基于视觉伺服的无约束运动体的轨迹控制研究
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摘要
机器视觉是随着60年代末计算机与电子技术的迅速发展而出现的。把视觉信息用于机械手定位的研究可以追溯到70年代，当时出现了一些实用性的视觉系统，如：应用于集成电路生产、精密电子产品装配等。80年代后期，出现了专门的图像处理硬件，使得视觉信息可用于连续的反馈，于是提出了基于视觉伺服的控制形式，即视觉伺服。这种方式可以克服模型中存在的不确定性，提高视觉定位或跟踪的精度。到了90年代，随着计算机能力的增强和价格下降，以及图像处理硬件和CCD摄像机的迅速发展，视觉伺服系统吸引了许多研究人员的注意。在过去的几年里，视觉伺服控制无论在理论还是在应用方面都有很大的进步。
无约束运动体的轨迹控制问题正是以视觉伺服控制理论为基础而展开研究的，在实际应用中都具有极其重要的意义。本系统又称为板球系统。目前，在国外的一些大学中已经作为实验装置，用来学习和研究各种控制方法。搭建这个系统的目的主要是研究该系统的动力学问题，并将多种模糊控制等先进的控制理论运用到系统中，可以作为控制理论研究与开发的综合实验平台。
本文首先针对基于位置的视觉伺服系统的控制原理，设计出了实验平台的基本结构，并根据本系统具体的平台使用情况，从控制精度、性能以及价格等几个方面因素出发，适当的选择了平台各个部分所使用的元器件，并着重介绍了伺服控制器的工作原理及其应用。
系统首先要对物体进行定位，在这里使用CCD摄像机作为视觉传
感器，这就涉及到摄像机的标定问题。本系统由于采用的CCD摄像机不存在径向畸变，因此在线性摄像机模型的基础上，完成了摄像机的标定。然后将图像采集卡采集来的图像进行点运算，数学形态学处理，图像边缘检测和图像特征提取，将被控的小球从图像信息中提取出来，再与空间运动学及摄像机标定结果相结合，设计出摄像机固定在底座上，不随平台一起旋转情况下的小球的定位算法，并通过实验证明了定位算法的正确性。但是，系统定位算法的精度完全依赖于摄像机的标定精度，因此，不利于系统定位精度的提高。
视觉控制器的设计从无约束运动物体的运动学、动力学分析入手，分析得出平台沿x,y两个方向能够完全解耦的结论。因此，进行模糊控制器的设计时x方向和y方向的设计是相同的。基本模糊控制器具有响应时间短，超调量小，鲁捧性好等优点。但是存在着稳态误差，并且对于具有复杂被控对象并且在不同的工作环境和控制要求下，却不能保证在系统的全部运行过程中都具有优良的控制性能，因此提出了进一步改善系统的性能的两个方法，即：位置预测控制和参数在线自整定模糊控制，并且对系统线后使用两种方法改善其控制性能。对于改善系统性能各种方法的有效性也通过仿真实验给与验证。
本系统的任务给定部分，属于轨迹规划问题。轨迹规划属于机器人低层规划问题。轨迹规划是在物体运动学和动力学的基础上，研究运动体的轨迹生成方法的。本文从直角坐标空间中基本的点到点的规划方法人手，逐步深入到曲线的规划问题和过任意路径点的轨迹规划问题。设计了轨迹规划的插值方法，并通过实验及其仿真结果证实了轨迹规划的实时生成方法能够大幅度的减少系统的运行时间，并且能够使运动体在运行的过程中保持其运行速度平滑改变，达到运行平稳的目的。
由于板球系统实验平台所具有的广泛实际意义，我们相信，本文所做的实验和理论、仿真的结果对以后的工作是有所贡献的。
At the end of the 60s, machine vision appeared with the develop of the computer and electronic technique. Vision information has been used to orientate manipulator from 70s.At that time, there were some practical vision system, such as production of integrate circuit, assemblage of rigid electronic product. In the evening of the 80s, that there had appeared special hardware for image manipulation made visual information use to consecutive feedback. So, the control form based on visual servoing ,that is, visual servoing. This mode can conquer the uncertainty in the mode and improve the precision of the visual orientation or scout. At the 90s, with the improving of computer ability and the drop of price and the rapidly develop of hardware for image manipulation and CCD vidicon, visual servoing system attracted the attention of many people. In the last years, visual seroing control had many progress in the aspect both of theory and of applying.
The issue of tracking control of unrestricted mobile is studied based on the theory of visual servoing. It has important meaning in the actual applying. This system can be also named as cricket system. Now, it has been used to study various control method as experimental device in some overseas university. The aim of building this system is to study the
dynamical problems of it. Using the method of fuzzy control to cricket system can be used as a demo device for control lab of university and also exploiting flat for control theod.
At first, this paper designed the basic framework of experimental flat based on the control theory of visual servoing system and properly chosen the organ used in the flat based on material use of flat from some aspects of control precision and capability and price and introduced the work theory of servo controller and its application.
The system orientates the objects at first and uses the CCD vidicon as vision sensor so that it deals with the demarcating problem of the vidicon. This system has no radial aberrance because it adopts CCD vidicon. So, it can complete demarcation of the vidicon based the linear mode of the vidicon. Then it does point to point operation and morphological operations and edge detection and features extraction for the image from the image grabbing card so that it can distill the controlled globule from the image information, then combine it with the result of space kinematics and vidicon. The designed vidicon fixed on the bottom and we prove the correctness of the orientation algorithm. But, the accuracy of the orientation algorithm completely depends on the orientation accuracy. So, it is not propitious to improve orientation accuracy of the system.
The design of the vision controller starts with the kinetics and dynamics analysis of unrestricted mobile which we can conclude that the flat can decouple along the x,y directions. So, the design in x direction is similar to the design in y direction. The basic fuzzy controller has the advantage of short responding time and small super adjust and good robust. But, there is stabilizing error and it can not have fine controlling capability in the entire run process of the system. Therefore, we advanced two means to improve the capability of the system which are position estimating control and parameter on-line self-settle fuzzy control and use orderly to the system to improve its control capability. We also validate the method improving the
capability of the system.
The task-given section belongs to path planning problem. Path planning belongs to the bottom planning problem. It studies the path building of the mobile based on kinematics and dynamics. This paper start with the basic point to point planning in the right angle space and gradually go deep into the path planning problem of curve planning and arbitrary path point. We design interpolation method of path planning and approve that the real time building method can reduce the run time of the system through the experiment and can make the mobile keep stable speed in the running process to realize the a
无约束运动体的轨迹控制问题正是以视觉伺服控制理论为基础而展开研究的，在实际应用中都具有极其重要的意义。本系统又称为板球系统。目前，在国外的一些大学中已经作为实验装置，用来学习和研究各种控制方法。搭建这个系统的目的主要是研究该系统的动力学问题，并将多种模糊控制等先进的控制理论运用到系统中，可以作为控制理论研究与开发的综合实验平台。
本文首先针对基于位置的视觉伺服系统的控制原理，设计出了实验平台的基本结构，并根据本系统具体的平台使用情况，从控制精度、性能以及价格等几个方面因素出发，适当的选择了平台各个部分所使用的元器件，并着重介绍了伺服控制器的工作原理及其应用。
系统首先要对物体进行定位，在这里使用CCD摄像机作为视觉传
感器，这就涉及到摄像机的标定问题。本系统由于采用的CCD摄像机不存在径向畸变，因此在线性摄像机模型的基础上，完成了摄像机的标定。然后将图像采集卡采集来的图像进行点运算，数学形态学处理，图像边缘检测和图像特征提取，将被控的小球从图像信息中提取出来，再与空间运动学及摄像机标定结果相结合，设计出摄像机固定在底座上，不随平台一起旋转情况下的小球的定位算法，并通过实验证明了定位算法的正确性。但是，系统定位算法的精度完全依赖于摄像机的标定精度，因此，不利于系统定位精度的提高。
视觉控制器的设计从无约束运动物体的运动学、动力学分析入手，分析得出平台沿x,y两个方向能够完全解耦的结论。因此，进行模糊控制器的设计时x方向和y方向的设计是相同的。基本模糊控制器具有响应时间短，超调量小，鲁捧性好等优点。但是存在着稳态误差，并且对于具有复杂被控对象并且在不同的工作环境和控制要求下，却不能保证在系统的全部运行过程中都具有优良的控制性能，因此提出了进一步改善系统的性能的两个方法，即：位置预测控制和参数在线自整定模糊控制，并且对系统线后使用两种方法改善其控制性能。对于改善系统性能各种方法的有效性也通过仿真实验给与验证。
本系统的任务给定部分，属于轨迹规划问题。轨迹规划属于机器人低层规划问题。轨迹规划是在物体运动学和动力学的基础上，研究运动体的轨迹生成方法的。本文从直角坐标空间中基本的点到点的规划方法人手，逐步深入到曲线的规划问题和过任意路径点的轨迹规划问题。设计了轨迹规划的插值方法，并通过实验及其仿真结果证实了轨迹规划的实时生成方法能够大幅度的减少系统的运行时间，并且能够使运动体在运行的过程中保持其运行速度平滑改变，达到运行平稳的目的。
由于板球系统实验平台所具有的广泛实际意义，我们相信，本文所做的实验和理论、仿真的结果对以后的工作是有所贡献的。
At the end of the 60s, machine vision appeared with the develop of the computer and electronic technique. Vision information has been used to orientate manipulator from 70s.At that time, there were some practical vision system, such as production of integrate circuit, assemblage of rigid electronic product. In the evening of the 80s, that there had appeared special hardware for image manipulation made visual information use to consecutive feedback. So, the control form based on visual servoing ,that is, visual servoing. This mode can conquer the uncertainty in the mode and improve the precision of the visual orientation or scout. At the 90s, with the improving of computer ability and the drop of price and the rapidly develop of hardware for image manipulation and CCD vidicon, visual servoing system attracted the attention of many people. In the last years, visual seroing control had many progress in the aspect both of theory and of applying.
The issue of tracking control of unrestricted mobile is studied based on the theory of visual servoing. It has important meaning in the actual applying. This system can be also named as cricket system. Now, it has been used to study various control method as experimental device in some overseas university. The aim of building this system is to study the
dynamical problems of it. Using the method of fuzzy control to cricket system can be used as a demo device for control lab of university and also exploiting flat for control theod.
At first, this paper designed the basic framework of experimental flat based on the control theory of visual servoing system and properly chosen the organ used in the flat based on material use of flat from some aspects of control precision and capability and price and introduced the work theory of servo controller and its application.
The system orientates the objects at first and uses the CCD vidicon as vision sensor so that it deals with the demarcating problem of the vidicon. This system has no radial aberrance because it adopts CCD vidicon. So, it can complete demarcation of the vidicon based the linear mode of the vidicon. Then it does point to point operation and morphological operations and edge detection and features extraction for the image from the image grabbing card so that it can distill the controlled globule from the image information, then combine it with the result of space kinematics and vidicon. The designed vidicon fixed on the bottom and we prove the correctness of the orientation algorithm. But, the accuracy of the orientation algorithm completely depends on the orientation accuracy. So, it is not propitious to improve orientation accuracy of the system.
The design of the vision controller starts with the kinetics and dynamics analysis of unrestricted mobile which we can conclude that the flat can decouple along the x,y directions. So, the design in x direction is similar to the design in y direction. The basic fuzzy controller has the advantage of short responding time and small super adjust and good robust. But, there is stabilizing error and it can not have fine controlling capability in the entire run process of the system. Therefore, we advanced two means to improve the capability of the system which are position estimating control and parameter on-line self-settle fuzzy control and use orderly to the system to improve its control capability. We also validate the method improving the
capability of the system.
The task-given section belongs to path planning problem. Path planning belongs to the bottom planning problem. It studies the path building of the mobile based on kinematics and dynamics. This paper start with the basic point to point planning in the right angle space and gradually go deep into the path planning problem of curve planning and arbitrary path point. We design interpolation method of path planning and approve that the real time building method can reduce the run time of the system through the experiment and can make the mobile keep stable speed in the running process to realize the a
引文
1． Minneapolis,Minnesota,U.S.A.April1996,HUMUSOFTLtd,
Use’s manual for CE151-Ball&PlateAppa-ratus[Z]1993.
2． 林靖 陈辉堂，机器人视觉伺服系统的研究，控制理论与应用,
2000年8月，第17卷4期，476-480。
赵清杰 连广宇 孙增圻，机器人视觉伺服综述，控制与决策，
2001年11月，第16卷6期，849-853。
4． Hill Jand Park WT，Real time control of a robot with a mobile camera[A].Proc.9 Int.Sympo.on Industrial Robots[C],Washington,USA, 1979,233-246.
5． HauserJ,SastryS,KokotovicP，Nonlinear control via approximate input-output linearization:the ball and beam example[J]，IEEE Transactions on Automatic Control，1992，37(3):392—3982.
6． NgKCTrivediMM. Neural integrated fuzzy controller and real-time implementation of a ball balancing beam
[A].Proceedings of the 1996IEEE International Conference on Robotics and Automation[C],1590～1595.
7． 易建强，不受约束物体的轨道跟踪控制，机器人，2002年8月，24卷7期，629-633。
8． 李军 孙政顺，模糊控制在板球系统中的仿真研究，电机与控制学报，2001年12月，第5卷第4期,270-273。
9． 滕树杰 张乃尧 范醒哲，板球系统的T-S模糊多变量控制方案，信息与控制，2002年6月，第31卷第3期，268-271。
10．郑南宁，计算机视觉与模式识别，国防工业出版社，1998年3月,第一版。
11．张竹恒 周尊源 孙淑琴，步进电机步距角的正余弦细分原理，陕西天文台台刊，1997年6月，第20卷，71-75。
12．曲家骐 王季秩，伺服控制系统中的传感器，机械工业出版社，
1998年5月,第1版。
13．孙传铮，智能PLC-839卡实现步进电机高精度定位控制，电子计算机外部设备，1996年，第20卷第6期，6-8。
14．孙迪生 楼喜中，位置伺服控制板的设计与应用，制造业自动化，2001年4月，第23卷第4期，34-37。
15．闫如忠 陈云 方明伦 韩丰田，智能化位置伺服控制系统的研究与开发，组合机床与自动化加工技术，2001年，第11期，27-30。
16．张越，采用LM628芯片构成的位置伺服控制器，唐山工程技术学院学报，1994年，第2期，36-39。
17．张健新，简便的高精度摄像机标定技术， 仪器仪表学报，1999年4月，第22卷第2期，192-196。
18．罗飞路 傅恩锡，CCD摄像机内外部参数快速准确的标定方法，湖南大学学报，1997年4月，第24卷第2期， 71-74。
19．张艳珍 欧宗瑛，一种新的摄像机线性标定方法，中国图像图形学报，第6卷(A版)第8期，2001年8月，727-731。
20．马颂德，张正友，计算机视觉—计算理论与算法基础，科学出版社，1998年1月，第一版。
21．阮秋琦，数字图像处理学，电子工业出版社，2001年1月，第一版。
22．蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2000年9月，第一版。
23．刘思汉，理论力学—运动学和动力学，高等教育出版社，1987年7月，第一版。
24．张成新 余跃庆，基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学建模和轨迹跟踪，机械科学与技术，2002年1月，第21卷第1期，10-15。
25．M.武科布拉托维奇 V.波特柯涅克[南]，周起钊 殷金生译，操作机器人动力学理论与应用，科学出版社，1990年9月，第1版。
26．冯国良，模糊控制技术的发展及应用，重庆工业高等专科学校学报，2001年5月，第16卷第2期，50-53。
27．周建锁 刘志远 叶青 裴润，机器人轨迹跟踪连续预测控制，系统工程与电子技术, 2000年11月，第22卷第11期，39-42。
1999年10月，第一版。
28．何平 王鸿绪，模糊控制器的设计及应用，北京科学出版社，1997年1月，第一版。
29．杨辉，模糊控制技术及其应用，江西科学技术出版社，1997年
9月，第一版。
30．章卫国 杨向忠，模糊控制理论与应用，西北工业大学出版社，
31．鲁守荣，参数在线自调整模糊控制器，湖北汽车工业学院学报，1998年2月，40-44。
32．黄燕 李平，一种参数自调整模糊控制方法，汕头大学学报(自然科学版)，2002年11月，第17卷，第4期，53-57。
Use’s manual for CE151-Ball&PlateAppa-ratus[Z]1993.
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赵清杰 连广宇 孙增圻，机器人视觉伺服综述，控制与决策，
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10．郑南宁，计算机视觉与模式识别，国防工业出版社，1998年3月,第一版。
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14．孙迪生 楼喜中，位置伺服控制板的设计与应用，制造业自动化，2001年4月，第23卷第4期，34-37。
15．闫如忠 陈云 方明伦 韩丰田，智能化位置伺服控制系统的研究与开发，组合机床与自动化加工技术，2001年，第11期，27-30。
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19．张艳珍 欧宗瑛，一种新的摄像机线性标定方法，中国图像图形学报，第6卷(A版)第8期，2001年8月，727-731。
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23．刘思汉，理论力学—运动学和动力学，高等教育出版社，1987年7月，第一版。
24．张成新 余跃庆，基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学建模和轨迹跟踪，机械科学与技术，2002年1月，第21卷第1期，10-15。
25．M.武科布拉托维奇 V.波特柯涅克[南]，周起钊 殷金生译，操作机器人动力学理论与应用，科学出版社，1990年9月，第1版。
26．冯国良，模糊控制技术的发展及应用，重庆工业高等专科学校学报，2001年5月，第16卷第2期，50-53。
27．周建锁 刘志远 叶青 裴润，机器人轨迹跟踪连续预测控制，系统工程与电子技术, 2000年11月，第22卷第11期，39-42。
1999年10月，第一版。
28．何平 王鸿绪，模糊控制器的设计及应用，北京科学出版社，1997年1月，第一版。
29．杨辉，模糊控制技术及其应用，江西科学技术出版社，1997年
9月，第一版。
30．章卫国 杨向忠，模糊控制理论与应用，西北工业大学出版社，
31．鲁守荣，参数在线自调整模糊控制器，湖北汽车工业学院学报，1998年2月，40-44。
32．黄燕 李平，一种参数自调整模糊控制方法，汕头大学学报(自然科学版)，2002年11月，第17卷，第4期，53-57。
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