一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法。首先为了能够准确地表述物体的全局几何信息，减小环境噪声对图像特征提取的干扰，本发明专利技术采用非均匀有理B样条曲线拟合技术提取物体的轮廓特征；然后提出利用复合特征来对机器人进行平移和旋转分离式控制，即利用曲线拟合控制点特征、相邻点连线的线特征以及两点间的距离特征实现对机器人的平移和旋转姿态控制；最后，针对机器人姿态控制与位置控制间的强耦合问题，发明专利技术了一种旋转补偿模块对机器人因相机旋转运动而造成的图像特征位置偏差进行补偿，提高了伺服系统的性能。本发明专利技术方法不依赖于全局特征，实时性好，带有旋转补偿，可靠性高，是一种高精度的机器人视觉伺服控制方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法
本专利技术属于机器人视觉伺服控制领域，具体涉及一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法。
技术介绍
视觉伺服是利用视觉信息对机器人或者相机位姿进行的伺服控制，其目标是控制机器人或者相机快速到达期望的位姿。对视觉伺服系统的设计涉及两个关键问题，其一是图像特征的提取，其二是视觉伺服控制律的设计。图像特征的选取一般分为三类，即点特征、线特征和全局特征。点特征包括角点、拐点、质点等，采用点特征的优势是模型简单，计算速度快，但应对干扰能力差。线特征包括直线特征和曲线特征，直线特征要求对象是规范形体，应用场景有限；曲线特征灵活性强，但需要提取物体的轮廓信息。全局特征包括图像矩、图像熵、光度矩等，其优势是对环境变化的鲁棒性高，但计算复杂，系统收敛时间较长。综合比较上述特征提取方法，以物体轮廓曲线作为图像特征，既可以较好地描述物体的全局特征信息又能满足实时性的要求。但由于机器人或相机的旋转控制对位置控制有较大影响，特别是采用曲线拟合技术提取目标物体的轮廓特征时，旋转运动会使曲线控制点特征的位置改变较大，容易造成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、基于NURBS曲线拟合技术反算出曲线控制顶点，获取曲线控制点特征；/nS2、计算空间NURBS曲线在相机成像平面上的二维投影曲线；/nS3、在通过曲线拟合方法对物体的轮廓投影曲线进行实时拟合运算后，利用得到的曲线控制点计算基于曲线控制点特征的交互矩阵；/nS4、选择曲线控制点连线特征，并计算基于曲线控制点连线特征的交互矩阵；/nS5、计算曲线控制点间的距离作为距离特征，并计算基于两点间距离特征的交互矩阵；/nS6、针对相机旋转姿态的变化而导致的图像特征位置的改变进行补偿；/nS7、为了获取曲线控制顶点的深度信息，...

【技术特征摘要】
1.一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于NURBS曲线拟合技术反算出曲线控制顶点，获取曲线控制点特征；
S2、计算空间NURBS曲线在相机成像平面上的二维投影曲线；
S3、在通过曲线拟合方法对物体的轮廓投影曲线进行实时拟合运算后，利用得到的曲线控制点计算基于曲线控制点特征的交互矩阵；
S4、选择曲线控制点连线特征，并计算基于曲线控制点连线特征的交互矩阵；
S5、计算曲线控制点间的距离作为距离特征，并计算基于两点间距离特征的交互矩阵；
S6、针对相机旋转姿态的变化而导致的图像特征位置的改变进行补偿；
S7、为了获取曲线控制顶点的深度信息，利用曲线控制点特征的图像平面上的投影变化量与相机的运动速度对交互矩阵中的深度信息进行在线深度估计；
S8、利用相邻曲线控制点连线的直线特征对相机的旋转姿态进行控制，利用两个曲线控制点间的距离特征对机器人沿相机Z轴方向的平移运动进行控制，利用曲线控制点特征对机器人沿相机X、Y轴方向的平移运动进行控制，并在机器人的位置控制中加入旋转运动补偿量，最终完成机器人伺服任务。


2.如权利要求1所述的一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法，其特征在于，步骤S1包括下列子步骤：
S11、对相机成像平面上的投影轮廓曲线进行图像处理，提取出投影曲线的数据点云坐标；
S12、按照相同间隔将曲线点云数据坐标等分成r个区间；
S13、在每个区间内选取每个数据点的n领域进行多项式运算求得分段多项式，再分别计算每段多项式中数据点处的曲率；
S14、选取曲率绝对值最大处的数据点以及曲线的首末数据端点作为曲线型值点；
S15、根据DeBoor-Cox算法反算出曲线控制点。


3.如权利要求2所述的一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法，其特征在于，在S15中，记一条k次NURBS曲线型值点为qi(i＝0,1,…,n)，其节点矢量U＝[u0,u1,…,un+6]的计算为：



其中，



在求得曲线型值点以及节点矢量后，根据DeBoor-Cox算法反算出曲线控制点，节点插值的NURBS方程组如下：



其中，dj是曲线控制点，ωj是曲线控制点的权因子，令ωj＝1，Bj,k(uj)是由节点矢量按DeBoor-Cox递推公式推导出的B样条基函数；
在求得全部的曲线控制顶点后，若发现拟合曲线精度达不到要求，则通过增加节点数量来提高拟合精度，直到拟合精度满足要求为止。


4.如权利要求1所述的一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法，其特征在于，在S2中，已知在空间中存在一套机器人视觉伺服系统，摄像机安装在机械臂末端，即眼在手构型；定义机器人的末端执行器坐标系为{T}，相机坐标系为{C}，机器人坐标系为{R}，设在用NURBS曲线描述该空间曲线时，其空间控制顶点为di(i＝0,1,…,n)，di在相机成像平面上的投影控制顶点记为Cdi(i＝0,1,…,n)；根据相机的透视投影模型，任意时刻t中，空间曲线的控制顶点di在相机图像平面上的投影控制点Cdi表示为：



其中，M是相机的内参矩阵，相机的内参矩阵由相机标定获得；H(q(t))是机器人基坐标系到机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，q(t)是t时刻机器人的关节变量；H(q(t))由机器人的D-H参数以及机器人在t时刻的关节角度算出；
由NURBS曲线定义及式(4)知，



式(5)为t时刻下，空间NURBS曲线在相机成像平面上的二维投影曲线。


5.如权利要求1所述的一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法，其特征在于，在S3中，设安装于机械臂末端的相机在空间中的刚体移动速度为V＝(vc,ωc)，P(Xd,Yd,Zd)是空间控制顶点P相对于相机的坐标，则曲线控制顶点P在相机坐标系下运动速度为：



式(6)的标量形式为：



其中，vc＝[vcx,vcy,vcz]T是相机的线速度，ωc＝[ωcx,ωcy,ωcz]T是相机的角速度；
根据相机的投影透视关系，图像归一化平面上的曲线控制点坐标表示为：
xdc＝Xd/Zd，ydc＝Yd/Zd(8)
将式(8)两边分别对时间求导得：



将式(8)、式(9)代入式(7)并进行整理得：



式(10)是在相机归一化成像平面上控制点特征的变化与机械臂末端相机移动的关系式，由式(10)知，一个点图像特征对应两个分量。


6.如权利要求1所述的一种基于复合特征的分离式视觉伺服控制方法，其特征在于，在S4中，设点A、B是对目标物体轮廓进行NURBS曲线拟合后得到的两个相邻的曲线控制点，O是相机光轴与图像归一化平面的交点；利用A、B两个控制点的图像坐标求得lAB的直线方程，设直线lAB的斜率为k1，则与其垂直的直线p1o的斜率为k2，k2＝-1/k1；根据原点O的坐标以及斜率k2，求得点p1在焦距归一化成像平面上的坐标；
设p1坐标为p1(...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛春阳，张垚，卢晓，王海霞，张治国，聂君，宋诗斌，李玉霞，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37