基于图像特征的机械臂视觉伺服控制研究.pdf

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1、基于图像特征的机械臂视觉伺服控制研究刘松青2015年12月16日中图分类号：TPUDC分类号：13基于图像特征的机械臂视觉伺服控制研究作者姓名刘松青学院名称自动化学院指导教师刘世岳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2015年12月ResearchonRoboticArmVisualServoingControlBasedonImageFeatureCandidateName：LiuSongqingSchoolorDepartment:Sc

2、hoolOfAutomationFacultyMentor:LiuShiyueChair,ThesisCommittee：Prof.WuQingheDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：December，2015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

3、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基于图像的无标定视觉伺服方法避免了位姿估计、逆运动学求解以及摄像机参数标定的难题，仅需要这些参数的粗略值或者估计值即可实现机械臂的视觉伺服控制，具有计算量小、精度高、设计灵活等优点。本文首先介绍了机械

4、臂视觉伺服的基本理论，总结了无标定视觉伺服方法的发展成果。其后，简述了机械臂的运动学基础，重点阐述了机械臂视觉系统、摄像机参数标定方法的基本原理以及标定中存在的问题。无标定视觉伺服方法中一个关键的问题是图像雅可比矩阵的在线估计，本文针对眼在手结构的六自由度机械臂伺服系统，推导了基于拟牛顿方法的控制策略以及基于动态Broyden方法的图像雅可比矩阵在线估计算法。针对拟牛顿法中出现的震颤现象，给出了一种基于置信域方法的拟牛顿控制策略，在无需精确标定值下实现大范围渐进稳定。为了消除图像噪声对雅可比矩阵估计的

5、影响，本文详细论述了基于卡尔曼滤波以及基于自适应卡尔曼滤波的图像雅可比矩阵在线估计算法的原理并通过仿真验证。基于图像的视觉伺服控制能够保证在图像平面获得较好的控制性能，但却在笛卡尔空间的控制效果并不理想，存在诸如相机回退、超出视域等问题。本文详细阐述了基于图像雅可比矩阵分解的分离式视觉伺服以及基于单应性矩阵分解的混合式视觉伺服控制方法的原理。前者通过对Z轴运动的分离避免了相机回退的现象，而后者在无需深度信息的情况下，实现旋转运动与平移运动的解耦。最后，通过搭建Simulink视觉伺服平台验证了两种算法

6、的有效性，进一步说明混合视觉相较于基于图像的视觉伺服方法的优势。最后，本文在基于C++语言的视觉伺服平台上，首先利用直接线性变换算法与随机抽样一致算法求解单应性矩阵。其次，实现了基于图像、基于混合视觉的机械臂视觉伺服仿真，为将无标定视觉伺服算法应用于实际机械臂控制系统做了铺垫。关键词：机械臂；视觉伺服；图像雅可比矩阵；无标定；混合式视觉伺服；I北京理工大学硕士学位论文AbstractTheIBVS(imagebasedvisualservoing)withoutuncalibratedcontrolm

7、ethodavoidtheproblemofpositionestimation,inversekinematicandcameraparametercalibration,andhasthepropertiesoflesscalculation,highaccuracy,designflexibilityandotheradvantages.Itcanrealizethearmcontrolwithanestimationvalueofcameraparameter.Firstly,thebasic

8、theoryofvisualservoisintroduced,andtheuncalibratedvisualservomethodanditslatestdevelopmentarediscussedindetail.Subsequently,themanipulatorforword-kinematicandinvese-kinematicarediscussed,andcameracalibrationmethodandtheproblemsex