一种基于迭代变时长视觉伺服控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及工业机械臂领域的视觉跟踪方法，特别是设及一种基于迭代变时长策 略的视觉伺服控制方法。
【背景技术】
[0002] 机械臂视觉跟踪是W视觉系统作为反馈信息控制机械臂运动的方法，是机械臂研 究的重要部分。视觉跟踪是目前工业机器人研究中的热点和难点，在工业机械臂执行大环 境或复杂环境下任务时起到重要的作用。
[0003] 机械臂视觉跟踪技术可W分为基于位置的方法和基于图像的方法。其中，基于位 置的方法将视觉系统作为位置传感器使用，根据位置误差控制机械臂运动，运种方法控制 器设计简单，适用于低精度跟踪，具有误差累积效应。基于图像的方法使用视觉系统反馈的 图像作为反馈信息，控制机械臂运动到拍摄到与目标图像一致的场景处，运种方法精度高， 但是由于基于图像的视觉控制只有一个相机，缺少深度信息，导致模型的不确定性，运样会 影响系统的稳定性和收敛性，而且要求目标图像在整个运动过程中都可见。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种基于迭代变时长策略的机械臂视觉 伺服控制方法，该方法在保证视觉跟踪稳定性和收敛性的同时，不要求在运动过程中目标 持续可见，实现成本较低。 阳〇化]本发明的目的是通过W下技术方案来实现的：一种基于迭代变时长策略的机械臂 视觉伺服控制方法，用于机械臂目标图像的跟踪，所述的机械臂为六自由度无冗余工业机 械臂，自带单目摄像头可实时采集图像信息。该方法将跟踪任务转化到基于图像单应性定 义的图像特征空间中，设计控制器在图像特征空间中进行轨迹跟踪控制，包括W下步骤：
[0006] (1)手持相机，沿跟踪轨迹拍摄目标物体的一系列图片作为参考图片，所述目标物 体的一个平面上标注=个W上标记点，并且所有参考图片中均包含该平面；
[0007] 似机械臂开始运动，由摄像头获取图像信息，根据其与步骤（1)得到的参考图片 的差异，通过利用单应性关系定义图像特征，用六个和单应性矩阵相关的变量作为系统误 差；
[000引做将步骤似得到的系统误差作为控制器输入，由控制器输出信号控制机械臂 运动，从而跟踪步骤1得到的一系列参考图片；所述控制器包括两部分：反馈控制器和迭代 控制器，所述反馈控制器为P反馈控制器，所述迭代控制器为PID学习率迭代控制器；
[0009] (4)在机械臂运动过程中出现目标物体超出视野范围时，此次迭代结束，记迭代时 间为Tk,Tk时间后，控制器的输入值、系统的误差和误差变化率均为零；
[0010] (5)迭代多次控制机械臂运动，直到拍摄图片和参考图片误差满足终止条件或者 达到迭代次数，实现按照参考轨迹的机械臂视觉伺服跟踪控制。 W11] 步骤似中所述的单应性图像特征由公式（4)定义，公式（4)为：
[0013] 其中，H为单应性矩阵，（R，t)表示了机械臂的运动状态，n为相机坐标系下地面的 法向量，d为相机坐标系原点与地面之间的距离，K为相机内部参数矩阵。
[0014] 步骤（2)中所述利用单应性关系定义图像特征具体为：依次求得广义单应性矩阵 和狭义单应性矩阵；
[0015] 所述广义单应性矩阵G如公式（1)所示：
[0017] 其中，m和Hif分别表示同一特征在当前图片和参考图片的像素点位置坐标，Z和Zf分别表示同一特征点在当前图像坐标系和参考图像坐标系下的深度；
[001引所述狭义单应性矩阵H如公式似所示：
[0019]H=RiGK似
[0021] K为相机内部参数矩阵，f。、f；分别表示焦距在像素坐标轴上对应的像素点数目。 阳0巧步骤似中所述系统误差e如公式（5) (6) (7)所示，如下：
[002引e= [e*ejT妨
阳0 巧]Gf=Vex(H-HT) (7)
[0026] 步骤（3)中，所述P反馈控制器具体为：控制器输出皆货和本次迭代上个时刻的 系统误差e(t)成正比例关系，如公式（8)所示： 阳0八]= (8)
[00測其中，Kfd为反馈控制器的比例系数；
[0029] 所述PID学习率迭代控制器具体为：控制器输出獄与上次迭代的输出Uk1 (t)、 系统误差6ki(t)和系统误差变化率关系如公式（9)所示：
[0030] （n= ",_,(?) +KpA-,…+Kd為-1W(9)
[0031] 其中，Kp为迭代控制器的P控制系数，Kd为迭代控制器的D控制系数；
[0032] 所述控制器输出Uk(t)如公式（10)所示：
[0033] 。'任(/) +H'e(。（ 10 )
[0034] 步骤（4)迭代变时长策略如公式（11)所示，如下： <11)
[0036] 其中，Tk为第k次的迭代时间，Td为跟踪轨迹的期望时间。
[0037] 本发明的有益效果是，本发明基于迭代变时长策略的改进图像跟踪视觉方法，在 传统的基于图像视觉伺服控制方式的基础上予W改进，采用迭代的方式，克服由于深度不 确定导致的系统不稳定性，而且又针对基于图像要求的目标持续可见性提出新的方法，通 过变时长的方式在一定程度上克服了运样的视野约束。
【附图说明】 阳03引图1是本发明的流程图；
[0039] 图2是机械臂物理装置图；
[0040] 图3是控制过程中物体在图像中的位姿图；
[0041] 图4是某次迭代终止图；
[0042] 图5单应性矩阵图。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0044] 所谓迭代变时长控制策略，即机械臂多次跟踪在图像空间中的轨迹，每次跟踪受 到两方面的影响，一为本次迭代的反馈误差，二为上次迭代的输入和误差，如果目标物体跑 出视野外，则此次迭代结束。
[0045] 本发明方法用于工业机械臂跟踪一系列目标图像的场景，首先手持相机，得到一 系列的参考图片集合a'}，I'表示第j幅图片。提取参考图片的特征点，根据特征点像素位 置得到与参考图片的单应性矩阵，如图5所示，从而得到系统误差。采用迭代和反馈结合的 控制方案，即控制器输出和本次迭代上个时刻误差有关，同时也和之前的迭代信息相关，整 个控制框图如图1所示。如果某次迭代过程中目标物体跑出视野外，如图4所示，则此次迭 代终止，下次迭代可W利用上次迭代终止前的信息，运样可W有效利用每次迭代的信息。具 体包括W下步骤：
[0046] 步骤1:手持相机，沿跟踪轨迹拍摄目标物体的一系列图片，得到参考图片集合 忙'}，每表示第j幅图片，最后一张图片为目标位姿，女曰图3所示；所述目标物体的一个平 面上标注9个标记点，并且所有参考图片中均包含该平面，如图1所示；
[0047] 步骤2 :机械臂运行过程中，实时拍摄图片（I'}，利用Sift算法提取特征点，根据 两个图片I'和據特征点像素点位置，求得单应性矩阵，如公式（1)所示