本文關(guān)鍵詞：機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：視覺(jué)傳感器使機(jī)器人具有視覺(jué)感知功能,是機(jī)器人系統(tǒng)組成的重要部分之一。機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取環(huán)境和目標(biāo)物體的二維圖像,然后利用圖像處理技術(shù)對(duì)二維圖像進(jìn)行分析和解釋,并將分析和解釋的結(jié)果轉(zhuǎn)換為可用信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別、測(cè)量和控制。由于線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、主動(dòng)受控等優(yōu)點(diǎn),特別適合于應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境里的機(jī)器人測(cè)量和控制任務(wù)中。機(jī)器人利用視覺(jué)信息進(jìn)行測(cè)量和控制時(shí),通常需要獲取視覺(jué)傳感器坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系間的關(guān)系及結(jié)構(gòu)光的空間位姿,這需要對(duì)機(jī)器人末端與視覺(jué)傳感器間的手眼關(guān)系及視覺(jué)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。本文針對(duì)機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)中的線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定、機(jī)器人手眼標(biāo)定和基于圖像控制的機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定問(wèn)題展開(kāi)了研究工作。第一,以具有一組正交直徑的同心圓為靶標(biāo),提出了一種基于兩消隱點(diǎn)正交幾何特性的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定方法。證明了正交直徑產(chǎn)生的兩消隱點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的正交性,利用畢達(dá)哥拉斯定理建立了攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的約束方程,通過(guò)對(duì)約束方程的線性化求解實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的線性標(biāo)定。將K-均值聚類算法與最小二乘法結(jié)合進(jìn)行消隱點(diǎn)求解,有效提高了消隱點(diǎn)提取的精度和魯棒性,從而保證了攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定的精度和魯棒性。標(biāo)定結(jié)果和誤差分析表明,標(biāo)定精度能夠滿足毫米級(jí)測(cè)量要求。第二,給出了線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器光平面方程系數(shù)與視覺(jué)傳感器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的測(cè)量范圍和測(cè)量精度進(jìn)行了理論分析,討論了圖像特征測(cè)量偏差和幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器測(cè)量范圍和測(cè)量精度的影響,為線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)配置和結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。提出了一種以已知距離共線三點(diǎn)為靶標(biāo)的線結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定方法,實(shí)現(xiàn)了兩步法中的線結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定。第三,以具有一組正交直徑的同心圓為靶標(biāo),提出了兩種機(jī)器人手眼標(biāo)定方法。一種是基于攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)量的方法,利用靶標(biāo)圖像產(chǎn)生的兩正交消隱點(diǎn)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)前后機(jī)器人末端攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)量;以單位四元數(shù)法表示手眼矩陣的旋轉(zhuǎn)部分,利用解耦求解策略分別對(duì)旋轉(zhuǎn)部分和平移部分進(jìn)行線性求解。另一種是基于攝像機(jī)外參數(shù)和靶標(biāo)位置參數(shù)的方法,利用兩正交消隱點(diǎn)和定點(diǎn)變位姿方法分別求出攝像機(jī)相對(duì)于靶標(biāo)的外參數(shù)和靶標(biāo)位置參數(shù),將它們代入手眼標(biāo)定模型實(shí)現(xiàn)手眼標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,標(biāo)定精度滿足毫米級(jí)測(cè)量要求,是可行和有效的標(biāo)定方法。第四,給出了面向光條紋與直線對(duì)齊任務(wù)的基于圖像的無(wú)標(biāo)定視覺(jué)控制方法,根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)的配置特點(diǎn)和直線極坐標(biāo)表示,推導(dǎo)了圖像空間中光條紋和目標(biāo)直線特征與三維空間中機(jī)器人位姿間的圖像雅可比矩陣,并利用Kalman濾波算法對(duì)它進(jìn)行在線估計(jì)。給出了攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定誤差的等效描述,基于這種描述分析了標(biāo)定誤差對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度的影響;根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,利用勞斯穩(wěn)定判據(jù)分析了連續(xù)視覺(jué)控制系統(tǒng)和離散視覺(jué)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提出基于圖像控制的線結(jié)構(gòu)光平面自動(dòng)標(biāo)定方法,在攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)已知的前提下,利用線對(duì)齊控制策略實(shí)現(xiàn)了線結(jié)構(gòu)光平面的自動(dòng)標(biāo)定,標(biāo)定精度優(yōu)于人工標(biāo)定方法。第五,給出了光條紋與機(jī)器人工作空間中特定點(diǎn)對(duì)齊的無(wú)標(biāo)定視覺(jué)控制方法,以圖像空間中直線斜截式參數(shù)為特征推導(dǎo)了圖像雅可比矩陣,并利用Kalman濾波算法對(duì)其進(jìn)行在線估計(jì),實(shí)現(xiàn)了線結(jié)構(gòu)光條紋與機(jī)器人操作空間中特定點(diǎn)的對(duì)齊控制。提出基于圖像控制的機(jī)器人手眼自動(dòng)標(biāo)定方法。在線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器已標(biāo)定的前提下,基于手眼關(guān)系坐標(biāo)變換模型,利用線點(diǎn)對(duì)齊控制策略實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手眼自動(dòng)標(biāo)定,標(biāo)定精度優(yōu)于人工標(biāo)定方法。
【關(guān)鍵詞】：消隱點(diǎn) 攝像機(jī)標(biāo)定 線結(jié)構(gòu)光 手眼標(biāo)定 機(jī)器人 視覺(jué)控制
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP391.41;TP242
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-38
• 1.1 本論文的研究目的和意義14-15
• 1.2 攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 基于靶標(biāo)的標(biāo)定方法16-17
• 1.2.2 基于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)定方法17-18
• 1.2.3 自標(biāo)定方法18-20
• 1.2.4 基于消隱點(diǎn)的標(biāo)定方法20-21
• 1.3 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定技術(shù)研究現(xiàn)狀21-25
• 1.3.1 基于靶標(biāo)的標(biāo)定方法22-23
• 1.3.2 基于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)定方法23
• 1.3.3 基于消隱點(diǎn)的標(biāo)定方法23
• 1.3.4 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定的關(guān)鍵技術(shù)23-25
• 1.4 手眼標(biāo)定技術(shù)研究現(xiàn)狀25-32
• 1.4.1 手眼標(biāo)定的模型27-28
• 1.4.2 手眼標(biāo)定的方法28-29
• 1.4.3 手眼標(biāo)定的關(guān)鍵技術(shù)29-32
• 1.5 視覺(jué)控制技術(shù)32-36
• 1.5.1 機(jī)器人視覺(jué)控制概述33
• 1.5.2 基于圖像的機(jī)器人視覺(jué)控制研究現(xiàn)狀33-34
• 1.5.3 基于圖像的視覺(jué)控制的關(guān)鍵問(wèn)題34-36
• 1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排36-38
• 第2章 基于兩消隱點(diǎn)正交幾何特性的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定38-60
• 2.1 概述38
• 2.2 攝像機(jī)模型38-41
• 2.2.1 攝像機(jī)透視成像模型38-39
• 2.2.2 攝像機(jī)焦距歸一化模型39-40
• 2.2.3 攝像機(jī)外參數(shù)模型40-41
• 2.3 消隱點(diǎn)基礎(chǔ)41-45
• 2.3.1 消隱點(diǎn)定義與性質(zhì)41-42
• 2.3.2 消隱點(diǎn)的產(chǎn)生與計(jì)算42-44
• 2.3.3 正交消隱點(diǎn)44-45
• 2.4 攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定原理45-51
• 2.4.1 兩消隱點(diǎn)正交幾何特性證明45-48
• 2.4.2 攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定原理48-51
• 2.5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析51-59
• 2.5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果51-55
• 2.5.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)55-57
• 2.5.3 精度比較實(shí)驗(yàn)57-59
• 2.6 小結(jié)59-60
• 第3章 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的性能分析和光平面標(biāo)定60-77
• 3.1 概述60
• 3.2 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器模型60-63
• 3.2.1 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器各組分模型60-62
• 3.2.2 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)模型62
• 3.2.3 平面參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系62-63
• 3.3 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器性能分析63-67
• 3.3.1 測(cè)量范圍63-65
• 3.3.2 測(cè)量精度65-67
• 3.4 基于已知共線三點(diǎn)的線結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定原理67-70
• 3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和精度分析70-76
• 3.5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果70-73
• 3.5.2 精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)73-76
• 3.6 小結(jié)76-77
• 第4章 機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)的手眼標(biāo)定77-97
• 4.1 機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)手眼標(biāo)定77-79
• 4.2 基于A_iX=XB_i模型的手眼標(biāo)定79-85
• 4.2.1 手眼標(biāo)定模型A_iX=XB_i79-80
• 4.2.2 基于兩消隱點(diǎn)正交特性的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)量計(jì)算80-83
• 4.2.3 手眼矩陣X的求解83-85
• 4.3 基于AX=Z(B~i)~(-1)模型的手眼標(biāo)定85-89
• 4.3.1 手眼標(biāo)定模型AX=Z(B~i)~(-1)85-86
• 4.3.2 變換矩陣Z的求解86-89
• 4.3.3 手眼關(guān)系的計(jì)算89
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果89-96
• 4.4.1 手眼標(biāo)定實(shí)驗(yàn)89-93
• 4.4.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)93-96
• 4.5 結(jié)論96-97
• 第5章 基于視覺(jué)控制的線結(jié)構(gòu)光平面自動(dòng)標(biāo)定97-115
• 5.1 概述97
• 5.2 基于圖像的視覺(jué)控制97-98
• 5.3 基于線結(jié)構(gòu)光圖像的直線對(duì)齊控制98-104
• 5.3.1 圖像雅可比矩陣99-101
• 5.3.2 基于kalman濾波的圖像雅可比矩陣估計(jì)101-103
• 5.3.3 基于線結(jié)構(gòu)光圖像的直線對(duì)齊控制103-104
• 5.4 穩(wěn)定性分析104-110
• 5.4.1 攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)誤差對(duì)成像的影響105-106
• 5.4.2 視覺(jué)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析106-110
• 5.5 線結(jié)構(gòu)光平面自動(dòng)標(biāo)定原理110
• 5.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析110-114
• 5.6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)110-111
• 5.6.2 控制的實(shí)現(xiàn)111-113
• 5.6.3 線結(jié)構(gòu)光平面的自動(dòng)標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)113-114
• 5.7 小結(jié)114-115
• 第6章 基于視覺(jué)控制機(jī)器人手眼自動(dòng)標(biāo)定115-127
• 6.1 概述115
• 6.2 基于線結(jié)構(gòu)光圖像的點(diǎn)線的對(duì)齊控制115-119
• 6.2.1 圖像雅可比矩陣115-117
• 6.2.2 基于線結(jié)構(gòu)光圖像的直線與點(diǎn)的對(duì)齊控制117-119
• 6.3 手眼自標(biāo)定原理119-120
• 6.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果120-126
• 6.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)120-121
• 6.4.2 控制的實(shí)現(xiàn)121-125
• 6.4.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)125-126
• 6.5 小結(jié)126-127
• 結(jié)論127-129
• 參考文獻(xiàn)129-144
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單144-145
• 攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目145-146
• 致謝146-147
• 作者簡(jiǎn)介147

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 楊長(zhǎng)江,汪威,胡占義;一種基于主動(dòng)視覺(jué)的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)自定標(biāo)方法[J];計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào);1998年05期

2 吳福朝,王光輝,胡占義;由矩形確定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)與位置的線性方法[J];軟件學(xué)報(bào);2003年03期

  本文關(guān)鍵詞：機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：373627