非完整移动机器人的双目视觉反馈镇定

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 1.46MB 67 页 15积分
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摘 要
视觉传感器在机器人领域的应用日益广泛，机器人的视觉伺服控制问题也成
为研究的热点。本文以非完整移动机器人作为研究对象，主要讨论基于双目视觉
的非完整移动机器人视觉反馈镇定问题。
首先，概述了国内外机器人及视觉伺服控制的历史发展与应用现状，并介绍
了非完整移动机器人的概念及其运动学与动力学模型。其次，利用针孔成像模型
标定摄像机内外参数，以及双目立体视觉系统中两个视点之间的相对位姿；使用
精度更高的投影法测算得到目标点三维坐标。双摄像机应用于控制时得到目标物
的三维坐标，结合设定的世界坐标系，确定移动机器人与目标物之间的相对位置
关系。重点讨论了非完整约束下机器人视觉伺服控制的镇定问题，针对基于图像
特征的机器人视觉反馈镇定问题，设计了镇定控制器；并给出了严格证明和实验
分析。
文中的视觉部分采用了 Intel 的开源视觉库 OpenCV，用于图像点的处理和识
别。基于自主设计的非完整移动机器人实验平台，编写了相应的控制软件并驱动
机器人做了控制实验，对伺服控制器的有效性和稳定性进行了验证。
关键词：非完整 移动机器人 标定 双目视觉 伺服控制
ABSTRACT
Visual sensors have been paid more attention for decades, and robot visual servoing
feedback becomes a focus in the field of mobile robots. Based on nonholonomic mobile
robot, the binocular visual servoing feedback stabilizing problem of nonholonomic
wheeled mobile robots(WMR) is discussed in this thesis.
First, the domestic and international development in robot visual servoing field is
investigated, with the definition of nonholonomic mobile robots and its dynamics and
kinematics models. Then utilizing pinhole model, intrinsic, extrinsic parameters and the
relative position of two cameras are calibrated. A preciser 3D coordinates of object
points can be calculated with projection method than the common method. Combining
with the world coordinate, the position relationship between WMR and object is
identified, so a controller can be designed correspondingly. The stabilizaing problem of
robots visual servoing control under nonholonomic constrain is focused on, and a
stabilizing controller based on image features of robots visual servoing feedback is
designed, with strict proof and experimental analysis.
The Open Source Computer Vision (OpenCV) library of Intel is exploited for image
recognition and processing. Experiments on the nonholonomic mobile robots
experimental platform have been carried out, so the effectiveness and stability of the
systems are verified.
Key Word ：Nonholonomic, Mobile Robot, Calibration, Binocular
Vision, Servoing Control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................................................................................................... 1
§1.1 移动机器人技术综述 ...........................................................................................................1
§1.2 非完整移动机器人 ...............................................................................................................2
§1.2.1 移动机器人简述 ........................................................................................................2
§1.2.2 非完整轮式移动机器人 ............................................................................................3
§1.2.3 非完整移动机器人运动学模型 ................................................................................4
§1.2.4 非完整移动机器人动力学模型 ................................................................................4
§1.3 机器人视觉伺服的历史与现状 ...........................................................................................5
§1.3.1 视觉伺服反馈的历史与现状 ....................................................................................5
§1.3.2 机器人视觉控制应用现状 ........................................................................................6
§1.4 课题来源与研究内容 ...........................................................................................................7
§1.4.1 课题来源 ....................................................................................................................7
§1.4.2 研究内容 ....................................................................................................................7
第二章 摄像机与视觉系统标定 ..........................................................................................................9
§2.1 摄像机标定模型 ...................................................................................................................9
§2.1.1 世界坐标系、摄像机坐标系与图像坐标系 ........................................................... 9
§2.1.2 针孔成像模型 .......................................................................................................... 11
§2.2 摄像机标定技术 ................................................................................................................. 11
§2.2.1 摄像机标定方法分类 ..............................................................................................12
§2.3 基于 OpenCV 的摄像机标定 ............................................................................................ 13
§2.3.1 开源计算机视觉（OpenCV）介绍 ........................................................................ 13
§2.3.2 摄像机标定试验 ......................................................................................................14
第三章 双目视觉测量 ........................................................................................................................17
§3.1 双目立体视觉原理 .............................................................................................................17
§3.1.1 双目立体视觉三维测量 ..........................................................................................17
§3.1.2 双目立体视觉数学模型 ..........................................................................................18
§3.2 双目立体视觉系统标定 .....................................................................................................20
§3.2.1 双目立体视觉的标定方法 ......................................................................................20
§3.2.2 目标点三维深度坐标推导 ......................................................................................21
§3.3 标定及算法验证试验 .........................................................................................................22
§3.3.1 双目视觉系统参数标定 ..........................................................................................23
§3.3.2 目标点三维坐标计算 ..............................................................................................25
第四章 移动机器人控制试验平台 ....................................................................................................28
§4.1 移动机器人试验平台概述 .........................................................................................28
§4.2 机器人电源与测距模块 .....................................................................................................30
§4.3 图像信息处理 .....................................................................................................................31
§4.3.1 图像处理模块 ..........................................................................................................31
§4.3.2 图像采集流程 ..........................................................................................................32
第五章 视觉反馈镇定 ........................................................................................................................34
§5.1 移动机器人视觉平面表示 .................................................................................................34
§5.1.1 图像空间内的 WMR 运动学模型 ..........................................................................34
§5.1.2 同型矩阵求解 ..........................................................................................................36
§5.2 视觉反馈镇定控制器设计 .................................................................................................37
§5.2.1 视觉反馈控制器设计 ..............................................................................................37
第六章 视觉反馈镇定控制实验 ........................................................................................................41
§6.1 视觉伺服控制实验概述 ......................................................................................................41
§6.2 机器人视觉伺服控制软件分析 .........................................................................................41
§6.2.1 控制程序软件流程 ..................................................................................................42
§6.2.2 控制软件关键线程 ..................................................................................................43
§6.3 机器人视觉伺服控制实验 .................................................................................................46
§6.3.1 机器人视觉伺服控制实验步骤 ..............................................................................46
§6.3.2 机器人视觉伺服控制实验数据和分析 ................................................................. 46
6.4 机器人伺服控制实验结论 ...................................................................................................53
第七章 结论与展望 ............................................................................................................................ 54
参考文献 .............................................................................................................................................. 55
附录 ...................................................................................................................................................... 60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................................. 64
致 谢 .................................................................................................................................................. 65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 移动机器人技术综述
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。移动机器人作为机器人
学中的一个重要分支，也是科研人员研究的热点。目前，移动机器人已广泛用于
科学考察、地质勘探、灾难营救等多个领域，对人类了解地球、征服自然、探索
宇宙具有重要意义。同时，也是代替人们在有辐射、有粉尘、有毒等环境中作业
必不可少的工具。移动机器人的典型行走形式有轮式、履带式和腿足式等。
对移动机器人运动规划及控制的研究可以追溯到上世纪 60 年代末，在上世纪
80 年代逐渐繁荣起来。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[1]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 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[2-6]。如美国 NASA 的空间机器人 Sojanor 于1997 年登上火星。
Sljanor 是一辆自主移动车，重量为 11.5kg，尺寸 630×48mm，有 6个车轮，它在
火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。随后 NASA 又相继研制了勇气号和
机遇号轮式空间机器人并发射到火星，目前仍在工作。同时，日本的 HONDA 公
司和 SONY 公司的双足步行机器人也代表着移动机器人发展的领先水平。
国内移动机器人的研究起步较晚，在 863 计划的支持下，也取得了不少成果[7]，
如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实现无缆行走、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。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。
非完整移动机器人的双目视觉反馈镇定
2
§1.2 非完整移动机器人
§1.2.1 移动机器人简述
实际的移动机器人在与外界环境接触时，都要受到某些运动或力的约束，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，与此相
对应的控制系统分为两种：完整约束下的控制系统和非完整约束下的控制系统。
完整约束(也称几何约束)是指对于系统的位置或速度的限制可经过积分转变为广
义位置的约束；非完整约束(也称运动约束)是指对于系统的速度的限制不能经过积
分转变为广义位置的约束[8]。相应具有完整约束的控制系统称其为完整控制系统；
具有不完整约束的控制系统称其为非完整控制系统[9]。在物理意义上，非完整约束
主要存在于具有滚动接触的物体之间，典型的例子如具有轮子的装置在平面上的
滚动(不考虑滑动)和球在平面上的滚动(不考虑滑动)等。而在实际应用中，非完整
约束存在于诸如移动机器人、汽车、空间机器人以及电机控制[10-16]等。
设位姿空间
Q
是广义坐标为
 
1 2
, , , n
q q q q
的一个开子集。对于由广义坐标
q
和时间
t
所描述的几何约束，可以将一部分广义坐标用其它广义坐标表示出来，
从而可以将系统降阶，将约束去掉。而对于由微分方程和时间描述的速度约束则
存在可积性的问题。一般情况下，对于位姿空间为
Q
的系统，速度约束可写为如
下形式
( ) 0A q q
(1.1)
其中
( ) k n
A q R
，表示
k
个速度约束。具有这种形式的约束称为 Pfaffian 约束。如
果存在一个矢量值函数
:k
h Q R
，使得
，
则认为 Pfaffian 约束是可积的。因此可积的 Pfaffian 约束等价于完整约束，不可积
Pfaffian 约束则是一种非完整约束。当系统的瞬时速度限制在
n k
维子空间中，但
可达位姿的集合不限于位姿空间中的某个
n k
维超曲面时，即存在这种非完整约
束。也就是说，对于具有完整约束的系统，可以找到由一组独立广义坐标描述的
空间，在此空间内，系统的任意运动都是可能的。而非完整系统则不然，每个时
刻的运动并非任意，只有满足非完整约束才行。
非完整约束条件是对受控系统运动的约束，用系统空间位置的不可积微分方
程来表示，但对空间位置没有任何限制。从力学分析和控制论的角度出发，所有
的实际系统都可以用状态空间法来描述并都受到约束的限制。但完整约束可以用
来降低系统状态空间的维数，转化为无约束的系统控制问题，难度不大。但非完
第一章 绪论
3
整约束就不具有这样的性质。所以必须在系统的运动学或动力学模型之外还要考
虑非完整约束。
§1.2.2 非完整轮式移动机器人
移动机器人尤其是应用最广泛的轮式移动机器人通常具有非完整约束，即轮
式移动机器人的轮子与地面之间存在滚动无滑动这一非完整约束，轮式移动机器
人不能侧向移动，如下图所示：
图1.1 轮式移动机器人不能侧向移动
任意时刻机器人车轮只有纯滚动而无滑动运动，其运动方向只能与机器人的
朝向一致。本文以典型的具有非完整约束的两前轮驱动中轴对称轮式移动机器人
为控制对象，如图 1.2 所示，研究自主非完整移动机器人在空间中的运动控制问题。
图1.2 非完整移动机器人模型
其中非完整移动机器人的两个驱动轮轮轴重合，有各自独立的驱动系统，万向轮
仅起支撑作用。为了描述机器人的运动，建立两个直角坐标系，以二维平面某一
点为原点的全局坐标系
X Y
，和固定于非完整移动机器人本体的横轴正方向始终
与机器人朝向相一致的局部坐标系
c c
x y
。其中，
C
是机器人的质心，也是局部坐
标系的原点。
C
在全局坐标系下的坐标
( , )x y
即为机器人的位置，
X
正方向到
c
x
正
方向的角度
即为机器人的朝向，也称为方向角。
摘要：

摘要视觉传感器在机器人领域的应用日益广泛，机器人的视觉伺服控制问题也成为研究的热点。本文以非完整移动机器人作为研究对象，主要讨论基于双目视觉的非完整移动机器人视觉反馈镇定问题。首先，概述了国内外机器人及视觉伺服控制的历史发展与应用现状，并介绍了非完整移动机器人的概念及其运动学与动力学模型。其次，利用针孔成像模型标定摄像机内外参数，以及双目立体视觉系统中两个视点之间的相对位姿；使用精度更高的投影法测算得到目标点三维坐标。双摄像机应用于控制时得到目标物的三维坐标，结合设定的世界坐标系，确定移动机器人与目标物之间的相对位置关系。重点讨论了非完整约束下机器人视觉伺服控制的镇定问题，针对基于图像特征的机...

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