基于主動視覺的移動機器人視覺伺服控制策略研究.pdf

1、伴隨著自動控制理論、圖像處理技術、濾波技術與計算機視覺等學科的迅猛發(fā)展，視覺傳感器已逐漸被研究者廣泛應用到機器人領域。視覺傳感器在機器人控制中的應用主要有視覺導航、視覺跟蹤、視覺伺服等。這些方面的研究極大地提高了機器人的靈活性、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器進行鎮(zhèn)定控制，使其運動到期望位姿處。它是視覺控制領域的研究熱點及難點問題。雖然相關領域的學者已提出許多方法來解決此問題，然

2、而時至今日，其中的很多關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攝像機的移動機器人主動自適應視覺伺服理論框架，并針對相關問題進行了深入的研究。本文的工作主要集中于以下幾方面：
　?。?）提出了一種基于二自由度云臺攝像機的移動機器人主動視覺伺服控制方案。具體而言，通過實時調節(jié)云臺攝像機的俯仰角和偏航角，使攝像機的光軸始終指向參照物幾何中心，以解決FOV約束

3、問題。與非主動自適應視覺伺服系統(tǒng)不同的是，該方法可以實現(xiàn)路徑最優(yōu)；與以往的主動視覺移動機器人系統(tǒng)不同的是，由于云臺加入了俯仰角度的變化，使得移動機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物，如天花板、排風口、標志牌等，完成視覺伺服任務。另外，應用更加靈活，可以方便地與激光測距儀等傳感器相結合，以彌補單目視覺的深度信息缺失等缺陷。
　?。?）建立了系統(tǒng)的運動學模型。介紹了攝像機的小孔成像模型、攝像機內參數和外參數

4、模型；建立了云臺系統(tǒng)與機器人坐標系的轉換關系方程；建立了地面移動機器人主動視覺跟蹤系統(tǒng)幾何模型；詳細推導了目標幾何中心在圖像平面的運動學模型，即推導出目標幾何中心在圖像平面的運動速度與機器人在世界坐標系中的線速度、機器人在世界坐標系中的角速度、云臺在機器人坐標系中的旋轉角速度與攝像機平移外參數、攝像機內參數、圖像誤差之間的關系方程；證明了云臺在機器人坐標系中的旋轉角速度產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計和系統(tǒng)性能分

5、析打下了堅實的基礎。
　?。?）設計了帶機器人運動補償的主動自適應視覺控制器。該方法通過實時調節(jié)云臺攝像機的俯仰角和偏航角，使攝像機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。
　?。?）針對本文中攝像機坐標系與世界坐標系相對運動自由度多，相對運動復雜的特點，提出了基于對偶四元數的移動機器人主動視覺定位方法。該方法有效地避免了攝像機與世界坐標系坐標轉換過程中的計算奇點，實現(xiàn)了旋轉矩陣與平移向量的同時