一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，包括下述步骤：对所有无人艇构建运动学模型；对搭载在无人艇上的针孔相机建立针孔相机模型；结合无人艇运动学模型，对针孔相机模型进行坐标变换并建立关于像素坐标的系统动态方程；对无人艇定义伺服跟踪误差；根据针孔相机的视角约束，引入性能约束；对伺服跟踪误差进行误差转换获得误差函数；通过李雅普诺夫设计法设计无人艇视觉伺服控制器、速度观测器及自适应更新律。本方法通过定义伺服跟踪误差，引入性能约束获得误差函数实现预设性能，再将误差函数引入李雅普诺夫设计法中设计无人艇视觉伺服控制器、速度观测器及自适应更新律，保证了无人艇视觉伺服控制的顺利进行。利进行。利进行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法


[0001]本专利技术属于无人艇的视觉伺服控制
，具体涉及一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，利用视觉反馈来控制诸如移动机器人、机械臂等机器人系统的课题成为了控制工程领域的一个重要课题，而基于图像的视觉伺服(IBVS)控制更是其中最热门的话题之一。无人艇的视觉伺服控制拥有广阔的应用前景，可应用于军事、海洋资源勘探、环境采样和监测等众多领域。
[0003]相较于针对静止目标的视觉伺服控制，无人艇的视觉伺服控制最大的特点是其跟踪的目标是不断运动的，伺服控制器的实现往往需要获取目标的速度信息。这就给分布式伺服控制器的设计带来了困难。一个可行的方法是为所有无人艇安装通讯设备，使它们可以通过通讯来获取自己所需的信息，进而计算出自身的控制信号。然而，这种方法会增加系统的硬件成本；而且，当跟踪目标是非合作目标时，这种方法更是无法实现的。如何设计一个无需额外硬件且不会限制控制器应用场景的分布式视觉伺服控制器是一个值得关注的问题。
[0004]由于视觉伺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：基于大地坐标系，对无人艇构建运动学模型；根据针孔相机成像原理，对搭载在无人艇上的针孔相机建立针孔相机模型；结合无人艇运动学模型，利用无人艇体坐标系对针孔相机模型进行坐标变换并建立关于像素坐标的系统动态方程；对无人艇定义伺服跟踪误差；根据针孔相机的视角约束，引入性能约束，获得性能函数；结合性能函数，对伺服跟踪误差进行误差转换获得误差函数；通过李雅普诺夫设计法设计无人艇视觉伺服控制器、速度观测器及自适应更新律。2.根据权利要求1所述的基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述对无人艇构建运动学模型，具体为：在大地坐标系中，对无人艇构建运动学模型，表示为：其中，(x
i
，y
i
)表示第i台无人艇在大地坐标系中的位置；θ
i
为第i台无人艇在大地坐标系中的航向角；u
i
、v
i
和ω
i
分别为第i台无人艇相对于大地坐标系运动的纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度。3.根据权利要求2所述的基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述建立针孔相机模型具体为：根据针孔相机的成像原理，三维空间中的一个点及其投影在针孔相机图像平面上的像，与针孔相机的光学中心三点共线，故对于无人艇上搭载的针孔相机，其针孔相机模型表示为：其中，(u，v)表示空间点对应的像在图像平面上的像素坐标，(X
c
，Y
c
，Z
c
)为空间点在相机坐标系中的三维位置坐标，A为针孔相机的内参矩阵，形式为：其中，a
u
和a
v
分别为图像平面x轴和y轴上的比例因子，a
uv
代表x轴和y轴间的畸变因子，(u0，v0)表示图像平面中心点的像素坐标。4.根据权利要求3所述的基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述对针孔相机模型进行坐标变换，具体为：对于第j台无人艇的体坐标系和搭载在其上的针孔相机的相机坐标系有以下的变换关系：
其中，(X
j
，Y
j
，Z
j
)为空间点在第j台无人艇的体坐标系中的坐标，(X
cj
，Y
cj
，Z
cj
)为空间点在第j台无人艇针孔相机的相机坐标系中的三维坐标；对于一个位于第i台无人艇坐标系z轴上的特征点，即第i个特征点，将其设为第j台无人艇跟踪的目标点，其中i≠j；所述所有无人艇体坐标系的原点距地面的高度是相同的；则第i个特征点在第i台无人艇、第j台无人艇以及第j台针孔相机的坐标系中的坐标分别记为其中为第i个特征点的高度，得到第i个特征点在第i台和第j台无人艇在坐标系中的变换关系：其中，(x
i
，y
i
)表示第i台无人艇在大地坐标系中的位置，(x
j
，y
j
)表示第j台无人艇在大地坐标系中的位置，θ
j
为第j台无人艇在大地坐标系中的航向角；根据上式(1)和(2)的变换关系及针孔相机模型，得到坐标变换表达式(3)：其中，表示第i个特征点在第j台针孔相机的图像平面上的像素坐标，a1、a2分别为第j台针孔相机内参矩阵A的第一行和第二行。5.根据权利要求4所述的基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述建立关于像素坐标的系统动态方程，具体为：对坐标变换表达式(3)进行求导，整理得：其中，a
u
和a
v
分别为图像平面x轴和y轴上的比例因子，a
uv
代表x轴和y轴间的畸变因子，(u0，v0)表示图像平面中心点的像素坐标，为归一化的像素坐标，定义为：其中，为解决高度不确定问题，对公式(4)进行变换得到关于像素坐标的系统动态方程：
其中，其中，为第i个特征点的高度h
i
的估计值，的估计值，为引入的中间变量，计算式为：为：6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴诗陆，杨佳楠，黄运昌，董超，
申请(专利权)人：国家海洋局南海调查技术中心国家海洋局南海浮标中心，
类型：发明
国别省市：