非完整机器人的视觉伺服镇定

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.49MB 41 页 15积分

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非完整机器人的视觉伺服镇定

摘要

本文主要讨论了一类基于未校准顶置摄像机的非完整移动机器人视觉伺服镇

定问题。机器人视觉伺服镇定是指机器人通过外部的视觉信息的输入下，设计控

制律使得机器人的状态能趋近于平衡点,实现点到点的控制，本文的主要工作如下：

1. 研究了在摄像机参数未知的情形下，一类非完整轮式移动机器人动力学系

统在视觉伺服下镇定问题的建模。首先从标准机器人运动学模型以及视觉空间与

工作空间的转换得到视觉平面上的机器人运动学模型。

2. 根据视觉空间的运动学的速度误差以及视觉空间的机器人的动力学模型设

计了一个力矩自适应控制器，使得该闭环系统能镇定到平衡点处。

3. 设计的控制器具有鲁棒性和光滑性，且只需视觉反馈信息，控制律无需切

换。控制器中的鲁棒项函数用以抑制动力学扰动，摄像机估计值用以估计未知的

摄像机参数，动力学的惯性参数估计值用以消除动力学参数的不确定性。

4. 控制系统的稳定性以及参数估计值的有界性由李雅普诺夫定理证明。仿真

结果用于说明控制律的有效性。

关键词：非完整移动机器人镇定自适应控制视觉伺服

ABSTRACT

This paper mainly discusses a problem of position/orientation stabilization of

wheeled mobile robot via visual servoing in the presence of uncalibrated cameras and

parametric uncertainty of mechanical dynamics. The problem of stabilization via visual

servoing refers to that the states of robot system can be reached the equilibrium point to

achieve point-to-point control by means of the designed control law under the external

input of visual information. The main contents and results of this paper are given as

follows:

1. The control problem is considered for a modeling of stabilization problem of

nonholonomic wheeled mobile robots with uncalibrated visual parameters. First,

kinematic model associated with camera space is obtained from the standard kinematic

model and a conversion between camera-space and task-space.

2. An adaptive controller is designed based on velocity error of kinematics and

dynamic model in camera space. After that, the system can be stabilized to the

equilibrium point by using this controller.

3. The designed controller is robust and smooth. The control law don't need any

switch and it may be implemented just by using visual feedback. The robust term of the

controller is used not only to compensate for uncertain camera system and mechanical

parameters but also to restrain disturbance.

4. The stability of the control system and the boundedness of estimated parameters

are proved by Lyapunov theorem. Simulation results are included to illustrate the

performance of the control law.

Key Word: nonholonomic, mobile robots, stabilization, adaptive

control, visual servoing

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
1 非完整系统综述.....................................................................................................1
1.1 非完整系统的简介..........................................................................................1
1.2 非完整系统的数学模型..................................................................................2
2 非完整移动机器人的研究现状.............................................................................3
2.1 非完整移动机器人的控制问题......................................................................3
2.2 非完整移动机器人的视觉伺服镇定..............................................................5
2.4 摄像机参数不确定下视觉伺服镇定..............................................................5
3 本文的主要工作和创新点.....................................................................................6
3.1 本文的主要工作..............................................................................................6
3.2 本文的创新点..................................................................................................6
第二章 视觉伺服反馈的非完整移动机器人的建模......................................................8
1 引言.........................................................................................................................8
2 机器人运动学模型.................................................................................................8
2.1 轮式移动机器人在任务空间的运动学模型..................................................8
2.2 轮式移动机器人在视觉空间的运动学模型..................................................9
2.3 工作空间与视觉空间的相互转换................................................................10
3 机器人动力学模型...............................................................................................11
4 本章总结...............................................................................................................11
第三章 未校正摄像机的非完整机器人自适应镇定....................................................13
1 引言.......................................................................................................................13
2 机器人自适应控制...............................................................................................13
2.1 本章假设与准备工作....................................................................................13
2.2 运动学的镇定控制器设计............................................................................15
2.3 动力学的镇定控制器设计............................................................................15
2.4 数值例子与仿真............................................................................................16
3 本章总结...............................................................................................................19
第四章 未校正摄像机的非完整机器人光滑镇定........................................................20
1 引言.......................................................................................................................20
2 光滑自适应控制...................................................................................................20
2.1 本章假设与准备工作....................................................................................20
3 自适应控制设计...................................................................................................22
2.1 运动学的镇定控制器设计............................................................................22
2.2 动力学的镇定控制器设计............................................................................23
2.3 稳定性分析....................................................................................................25
2.4 数值例子与仿真............................................................................................28
4 本章总结...............................................................................................................31

第五章结论与展望........................................................................................................32

5.1 本文的研究内容...................................................................................................32

5.2 研究展望...............................................................................................................33

参考文献.........................................................................................................................34

第一章绪论

1.1 非完整系统综述

1.1.1 非完整系统的简介

人类在大量的实践中发现，众多的实际控制系统常常需要与外部环境进行接

触，这类系统或多或少带有一定的约束条件，被称为受限系统。而这些约束或者

这些系统一般可分为两类：完整约束和非完整约束，所构成的系统称为完整系统

和非完整系统。德国学者 Hertz 最早在 1894 年提出“非完整”这一词（英文叫

nonholonomic）。它源自于近代分析力学，与“完整”都是描述系统约束方程的特

性。含有非完整约束的系统被称为非完整系统，含有完整约束的系统被称为完整

系统。非完整约束是至少包含一个不可积分的微分约束的动力学系统。完整约束通

俗的讲是指对于一个系统的被控对象，它的约束方程与位置和时间有关，而与速

度无关。

考虑以下带有个完整约束的系统

式中为独立的广义坐标即系统的状态变量，为系统

的控制输入，表示时间，为系统的状态方程，为

系统的约束方程。或者式的约束方程为，若存在一个不为常数的函数

，满足下式

则也可以称为完整系统，系统中的约束也随之称为完整约束。如果不

存在这样的一个函数满足式，或者约束方程不能表示成则系统

称为非完整系统，系统中的约束则称为非完整约束。

非完整约束主要存在于含滚动的系统如轮式移动机器人、汽车等等，和角动

量守恒的系统如飞机、轮船以及人造卫星等等[1]。这类问题大体都是由于系统受到

对速度的不可积分的约束而引起的，而且这类约束也不能通过积分表示成位置的

约束形式。

随着自动化技术和计算机技术的高速发展，轮式移动机器人在工业、农业、医

疗、服务以及核废料处理、城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合行业

中的应用日渐广泛，并随之渗透到各行各业中，甚至近几年在民用和消费电子数

码领域也火热起来。给我们的生产生活带来了巨大的变化。而轮式移动机器人就是

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摘要：

非完整机器人的视觉伺服镇定摘要本文主要讨论了一类基于未校准顶置摄像机的非完整移动机器人视觉伺服镇定问题。机器人视觉伺服镇定是指机器人通过外部的视觉信息的输入下，设计控制律使得机器人的状态能趋近于平衡点,实现点到点的控制，本文的主要工作如下：1.研究了在摄像机参数未知的情形下，一类非完整轮式移动机器人动力学系统在视觉伺服下镇定问题的建模。首先从标准机器人运动学模型以及视觉空间与工作空间的转换得到视觉平面上的机器人运动学模型。2.根据视觉空间的运动学的速度误差以及视觉空间的机器人的动力学模型设计了一个力矩自适应控制器，使得该闭环系统能镇定到平衡点处。3.设计的控制器具有鲁棒性和光滑性，且只需视觉反...

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