基于圖象雅可比矩陣的機器人無標(biāo)定動態(tài)手眼協(xié)調(diào)

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1、基于圖象雅可比矩陣的機器人無標(biāo)定動態(tài)手眼協(xié)調(diào)+摘要(機器人手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)起源于80年代初，隨著計算機技術(shù)、圖像、處理技術(shù)、控制理論的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步。近幾年來，‘為了克服機器人手朋艮關(guān)系和攝像機模型參數(shù)標(biāo)定的困難，提出了手眼關(guān)系無標(biāo)定協(xié)調(diào)控制的發(fā)展方向。但是這方面的研究尚處于探索階段，還未形成統(tǒng)一的理論體系。目前提出的無標(biāo)定控制方法大多限于視、覺定位問題或跟蹤低速運動目標(biāo)，控制效果不盡如人意。廠>，一一本文在總結(jié)現(xiàn)有無標(biāo)定機器人手眼協(xié)調(diào)研究的基礎(chǔ)上，著重探索了針對動態(tài)目標(biāo)任務(wù)的手眼反饋控制策略。根據(jù)動態(tài)無標(biāo)定手眼協(xié)調(diào)任務(wù)的要求和環(huán)境特點，設(shè)計了一種新的基

2、于Kalman濾波的圖象雅可比矩陣在線估計算法，并在此基礎(chǔ)上提出一套完整的無標(biāo)定手／眼協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)對未知二維和空間三維運動的動態(tài)跟蹤。俱I體工作包括以下幾個方面：1．從圖象雅可比矩陣的定義和解析表達(dá)式出發(fā)，討論了其性質(zhì)和變化規(guī)律，及其在構(gòu)建機器人圖象反饋控制器中的作用。由于圖象雅可比矩陣是一個時變模型，因此在應(yīng)用于無標(biāo)定的手眼協(xié)調(diào)任務(wù)中時，必須謀求一種有效的在線估計策略。本文根據(jù)系統(tǒng)辨識的原理，提出將雅可比矩陣的在線估計轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的狀態(tài)觀測問題，并設(shè)計了相應(yīng)的Kalman．Buoy濾波估計算法實現(xiàn)。2．研究無標(biāo)定視覺導(dǎo)引機械臂完成二維平面運動目標(biāo)精確

3、跟蹤的問題。系統(tǒng)的視覺部分采用固定全局視覺與手上局部視覺相結(jié)合的方式，拓展了系統(tǒng)的觀察能力。根據(jù)兩種視覺的特點，在全局視覺反饋中使用最優(yōu)反饋控制，而在手上視覺反饋中使用PI控制。圖象雅可比矩陣的在線辨識通過Kalman濾波估計實現(xiàn)，并使用機器人已完成的跟蹤運動在線估計每一位置的雅可比矩陣值，避免了傳統(tǒng)估計方法引入冗余試探運動對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。3．將上文所述的基于圖像雅可比矩陣在線估計的無標(biāo)定動態(tài)手眼協(xié)調(diào)控制策略應(yīng)用于雙目機器人手眼系統(tǒng)，實現(xiàn)對三維空間運動目標(biāo)的跟蹤。在控制過程中使用基于Kalman濾波的在線估計策略，利用機器人已完成的跟蹤運動進(jìn)行雅可比

4、矩陣的在線辨識。4．構(gòu)建了機器人視覺控制實驗平臺，并在此平臺上對本文所設(shè)計的無標(biāo)定機器人手眼協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了大量的仿真和實驗研究。結(jié)果顯示基于Kalman濾波的在線估計算法能有效的對無標(biāo)定手眼系統(tǒng)的圖象雅可比矩陣進(jìn)行動態(tài)辨識，在此基礎(chǔ)上建立的圖象、反饋控制器對未知運動目標(biāo)有良好的跟蹤性能。礦—、一～關(guān)鍵詞：計算機視覺，手眼協(xié)調(diào)，無標(biāo)定，圖象雅可比矩陣，Kalman濾波+國家自然科學(xué)基金資助項目(資助號：69875010)IMAGEJACOBIAN-BASEDDYNAMICCOORDINATIONFORUNCALIBRATEDROBOTICHAND，EYE

5、SYSTEM‘ABSTRACTSince1980，considerableefforthasbeendevotedtothehand／eyecoordinationcontrolofrobotmanipulatorsalongwiththedevelopmentofcomputertechnology,imageprocessingtechniqueandcontroltheory．Duetothedifficultyofprecisecalibrationonrobotichand／eyerelationship，researchershavemorei

6、nterestinvisualservoingtechniquesthatrequireslessornoapriorcalibrationknowledge．Andsomeuncalibmtedroboticvisioncontrollershavebeendesignedforstatictasks．Thispaperdiscussestheroboticvisualfeedbackcontrolsystemfordynamichand／eyecoordinationtasks．Anovelon-lineestimatiosalgorithmforIm

7、ageJacobianmatrixmodelwasdesignedbasedontheKalmanfiltertheory．WiththisImageJacobianon-lineestimator,auniversalvisionfeedbackcontrollerwasdesignedforthedynamictasksoftrackingunknown2Dand3Dmovingobjectsbyuncalibratedvisionsensors．Themainworkinthispaperissummarizedasfollows：1．Giveafu

8、lldiscussiononthefeaturesofImageJ