水下機(jī)器人雙目視覺測距與機(jī)械手視覺伺服控制研究.pdf

1、近年來，搭載了雙目立體視覺系統(tǒng)的AUV—水下操作手系統(tǒng)（AUV Manipulator System—AUVMS）為海洋環(huán)境的勘測與開發(fā)起到重要的推動(dòng)作用?；陔p目立體視覺的AUVMS能夠完成以下工作：在深海完成對海底生物和環(huán)境礦產(chǎn)資源調(diào)查和采樣分析、石油天然氣管線的檢查、海底光纜的檢查，水下工程的實(shí)現(xiàn)等等。為了實(shí)現(xiàn)了AUVMS系統(tǒng)對水下目標(biāo)物進(jìn)行自主抓取的功能，本文針對水下機(jī)器人雙目視覺測距技術(shù)和機(jī)械手視覺控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

2、　　本文首先介紹了機(jī)器人視覺控制技術(shù)的主要研究內(nèi)容和機(jī)器人視覺系統(tǒng)的分類，指出了機(jī)器人視覺控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，并對國內(nèi)外水下機(jī)械手研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。對水下攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)的研究。分別在靜水中和水流擾動(dòng)狀態(tài)下的對水下雙目攝像機(jī)進(jìn)行了立體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比標(biāo)定結(jié)果。利用對畸變圖的分析，對比了靜水狀態(tài)下和水流擾動(dòng)狀態(tài)下水下攝像機(jī)不同的標(biāo)定結(jié)果。分析結(jié)果表明水流擾動(dòng)對水下攝像機(jī)的標(biāo)定有著一定影響，指出了在水下作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)

3、攝像機(jī)標(biāo)定的必要性。研究了標(biāo)定板圖片數(shù)量的變化、標(biāo)定板位姿的變化對攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果的影響，從改變布放水下標(biāo)定板的位置和姿態(tài)入手，設(shè)法降低攝像機(jī)的標(biāo)定誤差，獲得了與實(shí)際場景更為接近的校正圖像。在應(yīng)用水下雙目立體視覺系統(tǒng)對水下目標(biāo)物進(jìn)行測距之前，需要首先對水下圖像進(jìn)行預(yù)處理?；谥狈綀D均衡化的水下圖像增強(qiáng)技術(shù)有效的改善了原始水下圖像的質(zhì)量，為視覺測量打好了基礎(chǔ)。雙目立體視覺測量在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，其主要是借助視差，從而使水下攝像機(jī)能夠?qū)ξ矬w所

4、在的具體位置進(jìn)行測量，進(jìn)而對目標(biāo)物的深度信息和三維形狀予以還原。本文應(yīng)用BM算法、SGBM算法、SIFT算法分別對水下目標(biāo)物的雙目圖像進(jìn)行立體匹配實(shí)驗(yàn)，生成了對應(yīng)的視差圖，進(jìn)一步分析了這幾種立體匹配算法所生成視差圖的優(yōu)缺點(diǎn)。由于水下環(huán)境的特殊性，所以在進(jìn)行水下圖像立體匹配過程中，其可以獲取的信息相對較少。結(jié)合這種情況，在進(jìn)行水下視差圖呈現(xiàn)的過程中就SIFT算法進(jìn)行完善，通過參數(shù)改進(jìn)來提升其檢測特征點(diǎn)的數(shù)量，確定了適用于水下雙目視差匹配生

5、成的主曲率系數(shù)和高斯核參數(shù)。研究了攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換矩陣的算法。提出了一種基于水下機(jī)械手本體手臂的手眼標(biāo)定算法。結(jié)合手爪在攝像機(jī)坐標(biāo)系下和機(jī)械手坐標(biāo)系下的位置信息，基于幾何算法，對攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行了標(biāo)定。本文中，水下機(jī)械手采用基于位置的視覺伺服控制方式，依據(jù)水下目標(biāo)圖像的信息來計(jì)算水下目標(biāo)物在機(jī)械手坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)反解出機(jī)械手各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)

6、。通過水下攝像頭對機(jī)械手末端執(zhí)行器到達(dá)的位置進(jìn)行圖像采集，求得機(jī)械手實(shí)際到達(dá)的位置坐標(biāo)，比較期望的目標(biāo)物體的位置坐標(biāo)和實(shí)際到達(dá)的位置坐標(biāo)之間的差值，不斷調(diào)節(jié)機(jī)械手末端執(zhí)行器的位置從而最終達(dá)到期望位置。在水池中，基于雙目視覺系統(tǒng)的測量信息，控制引導(dǎo)水下機(jī)械手到達(dá)目標(biāo)零件的位置，完成了水下機(jī)械手的視覺伺服控制實(shí)驗(yàn)，對本文中所研究的水下視覺測量方法和水下機(jī)械手視覺控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的視覺測距和視覺控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)水下機(jī)械手