质心与几何中心不重合下非完整机器人的镇定控制

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.11MB 78 页 15积分

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摘要

目前对轮式移动机器人运动控制精度的要求越来越高，随着随着计算机视觉

和计算机硬件技术和各种高精度传感器技术的发展，将各种传感器引入到轮式机

器人的运动控制中构成闭环系统成为必然的趋势。尤其是视觉传感器，可以模拟

人的眼睛，实施无接触测量，在移动机器人的运动控制中可以起到一些定位及识

别等非结构化环境中有着非常重要的作用。视觉传感器在机器人相关领域的应用

越来越广泛，机器人的视觉伺服控制问题也成为研究的热点，当前视觉伺服控制

问题已经引起国内外学术界的高度关注。然而，在实际中，由于种种原因，这种

基于标定的机器人视觉伺服方法受到了很大限制。不校准视觉伺服控制不需要精

确的视觉系统模型，不需要系统的内外参数。因此，无标定视觉伺服开始成为机

器人视觉伺服控制领域的一个研究热点。

本文基于摄像机视觉反馈的方法，针对摄像机视觉参数未知及移动机器人质

心和几何中心不重合且质心几何中心距离未知情况下，提出了一种不连续反馈控

制律，并利用自适应技术对其进行修正，在证明时创新性的加了一个状态作为补

充，最终证明了提出的控制律能使该视觉反馈系统下移动机器人的各状态可以由

任意的初始状态指数收敛到原点，并利用 MATLAB 仿真验证了所设计控制律的有

效性。最终用实验室的智能机器人平台实验证明算法的可行性。

关键字：轮式移动机器人非完整系统自适应镇定避障控制

ABSTRACT

With the high requirements of of control accuracy of wheeled mobile robots, and

the development of computer vision,computer hardware technology and a variety of

high-precision sensor technology, it has more and more become an inevitable trend to

use a variety of sensors to control the movement of wheeled robots. Especially the

visual sensor, which can mimic the human eyes to implement non-contact measurement,

play a very important role on the mobile robot motion control for a number of position

and identification with unstructured environment.The application of vision sensors in

robotics area has been more and more widely, and the robot visual servo control has also

become one of hot research fields. In this case the current visual servo control problem

has attracted domestic and international academic attention. However, uncalibrated

visual servoing control does not need precise visual system model, and the inner and

outer visual parameters are not necessarily known. Therefore, uncalibrated visual

servoing begins to become a great concern in robot control field.

In this paper, a camera-based visual feedback method, for nonholonomic mobile

robots with uncalibrated CCD camera parameters is addressed based on the difference

between the mass center and geometric center of the mobile robots and the distance

between them is unknown. A stabilizing-feedback controller and an adaptive law are put

forward . In the proof, a new state is added to as a supplement to show that, the

proposed control law can be to make the visual feedback system be exponentially

stabilized. The MATLAB simulation results show that the control law is

effective.Finally the control rule is proved feasiblly under the experiment on the

intelligent WMR.

Key Word: Wheeled mobile robot; Nonholonomic system; Adaptive

stabilization; Avoidance control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 移动机器人概述 .............................................. 1

§1.2 移动机器人研究现状及前景 .................................... 2

§1.3 移动机器人基本控制问题 ...................................... 2

§1.4 课题来源和研究内容 .......................................... 6

§1.4.1 课题的来源 ............................................ 6

§1.4.2 课题的研究内容 ........................................ 6

第二章全局视觉下非完整移动机器人镇定控制 ............................ 7

§2.1 非完整移动机器人系统 ........................................ 7

§2.1.1 任务空间内的 WMR 运动学模型 ............................ 7

§2.1.2 质心和几何中心不重合的非完整 WMR 系统 .................. 8

§2.2 全局视觉下的非完整移动机器人系统 ............................ 9

§2.2.1 图像空间内的 WMR 运动学模型 ............................ 9

§2.2.2 任务空间至图像空间的转换 .............................. 9

§2.3 全局视觉下质心和几何中心不重合的 WMR 系统的镇定 ............. 11

§2.3.1 系统的模型及问题的提出 ............................... 12

§2.3.2 控制器的设计 ......................................... 14

§2.3.3 仿真结果 ............................................. 18

第三章基于工业主板非完整智能机器人平台 ............................. 21

§3.1 机器人平台功能概述及系统架构 ............................... 21

§3.1.1 功能概述 ............................................ 21

§3.1.2 系统架构设计 ......................................... 22

§3.2 智能机器人电源系统 ........................................ 24

§3.3 驱动系统 .................................................. 24

§3.4 传感系统 .................................................. 26

§3.4.1 红外 PSD 传感器 ....................................... 26

§3.4.2 视觉传感模块 ........................................ 29

§3.5 智能机器人的软件平台 ...................................... 30

第四章 OpenCV 下摄像机标定 .......................................... 32

§4.1 概述 ....................................................... 32

§4.2 摄像机模型及变形 ........................................... 34

§4.3 实验步骤及结果 ............................................ 36

第五章全局视觉下移动机器人的镇定实验 ............................... 43

§5.1 实验概述 .................................................. 43

§5.2 算法及软件设计 ............................................ 45

§5.3 实验步骤及结果 ............................................ 50

§5.4 实验结论 .................................................. 56

第六章结论与展望 ................................................... 57

附录 ............................................................... 59

参考文献 ............................................................ 69

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 75

致谢 ............................................................... 76

第一章绪论

§1.1 移动机器人概述

移动机器人，也称为自引导车，是指装备具有视频或声纳等传感器装置，能

够沿规定的或者自主规划的引导路径行驶，具有小车编程和各种功能的运输小车。

它广泛应用在军事、探矿、核工业、航天、医学、教育等各领域。它是一个集环

境感知、动态智能决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体的综合系统。

随着移动机器人性能的完善，特别是可充当办公秘书、护士、导游、保安、娱乐

等多种角色的服务型移动机器人存在广阔的市场应用前景，使得对移动机器人的

研究在世界各国己经超越了关节机器人而受到普遍重视。移动机器人是机器人学

中的一个重要分支。从移动方式上看，移动机器人可分为轮式、履带式、腿式（单

腿式、双腿式和多腿式）和水下推进式四大类。移动机器人由于在军事侦察、扫

雷排险、防核化污染、救灾探险等危险与恶劣环境以及制造业中具有广阔的应用

前景，受到了世界各国普遍关注。美国国家科学委员会曾预言：“二十世纪的核心

武器是坦克，二十一世纪的核心武器是无人作战系统，其中 2000 年以后遥控地面

无人作战系统将连续到装备部队，并走向战场”。美国国防高级研究计划局

（DARPA ）专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界

掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如 DARPA 的“战略计算机”计划中的

自主地面车辆（ALV）计划，美国能源部制订的为期 10 年的机器人和智能系统计

划（RIPS），以及后来的空间机器人计划；欧洲尤里卡计划提出的自主机器人计

划；日本通产省组织几十家大企业和研究所及高等院校实施的在极限环境下作业

的智能机器人计划等。

实际的移动机器人系统在与外界环境接触时,都要受到某些力的约束,这些

约束对系统的位置、速度或加速度施加了几何的或运动学特性的限制,要对这样

的系统进行控制,实现特定的控制目的或达到某种控制指标,就必须考虑到这些

约束条件的影响。由于这类系统的轮子与地面间的滚动接触必须满足纯滚动无打

滑这一非完整约束的条件才能运动,因此是典型的非完整动力学系统,。因为非完

整约束是不可积的,使得对 WMR 的控制与规划问题变得非常复杂与困难。WMR

的运动控制对于机器人的性能具有很大影响,也是移动机器人技术中的关键之一,

许多学者对其控制问题进行了广泛研究。非完整移动机器人点镇定控制问题,是

质心与几何中心不重合下非完整机器人的镇定控制

非完整移动机器人运动控制三个基本问题中最简单但却是最基本的问题。对于这

个问题的解决是实现对移动机器人其他各种动作的控制稳定性的保障。所以具有

非常重要的实际意义。视觉传感器在机器人相关领域的应用越来越广泛，机器人

的视觉伺服控制问题也成为研究的热点。机器人从摄像机获得图像，进行处理和

识别，再利用得到的信息对机器人进行控制。本课题利用视觉信息研究非完整移

动机器人的镇定问题，采用非完整移动机器人镇定的思想，结合视觉伺服反馈的

特点，从视觉空间的角度研究镇定控制的基本理论和方法。这种研究的理论意义

是非完整运动学系统镇定问题可以在视觉空间讨论，进而会引出新的鲁棒镇定控

制问题，动力学系统也会产生出许多新的研究课题。由于视觉传感器具有适用于

非结构环境、非接触量测的特点，将其用于非完整自动控制系统就如同机器长了

眼睛一样方便灵活，非完整移动机器人可用在医院、货运中心、大型商场、核废

料处理场等等，具有广泛的应用背景。

§1.2 移动机器人研究现状及前景

自1956 年第一台工业机器人诞生之日起,机器人制造业与机器人学的研究一

直是国内外极为重视的高技术领域,得到了迅速的发展。各式各样的机器人不仅

广泛应用于工业生产和制造部门,而且在深海探测、航空航天、军事作战等极具

危险性的特殊领域中获得了大量应用,并日益渗透到娱乐服务医疗等日常生活领

域。移动机器人作为机器人学中的一个重要分支,早在上世纪 60 年代,就已经开

始研究。斯坦福研究院(SRI) 的NilsNlssen 和CharlesRosen 等人,在1966 年至

1972 年中研制出了取名 Shakey 的自主移动机器人。其主要目标是研究复杂环境

下机器人系统的实时控制问题,涉及到任务规划、运动规划与导航、目标识别与

定位、机器视觉、多种传感器信息处理与融合以及系统集成等关键技术。上世纪

70 年代末,随着计算机的应用和传感技术的发展,移动机器人研究又出现了新的

高潮。特别是在上世纪 80 年代中后期,设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。如

美国的 Hughes 人工智能中心于 1987 年首次进行了移动机器人越野实验，Stanford

大学的移动机器人能在立体制导系统引导下缓慢步行,这些作为大学实验室及研

究机构的实验平台的移动机器人,促进了移动机器人学在多领域的发展。上世纪

90 年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术,高适应性的移动

机器人控制技术,真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器人更高层次的

研究,如由美国 NASA 资助研制的“丹蒂 II”八足行走机器人,是一个能提供对

高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人, 1994 年在斯泊火山

第一章绪论

的火山口中进行了成功的演示。美国 NASA 研制的火星探测机器人索杰纳于 1997

年登上火星。为了在火星上进行长距离探险,又开始了新一代样机的研制,命名为

Rocky7, 并在 Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。此外,在民

用方面,可移动机器人在国外已被广泛用于扫除、割草、室内传送、导言、导游、

导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。

国内移动机器人的研究起步较晚．大多数研究目前尚处于某个单项研究阶段,

主要研究工作有：1994 年通过鉴定的清华大学智能移动机器人,涉及到基于地图

的全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划、路径规划的仿真、传感数据

信息融合等技术；哈尔滨工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动

避障、识别语音并能与人对话、用于服务场合的导游导购等；哈尔滨工业大学研

制的壁面清洗爬壁机器人,可用于瓷砖及玻璃壁面清洗作业,实现了高层建筑清

洗作业的自动化。此外,还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的

自动导航车和服务机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车 AGV 和

防爆机器人、中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导

航系统等。总之,近年来移动式机器人的研究在国内得到了很大的重视,并且在很

多方面都取得了丰硕成果。总体来看，我国移动机器人技术与当今世界发达国家

的先进水平差距还是非常大的。近年来国内外对非完整移动机器人的理论及应用

研究受到越来越广泛地关注。但机器人是一个十分复杂的多输入多输出的非线性

系统。它具有时变、强耦合和非线性的动力学特征。由于测量和建模的不精确，

再加上负载变化以及外部扰动的影响，实际上无法得到机器人精确、完整的运动

学模型。这给非完整移动机器人的研究带来了一定的难度及挑战。

确定非完整运动学系统的镇定问题已有许多研究,然而当实际系统几何参数

未知,特别是控制系统考虑不校准视觉测量时,运动学系统是不确定的.研究针对

一类典型的不确定非完整运动学系统,即非完整移动机器人的鲁棒镇定问题.通过

对质心和几何中心不重合情况下两轮独立驱动移动机器人镇定问题的研究,得到

了以两独立驱动轮速度为控制输入的机器人运动学模型.对于车轮半径和两驱动

轮之间距离参数已知情况下提出光滑的时变镇定律,并针对摄像机的参数α未知

时,给出鲁棒控制律设计方法.并对这类控制律下的闭环系统给出严格的渐近稳定

性证明.完成这类设计方法对于研究一般的不确定非完整运动学系统的镇定问题

具有一定的理论及实际意义.

质心与几何中心不重合下非完整机器人的镇定控制

§1.3 移动机器人基本控制问题

移动机器人的基本控制问题大体分为 3类，分别是镇定问题、跟踪问题、路径

问题。

运动学点镇定指的是机器人从目标状态附近的任何一个初始状态到达目标状

态,并稳定在给定目标点上,也即机器人状态空间(平衡)点的稳定问题。如期望位

姿

，任意给定初始位姿

，就要设计控制：

( , , )

c c p

v f e v K

使得

lim( ) 0

tq q

  

。

其中

表示位置跟踪误差，

表示参考速度矢量，

表示控制增益矢量。如果是

动力学镇定，则需设计力矩

( )t



，使得当

t 

时，

e

，

v v

。

图1-1 点镇定问题

轨迹跟踪问题:要求机器人参考点的位置跟踪一条理想轨迹，这条理想轨迹是

随时间变化的曲线,也可解释为一移动机器人跟踪一个移动的参考机器人。轨迹

跟踪要求移动机器人跟踪与时间成函数关系的轨迹，即一条与时间有关的路径。

给定参考系统:

cos

sin

[ ]

r r r

r r

r r r r

x v

y v

q x y



 





















(2.4)

设计控制律

( , , )

c c p r

v f e v k

使得

lim( ) 0

tq q

  

。

其中

位置跟踪误差;

参考速度矢量;

控制增益矢量。然后计算力矩

( )t



,使

得当

t 

时,

v v

。

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摘要：

摘要目前对轮式移动机器人运动控制精度的要求越来越高，随着随着计算机视觉和计算机硬件技术和各种高精度传感器技术的发展，将各种传感器引入到轮式机器人的运动控制中构成闭环系统成为必然的趋势。尤其是视觉传感器，可以模拟人的眼睛，实施无接触测量，在移动机器人的运动控制中可以起到一些定位及识别等非结构化环境中有着非常重要的作用。视觉传感器在机器人相关领域的应用越来越广泛，机器人的视觉伺服控制问题也成为研究的热点，当前视觉伺服控制问题已经引起国内外学术界的高度关注。然而，在实际中，由于种种原因，这种基于标定的机器人视觉伺服方法受到了很大限制。不校准视觉伺服控制不需要精确的视觉系统模型，不需要系统的内外参数。...

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