幾何中心在圖像平面的運(yùn)動(dòng)速度與機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的線速度、機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的角速度、云臺(tái)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)角速度與攝像機(jī)平移外參數(shù)、攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)、圖像誤差之間的關(guān)系方程；證明了云臺(tái)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)角速度產(chǎn)生的圖像雅克比矩陣的可逆性。這些無疑為以后的控制率設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能分

5、析打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　（3）設(shè)計(jì)了帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹鲃?dòng)自適應(yīng)視覺控制器。該方法通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)云臺(tái)攝像機(jī)的俯仰角和偏航角，使攝像機(jī)的光軸在視覺伺服過程中始終指向參照物的幾何中心，以解決FOV約束問題。
　?。?）針對本文中攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系相對運(yùn)動(dòng)自由度多，相對運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了基于對偶四元數(shù)的移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)視覺定位方法。該方法有效地避免了攝像機(jī)與世界坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中的計(jì)算奇點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量的同時(shí)