基于视觉的五自由度运动平台控制系统研究

发布时间：2017-09-28 20:21

  本文关键词：基于视觉的五自由度运动平台控制系统研究

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【摘要】：机器人视觉伺服是机器视觉领域的热门课题,它涉及机器人学、控制理论、图像处理等多门学科知识,视觉机器人具有自主分析环境信息和执行任务的能力,广泛应用于航天、国防和工业自动化领域。本文以五自由度运动平台为基础,研究基于图像的视觉伺服控制系统,对系统中的每个部分进行详细的分析与设计,并且以MATLAB仿真和实验调试证明了系统的可行性。主要研究内容如下:(1)设计五自由度运动平台视觉伺服控制系统,包含上位机软件、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机、摄像机以及接近开关等装置。(2)对五自由度运动平台进行运动学建模,求其正、逆运动学的解;推导表示机器人运动速度与目标在图像平面运动速度映射关系的图像雅可比矩阵,以此设计运动控制律并利用李雅普诺夫方法验证其稳定性,最后结合MATLAB进行了固定目标定位以及运动目标跟踪两个仿真实验,验证了系统模型以及运动控制律的有效性。(3)利用卡尔曼滤波辨识图像雅可比矩阵的方法代替传统的解析求解雅可比矩阵的方法,有效避免了求解图像雅可比矩阵逆时巨大的计算量以及计算误差,并且在仿真实验中验证其效果良好。(4)视觉模块是视觉伺服的关键。基于眼在手的视觉模式对摄像机建立针孔模型并结合OpenCV对其进行内外参数的标定;利用摄像机采集目标信息,用数字图像处理技术对其进行分析,最终利用目标识别技术得到目标的图像坐标。(5)系统控制软件包含上位机软件、Pewin32PRO2实时控制软件以及二者与PMAC卡之间的通讯;利用VS2010和OpenCV编写上位机软件,包含控制模块和视觉模块,对Pewin32PRO2实时控制软件进行参数设置,上位机与实时控制软件之间采用内存映射文件的方式通讯。(6)利用五自由度运动平台进行平面图形轮廓雕刻以及运动目标跟踪两个实验,分别对应第三章的两个仿真实验;从实验运行过程可以看出,五自由度运动平台虽然运动较为缓慢,但是仍然可以有效地完成目标定位并且实时地进行跟踪,具有较好的跟踪精度。
【关键词】：视觉伺服 五自由度运动平台 图像雅可比矩阵 上位机软件
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 机器人运动控制系统背景11-12
• 1.2 机器人视觉伺服系统介绍12-13
• 1.2.1 视觉伺服系统概述12
• 1.2.2 视觉伺服系统分类12-13
• 1.3 机器人视觉伺服系统研究现状13-16
• 1.3.1 国内外的发展现状13-15
• 1.3.2 视觉伺服的发展趋势15-16
• 1.4 论文的研究目的和内容16-17
• 第2章 五自由度运动平台控制系统17-25
• 2.1 五自由度运动平台结构17-18
• 2.2 控制器与执行机构选取18-21
• 2.2.1 PMAC运动控制器18-20
• 2.2.2 伺服驱动器与伺服电机20-21
• 2.3 检测系统21-23
• 2.3.1 视觉检测模块21-22
• 2.3.2 接近开关22-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第3章 五自由度运动平台视觉伺服控制设计25-41
• 3.1 五自由度运动平台建模基础25-27
• 3.1.1 空间坐标系位姿描述25-26
• 3.1.2 多坐标系之间的坐标变换26-27
• 3.2 五自由度平台运动学分析27-30
• 3.2.1 平台正运动学建模分析28-30
• 3.2.2 平台逆运动学建模分析30
• 3.3 基于图像的视觉伺服控制律设计30-32
• 3.3.1 雅可比矩阵的构造与求解31-32
• 3.3.2 应用图像雅可比矩阵设计控制律32
• 3.4 图像雅可比矩阵辨识32-35
• 3.4.1 图像雅可比矩阵的辨识方法32-33
• 3.4.2 卡尔曼滤波辨识图像雅可比矩阵33-35
• 3.5 仿真实验35-39
• 3.5.1 固定目标定位仿真实验35-37
• 3.5.2 运动目标跟踪仿真实验37-39
• 3.6 本章小结39-41
• 第4章 五自由度运动平台视觉系统41-57
• 4.1 摄像机成像模型建立41-44
• 4.1.1 视觉系统内坐标系之间的关系41-43
• 4.1.2 针孔模型建立43-44
• 4.2 CCD摄像机标定44-48
• 4.2.1 摄像机标定方法45
• 4.2.2 摄像机标定原理45-46
• 4.2.3 摄像机标定实验46-48
• 4.3 视觉系统目标图像处理48-51
• 4.3.1 目标图像采集48-49
• 4.3.2 目标图像灰度化49-50
• 4.3.3 目标图像平滑50-51
• 4.4 目标识别51-55
• 4.4.1 目标边缘检测51-53
• 4.4.2 三种边缘检测算子结果分析53-54
• 4.4.3 目标颜色识别54-55
• 4.5 本章小结55-57
• 第5章 五自由度运动平台软件开发与实验调试57-75
• 5.1 Pewin32PRO2实时控制软件57-59
• 5.1.1 实时控制、状态显示与故障诊断57-58
• 5.1.2 Pewin32PRO2软件参数设置58
• 5.1.3 平台运动模式选择58-59
• 5.2 上位机控制软件开发59-63
• 5.2.1 控制模块60-61
• 5.2.2 视觉模块61-63
• 5.3 上位机、Pewin32PRO2及运动控制卡之间的通讯63-65
• 5.3.1 Pewin32PRO2与运动控制卡的通讯63
• 5.3.2 上位机软件与运动控制卡的通讯63-64
• 5.3.3 上位机软件与Pewin32PRO2的通讯64-65
• 5.4 固定目标雕刻实验65-71
• 5.4.1 目标轮廓寻找与特征点获取66-69
• 5.4.2 平面目标雕刻实验结果与分析69-71
• 5.5 运动目标跟踪实验71-73
• 5.5.1 目标定位71
• 5.5.2 运动目标跟踪实验结果与分析71-73
• 5.6 本章小结73-75
• 结论75-77
• 参考文献77-80
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单80-81
• 致谢81

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本文编号：937856