一種基于迭代變時長視覺伺服控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及工業(yè)機械臂領域的視覺跟蹤方法，特別是設及一種基于迭代變時長策 略的視覺伺服控制方法。
【背景技術】
[0002] 機械臂視覺跟蹤是W視覺系統(tǒng)作為反饋信息控制機械臂運動的方法，是機械臂研 究的重要部分。視覺跟蹤是目前工業(yè)機器人研究中的熱點和難點，在工業(yè)機械臂執(zhí)行大環(huán) 境或復雜環(huán)境下任務時起到重要的作用。
[0003] 機械臂視覺跟蹤技術可W分為基于位置的方法和基于圖像的方法。其中，基于位 置的方法將視覺系統(tǒng)作為位置傳感器使用，根據(jù)位置誤差控制機械臂運動，運種方法控制 器設計簡單，適用于低精度跟蹤，具有誤差累積效應?；趫D像的方法使用視覺系統(tǒng)反饋的 圖像作為反饋信息，控制機械臂運動到拍攝到與目標圖像一致的場景處，運種方法精度高， 但是由于基于圖像的視覺控制只有一個相機，缺少深度信息，導致模型的不確定性，運樣會 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性，而且要求目標圖像在整個運動過程中都可見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于迭代變時長策略的機械臂視覺 伺服控制方法，該方法在保證視覺跟蹤穩(wěn)定性和收斂性的同時，不要求在運動過程中目標 持續(xù)可見，實現(xiàn)成本較低。 陽〇化]本發(fā)明的目的是通過W下技術方案來實現(xiàn)的：一種基于迭代變時長策略的機械臂 視覺伺服控制方法，用于機械臂目標圖像的跟蹤，所述的機械臂為六自由度無冗余工業(yè)機 械臂，自帶單目攝像頭可實時采集圖像信息。該方法將跟蹤任務轉化到基于圖像單應性定 義的圖像特征空間中，設計控制器在圖像特征空間中進行軌跡跟蹤控制，包括W下步驟：
[0006] (1)手持相機，沿跟蹤軌跡拍攝目標物體的一系列圖片作為參考圖片，所述目標物 體的一個平面上標注=個W上標記點，并且所有參考圖片中均包含該平面；
[0007] 似機械臂開始運動，由攝像頭獲取圖像信息，根據(jù)其與步驟（1)得到的參考圖片 的差異，通過利用單應性關系定義圖像特征，用六個和單應性矩陣相關的變量作為系統(tǒng)誤 差；
[000引做將步驟似得到的系統(tǒng)誤差作為控制器輸入，由控制器輸出信號控制機械臂 運動，從而跟蹤步驟1得到的一系列參考圖片；所述控制器包括兩部分：反饋控制器和迭代 控制器，所述反饋控制器為P反饋控制器，所述迭代控制器為PID學習率迭代控制器；
[0009] (4)在機械臂運動過程中出現(xiàn)目標物體超出視野范圍時，此次迭代結束，記迭代時 間為Tk,Tk時間后，控制器的輸入值、系統(tǒng)的誤差和誤差變化率均為零；
[0010] (5)迭代多次控制機械臂運動，直到拍攝圖片和參考圖片誤差滿足終止條件或者 達到迭代次數(shù)，實現(xiàn)按照參考軌跡的機械臂視覺伺服跟蹤控制。 W11] 步驟似中所述的單應性圖像特征由公式（4)定義，公式（4)為：
[0013] 其中，H為單應性矩陣，（R，t)表示了機械臂的運動狀態(tài)，n為相機坐標系下地面的 法向量，d為相機坐標系原點與地面之間的距離，K為相機內(nèi)部參數(shù)矩陣。
[0014] 步驟（2)中所述利用單應性關系定義圖像特征具體為：依次求得廣義單應性矩陣 和狹義單應性矩陣；
[0015] 所述廣義單應性矩陣G如公式（1)所示：
[0017] 其中，m和Hif分別表示同一特征在當前圖片和參考圖片的像素點位置坐標，Z和Zf分別表示同一特征點在當前圖像坐標系和參考圖像坐標系下的深度；
[001引所述狹義單應性矩陣H如公式似所示：
[0019]H=RiGK似
[0021] K為相機內(nèi)部參數(shù)矩陣，f。、f；分別表示焦距在像素坐標軸上對應的像素點數(shù)目。 陽0巧步驟似中所述系統(tǒng)誤差e如公式（5) (6) (7)所示，如下：
[002引e= [e*ejT妨
陽0 巧]Gf=Vex(H-HT) (7)
[0026] 步驟（3)中，所述P反饋控制器具體為：控制器輸出皆貨和本次迭代上個時刻的 系統(tǒng)誤差e(t)成正比例關系，如公式（8)所示： 陽0八]= (8)
[00測其中，Kfd為反饋控制器的比例系數(shù)；
[0029] 所述PID學習率迭代控制器具體為：控制器輸出獄與上次迭代的輸出Uk1 (t)、 系統(tǒng)誤差6ki(t)和系統(tǒng)誤差變化率關系如公式（9)所示：
[0030] （n= ",_,(?) +KpA-,…+Kd為-1W(9)
[0031] 其中，Kp為迭代控制器的P控制系數(shù)，Kd為迭代控制器的D控制系數(shù)；
[0032] 所述控制器輸出Uk(t)如公式（10)所示：
[0033] 。'任(/) +H'e(。（ 10 )
[0034] 步驟（4)迭代變時長策略如公式（11)所示，如下： <11)
[0036] 其中，Tk為第k次的迭代時間，Td為跟蹤軌跡的期望時間。
[0037] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明基于迭代變時長策略的改進圖像跟蹤視覺方法，在 傳統(tǒng)的基于圖像視覺伺服控制方式的基礎上予W改進，采用迭代的方式，克服由于深度不 確定導致的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，而且又針對基于圖像要求的目標持續(xù)可見性提出新的方法，通 過變時長的方式在一定程度上克服了運樣的視野約束。
【附圖說明】 陽03引圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0039] 圖2是機械臂物理裝置圖；
[0040] 圖3是控制過程中物體在圖像中的位姿圖；
[0041] 圖4是某次迭代終止圖；
[0042] 圖5單應性矩陣圖。
【具體實施方式】
[0043] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0044] 所謂迭代變時長控制策略，即機械臂多次跟蹤在圖像空間中的軌跡，每次跟蹤受 到兩方面的影響，一為本次迭代的反饋誤差，二為上次迭代的輸入和誤差，如果目標物體跑 出視野外，則此次迭代結束。
[0045] 本發(fā)明方法用于工業(yè)機械臂跟蹤一系列目標圖像的場景，首先手持相機，得到一 系列的參考圖片集合a'}，I'表示第j幅圖片。提取參考圖片的特征點，根據(jù)特征點像素位 置得到與參考圖片的單應性矩陣，如圖5所示，從而得到系統(tǒng)誤差。采用迭代和反饋結合的 控制方案，即控制器輸出和本次迭代上個時刻誤差有關，同時也和之前的迭代信息相關，整 個控制框圖如圖1所示。如果某次迭代過程中目標物體跑出視野外，如圖4所示，則此次迭 代終止，下次迭代可W利用上次迭代終止前的信息，運樣可W有效利用每次迭代的信息。具 體包括W下步驟：
[0046] 步驟1:手持相機，沿跟蹤軌跡拍攝目標物體的一系列圖片，得到參考圖片集合 忙'}，每表示第j幅圖片，最后一張圖片為目標位姿，女曰圖3所示；所述目標物體的一個平 面上標注9個標記點，并且所有參考圖片中均包含該平面，如圖1所示；
[0047] 步驟2 :機械臂運行過程中，實時拍攝圖片（I'}，利用Sift算法提取特征點，根據(jù) 兩個圖片I'和據(jù)特征點像素點位置，求得單應性矩陣，如公式（1)所示