[發明專利]移動機器人無期望圖像視覺鎮定控制

在審

• 申請號: 201910154546.5
• 申請日: 2019-02-26
• 公開（公告）號: CN111612843A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 李寶全;宋志偉;高喜天;師五喜
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.移動機器人無期望圖像視覺鎮定控制系統，其特征包括以下步驟：

第1，問題描述

第1.1，系統描述

設置車載攝像機與移動機器人的坐標系相重合；攝像機在當前位姿處的坐標系定義為以攝像機的光心為的原點；的z^cx^c表示移動機器人的運動平面，其中z^c和攝像機的光軸在相同的方向上；y^c垂直于移動機器人的運動平面z^cx^c，并滿足右手定則；無期望圖像的視覺伺服坐標系如附圖1所示；隨機設置四個共面特征點，用于定義以序號為1的特征點作為的原點，序號1與序號2之間的向量作為的x^obj軸，特征點平面的法向量是z^obj軸；y^obj根據右手定則確定；下的特征點的3D坐標通過尺子量取獲得；此外，將坐標系的原點投影到機器人運動平面上，作為機器人參考位姿，即的原點；將z^obj坐標軸投影到運動平面上，再將其縮放為單位向量，作為的坐標軸z^p；y^p垂直機器人運動平面向下，x^p滿足右手定則；定義完之后，在參考坐標系下定義期望位姿將處對應于的旋轉角定義為θ^d；同理，將期望坐標系對應于參考坐標系的x坐標和z坐標分別設置為^pT_dx和^pT_dz；

第1.2，控制方案

移動機器人無期望圖像視覺鎮定控制系統由三個階段組成：第一階段，基于已知特征點的3D坐標，將特征點坐標系定義為然后估計出特征點坐標系和車載攝像機坐標系的變換關系；第二階段，基于特征點坐標系的投影來定義參考坐標系得到機器人參考坐標系和當前坐標系的關系，通過參考坐標系定義期望位姿最終得到當前位姿和期望位姿之間的相對姿勢關系；第三階段，利用極坐標控制律驅動機器人到期望位姿處；

第2，坐標系關系

第2.1，和的關系

特征圖像點坐標和坐標系下特征點坐標分別定義如下：

旋轉矩陣和平移向量分別定義為和^cT_obj；根據特征點成像模型可得到如下關系：

其中K為相機的內參數矩陣；

根據特征點坐標系的定義可知Z^obj＝0；因此，旋轉矩陣可以寫成表示如下：

到的單應性矩陣定義為H＝K[r₁，r₂，^cT_obj]，考慮到存在比例因子，利用h₉對H進行歸一化如下：

把(4)帶入(3)可得如下關系：

上式可寫為：

Ax＝b (6)

所以x的最小二乘解為：

x＝(A^TA)^-1A^Tb (7)

此外，根據K[r₁，r₂，^cT_obj]＝H可得如下關系：

則得到了和^cT_obj；因此可得相對于的變換矩陣如下：

第2.2，期望坐標的確定

對應于的旋轉角定義為θ^d；在下的z坐標設置為^pT_dz，在下的x坐標設置為^pT_dx；在下的旋轉矩陣和平移向量分別表示如下：

則在下的變換矩陣為：

第2.3，確定和之間的位姿關系

已知相對于的轉移矩陣為其中，相對于的旋轉矩陣和平移向量取：

根據投影原理，可以得到在下的旋轉矩陣和平移向量分別如下：

所以，在下的轉移矩陣表示如下：

因此，可通過下式計算出在下的轉移矩陣：

第2.4，機器人運動學

圖2顯示出了移動機器人的極坐標控制，通過使用極坐標來定義移動機器人在期望坐標系下的當前位姿；移動機器人的移動速度和線速度分別設為v和w，的原點和的原點之間的距離記為e，在下的旋轉角度表示為φ；并且，在下的方向角定義為θ，z^c和e之間的夾角定義為α，可知α＝θ-φ；可得機器人的極坐標運動學方程表示如下：

設計線速度控制率為：

v＝(γcosα)e (17)

采用的角速度控制器為：