基于實(shí)時(shí)視覺(jué)的乒乓球機(jī)器人標(biāo)定和軌跡跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)器人技術(shù)以其高度的智能性和應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊性，成為一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志。近年來(lái)，一種新型的乒乓球機(jī)器人因其在技術(shù)實(shí)現(xiàn)中的實(shí)時(shí)性和智能性的難度和挑戰(zhàn)，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。結(jié)合國(guó)家863計(jì)劃“基于仿人高性能單元”重大研究課題的開(kāi)展，本實(shí)驗(yàn)室距今已成功研制開(kāi)發(fā)了三代乒乓球機(jī)器人實(shí)體，立志趕超歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的研究進(jìn)程。
　　 實(shí)時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)，相當(dāng)于乒乓球機(jī)器人的眼睛，是所有關(guān)鍵技術(shù)中首要研發(fā)的重點(diǎn)。本論文基于三代

2、機(jī)器人的研制實(shí)例和框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了實(shí)時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)中不同功能模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)。對(duì)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)在識(shí)別和跟蹤高速運(yùn)動(dòng)物體中所涉及的的圖像數(shù)據(jù)同步采集、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、單目和雙目攝像機(jī)標(biāo)定、乒乓球飛行軌跡的跟蹤和預(yù)測(cè)以及實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等問(wèn)題進(jìn)行了具體探索和創(chuàng)新。
　　 對(duì)多個(gè)攝像機(jī)的采集同步和曝光時(shí)間補(bǔ)償問(wèn)題提出了解決方案；對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體成像導(dǎo)致的“運(yùn)動(dòng)模糊”現(xiàn)象進(jìn)行了快速濾波和識(shí)別；采用ROI動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)算法提高了圖像處理和目標(biāo)跟蹤過(guò)程

3、的快速性；在基于“燈”、“影”、“攝像機(jī)”和“乒乓球”構(gòu)建的單目視覺(jué)模型上，采用空間的幾何約束關(guān)系，應(yīng)用小孔成像和透視原理，給出了一種最小二乘法優(yōu)化的單目視覺(jué)標(biāo)定方法，不僅標(biāo)定了攝像機(jī)的參數(shù)，同時(shí)也標(biāo)定了燈的參數(shù)；進(jìn)一步地，對(duì)雙目視覺(jué)下的乒乓球位置的三維空間定位方法和雙目攝像機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)行了研究。
　　 對(duì)乒乓球飛行軌預(yù)測(cè)中采用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及乒乓球碰撞的物理模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析：首先針對(duì)乒乓球軌跡跟蹤過(guò)程中存在的測(cè)量誤差和模型

4、誤差，提出了一種應(yīng)用于快速跟蹤的可變協(xié)方差的軌跡跟蹤方法，該方法既達(dá)到了跟蹤過(guò)程的實(shí)時(shí)性，也保證了跟蹤過(guò)程中的狀態(tài)收斂性和穩(wěn)定性；進(jìn)一步地，考慮到乒乓球運(yùn)動(dòng)中實(shí)際存在的非線(xiàn)性空氣阻力，在對(duì)乒乓球的飛行狀態(tài)進(jìn)行物理建模的基礎(chǔ)上，把空氣阻力項(xiàng)引入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，提出了一種在線(xiàn)估計(jì)“阻力因子”的擴(kuò)展Kalman濾波的軌跡跟蹤方法，從而更好地解決了乒乓球軌跡預(yù)測(cè)快速性和準(zhǔn)確性問(wèn)題。此外，文章還分析了乒乓球的空氣動(dòng)力學(xué)阻力模型和馬格努斯力的仿真情況