雙目視差模型及其在視覺伺服控制中的應(yīng)用研究.pdf

1、視覺伺服技術(shù)利用相機(jī)采集任務(wù)空間內(nèi)目標(biāo)的圖像,并從中提取出目標(biāo)或機(jī)器人自身的位姿信息或者圖像特征,以此作為反饋來(lái)控制機(jī)器人的位姿或動(dòng)作,使得機(jī)器人完成期望的任務(wù)。視覺伺服技術(shù)可分為基于位置的視覺伺服方式和基于圖像的視覺伺服方式。前者對(duì)相機(jī)和機(jī)器人的標(biāo)定誤差比較敏感。而后者魯棒性較好,因此受到越來(lái)越多的關(guān)注?；趫D像的視覺伺服方式的關(guān)鍵是雅可比矩陣估計(jì),而到目前為止估計(jì)雅可比矩陣的理論尚不成熟,因此限制了基于圖像視覺伺服方式的發(fā)展。本課題

2、從視覺模型入手,實(shí)現(xiàn)了從圖像空間到任務(wù)空間映射關(guān)系的線性化和解耦,大大降低了雅可比矩陣估計(jì)的難度。研究工作主要包括以下幾個(gè)方面:
　　1.目標(biāo)或執(zhí)行器末端從機(jī)器人任務(wù)空間到相機(jī)圖像空間的映射是一種耦合的非線性時(shí)變關(guān)系,因此圖像雅可比的估計(jì)仍有許多問(wèn)題沒(méi)有得到解決。本課題利用雙目視覺所產(chǎn)生的視差向量,通過(guò)推導(dǎo)建立了一個(gè)雙目視差模型,實(shí)現(xiàn)了從任務(wù)空間到圖像特征空間映射關(guān)系的解耦和線性化,在一定程度上解決了圖像雅可比矩陣估計(jì)的難題。

3、r>　　2.視覺伺服控制中,首先需要從圖像中提取目標(biāo)的特征信息,才能對(duì)目標(biāo)或相機(jī)自身的位姿進(jìn)行估計(jì)。而圖像處理一般都需要占用系統(tǒng)大量的運(yùn)算時(shí)間,是制約伺服系統(tǒng)響應(yīng)能力的瓶頸之一。因此,快速可靠的圖像處理算法是視覺伺服控制中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。圖像熵是反應(yīng)圖像所包含信息量的一個(gè)重要指標(biāo)。本課題利用圖像掃描窗口與模板間的圖像熵差作為衡量?jī)烧唛g匹配程度的指標(biāo),提出了基于局部熵差的目標(biāo)匹配快速算法。算法通過(guò)利用局部圖像熵的泰勒級(jí)數(shù)展開近似,并

4、利用積分圖像和平方積分圖像進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)了只需一次遍歷就可以完成模板的粗匹配,迅速縮小目標(biāo)的搜索范圍,顯著減少了圖像處理的運(yùn)算量,為提高視覺伺服系統(tǒng)響應(yīng)能力提供了有利條件。
　　3.機(jī)器人操作平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)視覺伺服運(yùn)動(dòng)的載體。不同的應(yīng)用場(chǎng)合,機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也會(huì)有差異。因此需要根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行建模分析。本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)空間固定目標(biāo)精確定位平臺(tái)DIM和一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)iTracer。DIM是一個(gè)串并混聯(lián)機(jī)構(gòu),包含兩

5、旋轉(zhuǎn)一平移共三個(gè)自由度。為了實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的定位控制,建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。另外,對(duì)DIM的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精度分析,為考察DIM的視覺伺服定位能力提供了依據(jù)。iTracer是一個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu),也包含了兩旋轉(zhuǎn)一平移共三個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)在工作區(qū)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的快速響應(yīng)。建立了iTracer的動(dòng)力學(xué)模型,為控制執(zhí)行電機(jī)的輸出提供依據(jù)。
　　4.經(jīng)過(guò)圖像處理,提取出包含目標(biāo)或機(jī)器人操作平臺(tái)當(dāng)前位姿信息的圖像特征。利用雙目視差模型和機(jī)器人平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)