[發明專利]動態場景中輪式移動機器人的視覺鎮定控制

在審

• 申請號: 201711171647.0
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN109816717A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 李寶全;尹成浩;師五喜;冀東
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G06T7/70
• 分類號: G06T7/70;G06T7/80;G06T7/246;B25J19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種動態場景中輪式移動機器人的視覺鎮定系統，其特征包括以下步驟：

第1，定義系統坐標系

第1.1，系統坐標系的描述

基于視覺目標定義了基準坐標系設置攝像機與移動機器人的坐標系相重合，定義在當前位姿處的機器人/攝像機坐標系為其中的原點在攝像機的光心位置處，即車輪軸線中心點的正上方；的z^c軸與攝像機光軸重合，同時也和機器人前進方向重合，x^c軸和機器人輪軸平行；y^c軸垂直于z^cx^c平面；是機器人的期望位姿，為固定攝像機的位置，固定攝像機的作用是監視特征點的移動，坐標系相對關系如附圖2、3所示；M_i定義為特征點移動之前的位置，為特征點移動之前的目標坐標系；M^*定義為特征點移動之后的位置，為特征點移動之后的目標坐標系；基于視覺目標定義基準坐標系，假設特征點M_i(i＝1，2……i)是非共面的，其3維坐標是已知的；

第1.2，控制方案

特征點運動時移動機器人可以有效地完成視覺鎮定任務；視覺伺服鎮定策略由三個階段組成：第一階段，監視攝像機采用POSIT方法計算出特征點移動前和移動后的關系；第二階段，可以獲得實時的機器人的當前姿態和期望姿勢旋轉矩陣和平移向量；最后在第三階段，結合李亞普諾夫理論和極坐標，設計運動控制器來驅動機器人到達想要的位姿；附圖1給出了所提供方案的框圖；經過嚴格的理論可以證明所提出的視覺伺服方案是有效的；

第2，系統設計

第2.1，監視攝像機控制策略

第2.1.1，特征點移動之前的坐標系與監視攝像機坐標系之間的關系

定義目標坐標系為{M₁，u，v，w}，目標坐標系以特征點中序號為1的點M₁為原點，M_i是第i個特征點的空間位置，經POSIT方法所求出的旋轉矩陣和平移向量^sT_o為：

特征點移動之前坐標系和監視攝像機坐標系之間的關系為：

第2.1.2，特征點移動之后坐標系與監視攝像機坐標系之間的關系

定義目標坐標系為{M*₁，u*，v*，w*}，其中目標坐標系以特征點中序號為1的點M*₁為原點，M*_i是第i個特征點的空間位置，所求出的旋轉矩陣和平移向量^sT_a為：

特征點移動之后坐標系和監視攝像機坐標系之間的關系為：

由此可知特征點在移動前和移動后相對于攝像機坐標系的空間位置；不過也需要知道特征點移動前與移動后坐標系之間的旋轉與平移關系；

第2.1.3，特征點移動前與移動后坐標系之間的關系

設移動后的特征點變換到移動前坐標系的旋轉矩陣為平移向量為^oT_a：

根據坐標系變換規則，由監視攝像機坐標系、特征點移動之前坐標系和移動之后坐標系的旋轉關系可得：

由此可得的值；

特征點移動后與移動前坐標系的關系為：

其中(A_i，B_i，C_i)表示的是特征點移動后在移動前所在坐標系的坐標值；

求出^oT_a，因此可得移動前與移動后兩個坐標系之間的關系；

第2.2，移動機器人控制策略

第2.2.1，特征點移動之前坐標系與機器人期望坐標系的關系

建立機器人坐標系，機器人前進的方向為z_c軸，左右方向為x_c軸，上下方向為y_c軸，g，e，f分別是其單位向量；

首先在移動機器人的期望位置進行取像，用POSIT算法可以算出，特征點移動前相對移動機器人期望坐標系的旋轉矩陣和平移向量^dT_o為：

(X_c1，Y_c1，Z_c1)是點M₁在移動機器人期望坐標系下坐標值，特征點移動之前坐標系與機器人期望坐標系的關系可以表示為：

第2.2.2，特征點移動后的坐標系與移動機器人初始位姿坐標系的關系

移動機器人放到初始位姿，然后特征點做相應的移動，移動機器人對其進行圖像采集；設現在移動機器人的坐標系：x′_c軸、y′_c軸、z′_c軸，分別對應著期望位姿處的x_c軸、y_c軸、z_c軸，單位向量分別為e′，f′，g′；用POSIT算法可以計算出特征點移動后的坐標系相對于移動機器人初始位姿坐標系的旋轉矩陣和平移向量^cT_a為：

(X′_c1，Y′_c1，Z′_c1)是點M′₁在移動機器人初始位姿坐標系下坐標值，特征點移動后與移動機器人初始位姿的關系如下所示：

第2.2.3，移動機器人期望位姿與初始位姿之間關系

最后要求出的是移動機器人期望位姿與初始位姿之間的旋轉矩陣和平移向量^dT_c，由上述計算可得：

由此可以求出旋轉矩陣

由此可得出^dT_c；

第3，機器人運動學方程的建立

本部分介紹了在極坐標下移動機器人的運動；如附圖3所示，移動機器人位姿由極坐標表示；令為移動機器人方向和距離e之間的角度，可以得到以下運動學方程為：

設計線速度控制器為：

v＝(γcosα)e (19)

角速度控制器為：