基于双目视觉的伺服机械臂运动控制研究

发布时间：2017-09-26 07:18

  本文关键词：基于双目视觉的伺服机械臂运动控制研究

  更多相关文章： 机械臂控制 轨迹规划 双目视觉 区域生长 LabVIEW/FPGA

【摘要】：机器人视觉技术自出现以来,就备受关注并得到极大发展,在工业、农业、医疗、服务业以及航空航天等多个领域都得到了广泛的应用。然而随着研究的深入和应用的发展,人们对于视觉伺服机器人系统的准确性、实时性和稳定性都提出了更高的要求,因此目前针对实时控制系统的视觉控制技术仍有较大的提升空间。基于机器人视觉技术目前的技术现状和发展方向,本文以双目视觉伺服的六自由度机械臂系统作为研究对象,分别从机械臂的运动学分析理论、运动轨迹规划理论、双目视觉理论进行较为深入的分析和研究,将双目视觉理论和机械臂控制理论有机结合起来,并着重对现有双目视觉技术中的最为复杂的立体匹配理论进行研究和改进。本文主要完成了以下五个方面的分析、研究、设计和验证。以六自由度机械臂为模型进行运动学分析和描述,并以此为对象利用D-H模型进行建模和仿真,并进行了正、逆运动学求解分析,作为机械臂控制的理论基础；基于运动学建模并分别对于关节空间中的轨迹规划和笛卡尔空间中的轨迹规划进行了分析,并利用MATLAB平台对多项式插值算法和给定路径插补算法进行了仿真；对双目视觉识别技术进行结构化分析,并着重对稠密立体匹配进行了研究,并基于已有的区域生长理论引入预筛选、自适应阈值的Shi-Tomasi图像分割理论和跳跃式快速生长的概念,对算法进行了优化,并进行了理论分析和实验验证；基于以上研究和优化,基于LabVIEW和FPGA设计了双目视觉伺服机械臂实时控制系统；最后利用搭建的控制系统对理论研究进行了参数调整、性能测试、理论验证和结果分析。经过实物系统的测试和分析,系统能够利用双目视觉技术实时感知外部环境的变化,并以此对运动轨迹作出变更规划。同时,实验结果证明,相较于传统的区域生长算法,本文设计的改进稠密立体匹配算法在运行速度和准确性上都有较大提升,有效弥补了传统算法在准确性和实时性方面的缺陷。
【关键词】：机械臂控制 轨迹规划 双目视觉 区域生长 LabVIEW/FPGA
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;TP241
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题的研究背景9-10
• 1.2 课题的研究意义10
• 1.3 机器人视觉技术的研究现状10-15
• 1.3.1 机器人视觉技术国外研究现状10-13
• 1.3.2 机器人视觉技术国内研究现状13-14
• 1.3.3 机器人视觉的研究重点14-15
• 1.4 论文主要工作和内容安排15-17
• 1.4.1 论文主要内容15-16
• 1.4.2 章节安排16-17
• 2 机械臂运动学建模及轨迹规划研究17-34
• 2.1 机械臂运动学建模研究17-23
• 2.1.1 机械臂运动学分析简介17-18
• 2.1.2 机械臂结构模型分析及参数确定18-19
• 2.1.3 运动学数学建模19-21
• 2.1.4 逆运动学求解21-23
• 2.2 基于MATLAB的运动学模型仿真23-26
• 2.2.1 正运动学仿真23-25
• 2.2.2 逆运动学仿真25-26
• 2.3 机械臂轨迹规划理论研究26-33
• 2.3.1 轨迹规划简介26-27
• 2.3.2 关节空间中的轨迹规划27-31
• 2.3.3 笛卡尔空间中的轨迹规划31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 3 双目视觉理论研究与算法改进34-54
• 3.1 摄像机模型及其标定34-38
• 3.1.1 标定方法与极大似然估计34-37
• 3.1.2 标定的实现及结果分析37-38
• 3.2 图像预处理38-40
• 3.2.1 图像灰度化39
• 3.2.2 图像的平滑和降噪39-40
• 3.3 立体匹配原理与算法简介40-43
• 3.3.1 立体匹配的约束条件40-41
• 3.3.2 体匹配算法分类和评价标准41-43
• 3.4 改进的区域生长稠密匹配算法43-52
• 3.4.1 传统的区域生长算法简介43
• 3.4.2 Shi-Tomasi图像分割理论43-45
• 3.4.3 改进的自适应快速区域生长算法45-50
• 3.4.4 改进算法的仿真结果分析50-52
• 3.5 基于欧式空间的三维重建52-53
• 3.6 本章小结53-54
• 4 视觉伺服机械臂控制系统设计54-67
• 4.1 系统结构设计及指标54-56
• 4.2 机械臂及其控制系统硬件设计56-58
• 4.2.1 机械臂及数字舵机56-57
• 4.2.2 机械臂控制驱动器57
• 4.2.3 无线传输模块硬件设计57-58
• 4.3 数据采集模块硬件设计58-60
• 4.3.1 双目图像采集模块58
• 4.3.2 ADXL345加速度采集模块58-59
• 4.3.3 ENC-03角陀螺仪59-60
• 4.4 驱动控制与无线传输程序设计60-64
• 4.4.1 Verilog HDL程序顶层设计60-61
• 4.4.2 串行通信程序61
• 4.4.3 指令分析和PWM生成61-63
• 4.4.4 数据采集和模数转换63-64
• 4.4.5 无线传输程序设计64
• 4.5 控制中枢程序设计64-66
• 4.5.1 LabVIEW与MATLAB混合编程64-65
• 4.5.2 基于3D Picture Control的LabVIEW三维建摸65-66
• 4.5.3 操作界面设计66
• 4.6 本章小结66-67
• 5 参数调整和实验分析67-73
• 5.1 尺寸测量实验67-69
• 5.2 系统运动精度测试实验69-70
• 5.3 速度测试实验70-71
• 5.4 结果分析71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

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