基于视觉的五自由度运动平台控制系统研究

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1、基于视觉的五自由度运动平台控制系统研究郭悦2016年1月中图分类号：UDC分类号：基于视觉的五自由度运动平台控制系统研究作者姓名郭悦学院名称自动化学院指导教师姚小兰副教授答辩委员会主席伍清河教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月ResearchonControlSystemof5-DOFMotionPlatformBasedonVisionCandidateName:YueGuoSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFacultyMentor:AssociateProf.XiaolanYa

2、oChair,ThesisCommittee:Prof.QingheWuDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用

3、过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文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

4、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OpenC

5、V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

6、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I北京理工大学硕士学位论文AbstractRobotvisualservoingisahotsubjectinthefieldofmachinevision.Itinvolvesmanyelementareasincludingrobotics,controltheory,imageprocessingandsoon.Visionrobothastheabilitytoanalyzeenvironmentalinformationandtoperformtasksindepen

7、dently,soitiswidelyusedintheapplicationofaviation,nationaldefenseandindustryautomation.Inthepaper,visualservoingcontrolsystembasedontheimageisstudiedwiththefivedegreeoffreedom(5-DOF)motionplatform,andeachpartofthesystemisdetailedlyanalyzedanddesign