雙目視差模型及其在視覺伺服控制中的應(yīng)用研究.pdf

1、視覺伺服技術(shù)利用相機(jī)采集任務(wù)空間內(nèi)目標(biāo)的圖像,并從中提取出目標(biāo)或機(jī)器人自身的位姿信息或者圖像特征,以此作為反饋來控制機(jī)器人的位姿或動作,使得機(jī)器人完成期望的任務(wù)。視覺伺服技術(shù)可分為基于位置的視覺伺服方式和基于圖像的視覺伺服方式。前者對相機(jī)和機(jī)器人的標(biāo)定誤差比較敏感。而后者魯棒性較好,因此受到越來越多的關(guān)注。基于圖像的視覺伺服方式的關(guān)鍵是雅可比矩陣估計,而到目前為止估計雅可比矩陣的理論尚不成熟,因此限制了基于圖像視覺伺服方式的發(fā)展。本課題

2、從視覺模型入手,實現(xiàn)了從圖像空間到任務(wù)空間映射關(guān)系的線性化和解耦,大大降低了雅可比矩陣估計的難度。研究工作主要包括以下幾個方面:
　　1.目標(biāo)或執(zhí)行器末端從機(jī)器人任務(wù)空間到相機(jī)圖像空間的映射是一種耦合的非線性時變關(guān)系,因此圖像雅可比的估計仍有許多問題沒有得到解決。本課題利用雙目視覺所產(chǎn)生的視差向量,通過推導(dǎo)建立了一個雙目視差模型,實現(xiàn)了從任務(wù)空間到圖像特征空間映射關(guān)系的解耦和線性化,在一定程度上解決了圖像雅可比矩陣估計的難題。

3、r>　　2.視覺伺服控制中,首先需要從圖像中提取目標(biāo)的特征信息,才能對目標(biāo)或相機(jī)自身的位姿進(jìn)行估計。而圖像處理一般都需要占用系統(tǒng)大量的運算時間,是制約伺服系統(tǒng)響應(yīng)能力的瓶頸之一。因此,快速可靠的圖像處理算法是視覺伺服控制中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。圖像熵是反應(yīng)圖像所包含信息量的一個重要指標(biāo)。本課題利用圖像掃描窗口與模板間的圖像熵差作為衡量兩者間匹配程度的指標(biāo),提出了基于局部熵差的目標(biāo)匹配快速算法。算法通過利用局部圖像熵的泰勒級數(shù)展開近似,并

4、利用積分圖像和平方積分圖像進(jìn)行求解,實現(xiàn)了只需一次遍歷就可以完成模板的粗匹配,迅速縮小目標(biāo)的搜索范圍,顯著減少了圖像處理的運算量,為提高視覺伺服系統(tǒng)響應(yīng)能力提供了有利條件。
　　3.機(jī)器人操作平臺是實現(xiàn)視覺伺服運動的載體。不同的應(yīng)用場合,機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也會有差異。因此需要根據(jù)機(jī)器人的實際結(jié)構(gòu)和運動特性進(jìn)行建模分析。本課題設(shè)計了一個空間固定目標(biāo)精確定位平臺DIM和一個空間運動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)iTracer。DIM是一個串并混聯(lián)機(jī)構(gòu),包含兩

5、旋轉(zhuǎn)一平移共三個自由度。為了實現(xiàn)末端執(zhí)行器的定位控制,建立了運動學(xué)模型。另外,對DIM的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精度分析,為考察DIM的視覺伺服定位能力提供了依據(jù)。iTracer是一個串聯(lián)機(jī)構(gòu),也包含了兩旋轉(zhuǎn)一平移共三個自由度,可以實現(xiàn)在工作區(qū)間內(nèi)運動目標(biāo)跟蹤的快速響應(yīng)。建立了iTracer的動力學(xué)模型,為控制執(zhí)行電機(jī)的輸出提供依據(jù)。
　　4.經(jīng)過圖像處理,提取出包含目標(biāo)或機(jī)器人操作平臺當(dāng)前位姿信息的圖像特征。利用雙目視差模型和機(jī)器人平臺的運動