基于射影单应性矩阵的无标定视觉伺服研究

发布时间：2020-05-10 07:44

【摘要】：视觉伺服(Visual Servoing)技术通过引入实时视觉反馈信息,可有效的拓展机器人的应用范围,已成为机器人领域的重要研究方向。而无标定视觉伺服技术无需对机器人视觉伺服系统进行精确的参数标定,提升了视觉伺服系统对参数误差的鲁棒性,避免了精确系统标定的繁琐流程,因而显著的增强了机器人视觉伺服系统对复杂作业环境与任务的适应性。现有的无标定视觉伺服技术研究局限于基于图像的视觉伺服技术框架,存在实时性、鲁棒性以及轨迹不优等方面的固有缺陷。本论文提出了一种基于射影单应性矩阵的无标定视觉伺服方法,实现了无标定条件下高效、高精的视觉伺服控制与轨迹优化。论文的主要研究内容如下:提出了基于射影单应性矩阵的无标定视觉伺服新方法。通过建立任务函数在三维欧氏空间、图像空间、欧几里得单应性矩阵空间以及射影单应性矩阵空间的等效表达式,提出了射影单应性矩阵空间的无标定视觉伺服新思路,克服了基于图像的无标定视觉伺服方法在计算效率、任务函数鲁棒性等方面的固有缺陷。提出了射影单应性矩阵的精确与鲁棒计算方法。通过易于获取的附加图像,并结合虚拟视差法,消除了射影单应性矩阵在计算过程中的比例模糊性。在此基础上,进一步提出了基于除式模型的径向畸变参数精确估算方法,在径向畸变条件下,同步实现了图像矫正与射影单应性矩阵的精确求取。实现了无标定条件下射影单应性矩阵的轨迹优化。通过分析相机在三维欧氏空间中的最优轨迹及其对应的图像轨迹特征,提出了射影单应性矩阵空间最优轨迹的解析表达式。该表达式完全独立于系统参数,实现了射影单应性矩阵空间的直接高效轨迹规划,优化了相机/机器人在三维欧氏空间中的运动轨迹。建立了基于射影单应性矩阵的无标定视觉伺服控制器。提出了基于射影单应性矩阵的视觉伺服任务函数。理论分析证明,该任务函数相比于现有的无标定视觉伺服任务函数,拥有更高的精度与鲁棒性;进而分析了该任务函数对应的雅克比矩阵形式,提出了雅克比矩阵在线估计方法与对应的控制律,从而实现了基于射影单应性矩阵的无标定视觉伺服控制。通过实验与仿真验证了基于射影单应性矩阵的无标定视觉伺服方法的有效性。构建了机器人无标定视觉伺服实验与仿真平台,对基于射影单应性矩阵的无标定视觉伺服方法的性能从计算效率实时性、定位与跟踪精度以及运动轨迹三大方面进行了对比研究,证明了所提出的视觉伺服新方法的可行性与优越性。
【图文】：

对于空间中的特征点i ，设其在相机坐标系下的坐标为 = Z Ti i i i X Y，其对像坐标为 1 Ti i ip u v，，根据相机成像模型可得：图 2-2 图像空间的无标定视觉伺服 IBUVS 框图

-5（a）（b）右图中的蓝色线框描绘的是利用所估计的 G 矩阵和顶点进行映射得到的矩形框。G 矩阵的计算精度越高则蓝色框线度越高。两幅图像之间的连线表示特征点的匹配情况。绿色连线 射影单应性矩阵对特征跟踪错误的鲁棒性。（a）特征误匹配；（b）特征部
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

【参考文献】

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2 辛菁;机器人无标定视觉伺服控制系统研究[D];西安理工大学;2007年

本文编号：2656979