基于視覺伺服的非完整輪式移動機(jī)器人控制研究

基于視覺伺服的非完整輪式移動機(jī)器人控制研究視覺傳感器通過模擬人類視覺感知的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境的非接觸式測量。視覺相機(jī)具有成本低、所含信息量豐富、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因此常用作移動機(jī)器人的傳感器,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精確定位與檢測目標(biāo)的功能,其應(yīng)用涉及家庭服務(wù)、智能交通、航空航天等多個領(lǐng)域?；谝曈X傳感器的移動機(jī)器人視覺伺服問題也成為了一個研究熱點(diǎn)。所謂視覺伺服,就是利用視覺傳感器獲取反饋信息從而控制機(jī)器人達(dá)到期望位姿(點(diǎn)鎮(zhèn)定)或?qū)崿F(xiàn)對期望軌跡的跟蹤(軌跡跟蹤)。移動機(jī)器人系統(tǒng)是一種典型的嚴(yán)格非線性、欠驅(qū)動的非完整系統(tǒng),而視覺傳感器會帶來諸多不確定性的因素使其成為一種不確定的非完整系統(tǒng),其視覺伺服控制器的設(shè)計極具挑戰(zhàn)性。此外,受機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的限制,相機(jī)坐標(biāo)系可能與機(jī)器人坐標(biāo)系不重合,需要對相機(jī)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,這也給視覺伺服的具體應(yīng)用帶來不便。盡管移動機(jī)器人的視覺伺服問題研究已經(jīng)取得不少進(jìn)展,但仍存在一些不足。首先,現(xiàn)有的大多數(shù)視覺伺服方法都屬于自適應(yīng)控制,它們雖能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)誤差的漸近收斂,但其控制器增益易受系統(tǒng)初始狀態(tài)的影響,不易調(diào)節(jié)。其次,這些方法主要采用的是時變控制律,具有較慢的收斂速度。另外,移動機(jī)器人的視覺鎮(zhèn)定任務(wù)與軌跡跟蹤任務(wù)有時不能嚴(yán)格地被區(qū)分,若設(shè)計非統(tǒng)一的控制律會給實(shí)際應(yīng)用帶來不便。最后,目前已有的視覺伺服鎮(zhèn)定控制器大多是在運(yùn)動學(xué)層面設(shè)計的,這要求所設(shè)計的速度信號能夠快速地被跟蹤上,但受機(jī)器人質(zhì)量與慣性的限制,這些在運(yùn)動學(xué)層面設(shè)計的控制律可能無法達(dá)到預(yù)期的效果。針對上述這些問題,本文對非完整約束的輪式移動機(jī)器人視覺伺服問題進(jìn)行了深入研究,主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.基于不變流形的移動機(jī)器人視覺伺服鎮(zhèn)定控制。針對相機(jī)外參數(shù)未知下的移動機(jī)器人視覺鎮(zhèn)定問題,提出了一種基于自適應(yīng)不變流形的二步控制方法,能夠保證系統(tǒng)誤差指數(shù)有界收斂,且控制器增益不受系統(tǒng)初始狀態(tài)和圖像深度信息的影響。借助二步切換的思想,視覺伺服過程中將不會出現(xiàn)不變流形所具有的數(shù)值奇異性問題。2.基于非自適應(yīng)切換方法的移動機(jī)器人視覺伺服鎮(zhèn)定控制。針對與1相同的控制問題,提出了一種基于不變流形的非自適應(yīng)三步控制方法,能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)誤差的指數(shù)有界收斂。在保持1中控制方法優(yōu)點(diǎn)的前提下,它無需對外參和深度信息進(jìn)行在線估計,其軟件實(shí)現(xiàn)更為簡單。此外,利用該控制方法,系統(tǒng)的超調(diào)量也將盡可能地減小。3.同時鎮(zhèn)定與跟蹤的移動機(jī)器人視覺伺服。提出了一種基于視覺的移動機(jī)器人同時鎮(zhèn)定與跟蹤控制方法,可避免移動機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)在鎮(zhèn)定與跟蹤任務(wù)間頻繁切換。與已有的方法相比,其關(guān)于參考速度的假設(shè)更為直觀和合理。4.力矩層的移動機(jī)器人視覺伺服鎮(zhèn)定控制。利用反演法和自適應(yīng)控制技術(shù),設(shè)計了一種基于力矩層的全局時變控制律,實(shí)現(xiàn)了相機(jī)外參數(shù)未知情況下的移動機(jī)器人視覺鎮(zhèn)定。5.加速度層的移動機(jī)器人視覺伺服鎮(zhèn)定控制?；诩铀俣?偽動力學(xué)的伺服框架,設(shè)計了基于擴(kuò)展的I&I控制律,可實(shí)現(xiàn)力矩層不開源情形下的移動機(jī)器人視覺鎮(zhèn)定。為了驗(yàn)證上述控制律的性能,對其進(jìn)行了大量的仿真與實(shí)驗(yàn)測試。這些結(jié)果表明,論文中所設(shè)