機(jī)器人視覺伺服及網(wǎng)絡(luò)控制研究.pdf

1、機(jī)器人視覺伺服與基于傳統(tǒng)傳感器的機(jī)器人控制相比,具有更高的靈活性和精度,能夠?qū)C(jī)器人標(biāo)定誤差具有強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn),是機(jī)器人控制研究的熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是近年來發(fā)展形成的基于網(wǎng)絡(luò)的自動化技術(shù),是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信和自動控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物,也已成為控制界研究的熱點(diǎn)。而從遙操作機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)則是以上兩個研究領(lǐng)域的交叉,更具挑戰(zhàn)性。本文通過構(gòu)建一個基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng),對機(jī)器人視覺伺服和網(wǎng)絡(luò)控制中的若干問題進(jìn)行研究

2、,主要完成了以下幾個方面的工作：1)以機(jī)器人末端跟蹤不同形狀平面運(yùn)動目標(biāo)為視覺伺服任務(wù),基于模板匹配圖像特征提取的思想,提出了一種基于模板快速生成和GA搜索的圖像特征提取方法。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對于不同形狀目標(biāo)的快速轉(zhuǎn)換,提出了模板快速生成算法和相關(guān)度函數(shù)定義；為了保證算法對于目標(biāo)形狀具有較高的區(qū)分度并提高圖像隨機(jī)搜索的速度,通過對靜態(tài)圖像的特征提取實(shí)驗(yàn)研究,提出了目標(biāo)偏離度指標(biāo)和計算算法；利用該指標(biāo)作為適應(yīng)度函數(shù),采用GA對模板參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)

3、化；采用Step GA、分級圖像搜索和動態(tài)視覺波門設(shè)定相結(jié)合的方法,保證了算法的實(shí)時性；對于不同形狀的運(yùn)動目標(biāo)視覺跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的特征提取方法具有目標(biāo)轉(zhuǎn)換快速靈活、不同形狀區(qū)分度高、圖像處理實(shí)時性強(qiáng)、并具有較好抗噪能力等優(yōu)點(diǎn),完全能夠滿足本文研究機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)對圖像特征提取方法的要求。2)根據(jù)RBT-6T/S04S機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)和連桿參數(shù)推導(dǎo)了機(jī)器人的各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系變換矩陣、機(jī)器人雅可比矩陣和圖像雅可比矩陣；建立了機(jī)器人視

4、覺伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；利用Matlab環(huán)境下Robotics Toolbox (Release 7.1)工具箱,建立了RBT-6T/S04S機(jī)器人仿真模型、攝像機(jī)系統(tǒng)模塊和視覺雅可比模塊,在Simulink中對采用比例控制律對基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。3)針對采用全狀態(tài)反饋控制律且系統(tǒng)矩陣元素非負(fù)的LTI系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)離散化后構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),在數(shù)據(jù)單包傳送、無數(shù)據(jù)包丟失、網(wǎng)絡(luò)時延在[0,h](h為采樣周期)區(qū)間內(nèi)任意取值的研究

5、假設(shè)下,提出并證明了：如果網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)任意時刻可變網(wǎng)絡(luò)時延值小于某一恒定值,且以此恒定值為時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的,則可變時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也是漸進(jìn)穩(wěn)定的。文中首先分析了采樣周期和網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能的影響；根據(jù)已有的研究成果,在狀態(tài)反饋增益不變的前提下,利用混雜系統(tǒng)(Hybrid System)理論確定了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對于采樣周期、恒定網(wǎng)絡(luò)時延的穩(wěn)定域；然后,通過理論分析,找出了相同狀態(tài)反饋增益下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對于采樣周期、

6、可變網(wǎng)絡(luò)時延的穩(wěn)定域；最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。4)對于3)中的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和研究假設(shè)下,根據(jù)基于代理的控制(Agent Based Control, ABC)系統(tǒng)“遠(yuǎn)端復(fù)雜,本地簡單”的設(shè)計原則,提出了基于分層結(jié)構(gòu)的可變網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償方法。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中,控制器計算控制量時,無法知道當(dāng)前控制信號的時延,由于時延的任意取值特性,對其進(jìn)行精確的預(yù)測是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此本文通過在執(zhí)行器端設(shè)置簡易控制器的方式,使遠(yuǎn)程控制器不再計算最終

7、控制量,而是發(fā)送需要復(fù)雜運(yùn)算的中間結(jié)果,由本地簡易控制器根據(jù)當(dāng)前控制指令的確切時延算出補(bǔ)償控制量,從而解決了對可變網(wǎng)絡(luò)時延的精確補(bǔ)償問題。文中通過仿真實(shí)驗(yàn)對所提出方法進(jìn)行了驗(yàn)證。5)提出了一種針對3)中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和研究假設(shè)的系統(tǒng)綜合方法。該方法的基本步驟為：根據(jù)連續(xù)時間系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和期望的性能,設(shè)計狀態(tài)反饋增益；連續(xù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)離散化過程中,通過求解一個條件極值問題,得出系統(tǒng)離散化的最佳采樣周期。它可使所得到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在保證穩(wěn)定性的前提

8、下,對可變網(wǎng)絡(luò)時延具有最佳容忍度；然后對得到的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用基于分層結(jié)構(gòu)的時延補(bǔ)償方法,即可使最終的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有與連續(xù)時間閉環(huán)系統(tǒng)相近的性能；根據(jù)所研究機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)控制律特性,找出了與時變視覺伺服系統(tǒng)相“等價”的一個連續(xù)時間LTI系統(tǒng)；利用提出的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合方法對上述系統(tǒng)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)視覺控制器設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了對基于圖像的視覺伺服網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)的仿真研究。本文最終針對RBT-6T/S04S機(jī)器人構(gòu)建了基于圖像的視覺伺服本地機(jī)器人