基于无标定视觉伺服机器人的运动物体跟踪

介绍机器人视觉伺服的一般原理,然后选取图像的全局特征描述子-图像矩来描述图像的特征信息,推导出基于图像矩特征的图像雅可比矩阵,并按李雅普诺夫稳定性方法推导出模型无关的无定标视觉伺服控制律。最后通过运动物体轨迹跟踪的仿真试验,验证了摄像机固定和eye—in—hand两种结构下算法的正确性和有效性。

维普资讯 doc.guandang.net

Vo O No 1 l2 2o 2 0 7-

机械研究与应用 ME HA CA ES AR C NI L R E CH& AP L C T O P IA IN

第2卷 0

第1期

20 0 7年 2月

基于无标定视觉伺服机器人的运动物体跟踪’ 李国栋周友行王延伟邓胜达唐稳庄，,,, (. 1湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭 4 10; . 1 15 2山东大学工程训练中心，山东济南 2 06 ) 5 0 1

摘

要：介绍机器人视觉伺服的一般原理，选取图像的全局特征描述子一然后图像矩来描述图像的特征信息，推导出基于图像矩特征 的图像雅可比矩阵，并按李雅普诺夫稳定性方法推导出模型无关的无定标视觉伺服控制律。最后通过运动物体轨迹跟踪的 仿真试验，验证了摄像机固定和 ee n—hn y—i ad两种结构下算法的正确性和有效性。

关键词：像矩；标定视觉伺服；雅普诺夫方法；图无李图像雅可比矩阵

中图分类号：P 4 . 2 T226

文献标识码： A

文章编号：0 7— 44(07)1—05 0 10 4 1 20 O 0 0— 3

obic t 1 ta k n fu c l r td vs a e'Or b t e tmoi 1 r c ig o n ai a e i lSl o o 0 b u Y LiGu o—d n, h u Yo o g Z o u—h n I a g Ya—we, n h n a g W n n i De g S e g—d, n e—z u n a Ta g W n hag

( .colfm cata egnen, intnui rt, i ga ua 4 10, h a 1Sho o ah r l n i r g Xa g n e i Xa t H n n 115 C i; i c ei a v sy n n n

2 E gne ann 2 t h nogu ir t,ia h nog 20 6 - h a . n ierrii e e o ad n nv sy jnnS ad n 5 0 1 C i ) t g￣n tfS ei n Ab ta t h s p p rp e e t t e g n rlp i cp e o o o i vs a e v rt a d t e h l b li g e ci t r ma e sr c:T i a e r s ns h e e a rn il f b t i u l r o f s, n h n te go a ma e d s r o—i g r c s i

p

mo r sfo w ih te i g a o i n marxi e ie r d pe Od s r e t e i g e tr s as h d lid p n— me t r m h c h ma e jc b a t sd r d a e a o td t e ci ma ef au e, lot e mo a n e e d i i v b h e t n ai r tc vs a e v to d i r p s d i s fla u o tb ly me h r . ial, i lt n r s l ft c i g 8 n c l ael iu ls r o meh r sp o o e n H eo p n v sa i t to d F n l smu ai e u t o a kn 1 u b y i y o s r 1

o ie n stain o ohc meaf e n y—n—h n aiaetev l i fteag rh . be ti i t f t a r xd a de e—i . a dv l t h ai t o lo tms u o b i d dy h i

Ke r s i g o et:ucl rt i a 81O lauo ehr; m g cba a i ywod:maem m ns na ba dv ul e;yp nvm to i ae aoi m tx i e s W d j n r

1引言 视觉伺服是利用视觉传感器得到的图像作为反馈信息， 对机器人进行位置闭环控制…。其准确定义由 Hl和 P r i l ak 于 17 99年提出。从误差控制信号类型的角度，器人视觉伺机服系统分为基于位置 ( oio P sin—bsd的视觉伺服系统和 t ae )基于图像 (mae— ae )视觉伺服系统。后者相较于前 I g bsd的

特征集，征误差向量 e 0 t ):特 ( ()为

e0t)= (( ()。 s ) (() C S 0t)一：。 定视觉特征后为一常系数矩阵。

() 1

其中： n为机器人的自由度； m为视觉特征的个数； 在选 C图像雅可比矩阵描述图像特征变化速度和笛卡儿空间机 械手末端变化速度的关系为： _,: d A

者，不需要精确的机器人系统模型和视觉系统模型，对标定参 数误差不敏感，而得到广泛研究和应用 j从。

ER …

() 2

无标定的视觉伺服是当前研究中的热门方向E,。无标 5] 6

定的视觉伺服无需事先对摄像机进行标定，是对图像雅可而

图像特征的变化率为： = =

J eR x J _‘

() 3

比矩阵进行在线调整。因而不受系统模型及摄像机标定误差 的影响。笔者选取一种图像的全局特征描述子一图像矩来描

其中： X=[

Z]为摄像机坐标空间中点的位置，a .T,

述物体的运动位置等特征信息，而避免运动物体繁琐的检从 测和匹配算法，并提出一种基于李雅普诺夫稳定性方法的无 标定视觉伺服控制方法，控制 P MA 6器人对运动物体 来 U 5 0机

为机器人雅可比矩阵。很多文献将=,直接称为图像雅 . L 可比矩阵，文后亦采用此定义。

3基于图像矩特征的图像雅可比矩阵 一

进行轨线跟踪。最后对所提出的算法进行仿真验证。

幅图像的 P q阶图像矩定义为：,

2视觉伺服系统原理 基于图像的视觉伺服系统结构如图 1所示。

m q 王， p=, (,)

() 4

式中： Y为图像中象素点的坐标，,) ( Y点处象素 , g( Y为，)的灰度值。m。。为运动物体在图像上的投影面积，表征运动物

体的深度信息； m。 m。表征运动物体的质心位置。取视觉特

征集 S m。 m。,=[。。, r,则运动物体位置信息可由 S的线 性变换得到： X= S 0 f ) B‘( () () 5

图 1基于图像的视觉伺报系统结构 S为期望的视觉特征集， ( ( ) )为实际的视觉‘ S 0t

其中，[。 b br为常数列向量。 B= b:, 当机械臂跟踪并抓取运动物体时，根据摄像机相对于机 器人的位置可分两种情况分析：

项

目：湘潭大学跨学科交叉研究项目(编号：5N 0 ) 0 1 D 4

收稿日期：0 6—1—1 20 1 3

作者简介：国栋 (9 1,,东济南人，士，究方向：器人视觉伺服控制。李 18一)男山硕研机

5 O