基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，包括如下步骤：通过预先标定拍摄的标本图像特征量及标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，获取理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量，并获取理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值及标本图像中的近轨迹点成像位置误差量；以理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量作为控制参考量，判断机器人当前的运动区域，根据运动区域不同，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值或标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号，控制机器人循迹。
【专利说明】基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉机器人视觉伺服控制领域，尤其涉及一种基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]在基于视觉伺服移动机器人前进和倒车循迹领域相关信息可以分为三类，(I)为应用全景车载摄像机进行机器人伺服控制，这种方法在机器人足球比赛中应用较为广泛，该方案关键技术在于全景图像的获取，目前的全景图像获取方式较为流行的有四种，即云台摄像机系统方案、特殊镜头摄像机方案、多台摄像机组合方案以及多镜头组合方案，全景车载摄像机倒退循迹方案在长沙理工大学2010届硕士研究生黄苗毕业论文《足球机器人全景视觉系统研究与设计》中描述较为详细。所述方案选择全景摄像机，该摄像机的系统构成复杂性高，分析其四种实现方式，可以得出结论全景摄像机的组成是一个非常复杂、精细的系统，因此导致了成本过高的问题，其次，全景摄像机一般为摄像机短时间内拍摄多幅图片进行图像融合或者多个摄像机同时拍摄多幅摄像机进行图像融合，因此相比单个摄像机的图像处理过程，存在多出的多图像信息融合以及处理信息融合带来的无关背景噪音去除的过程，这就导致出现信号处理实时性低的缺点。
[0003](2)乐高的玩具机器人通过两个灰度传感器能够实现简单环境下的机器人前进和倒退循迹，该方案所述的双灰度传感器实现机器人倒车循迹，主要原理为机器人通过两个灰度传感器感知地面轨迹与背景反射的不同光线，进而提取出轨迹特征信息、确定机器人偏离轨迹的程度，将感知信息传输至主控机对机器人进行控制，实现前进倒退循迹。该方案所采用的双灰度传感器，只能区分环境中特征区别非常明显的轨迹，如黑白背景与轨迹，而实际环境远远比这种环境要复杂，因此该方案存在实用性差的缺点。
[0004](3)其他机器人前进倒退循迹实现方式一般需要同时安装前后两个摄像机，通过当前所用视觉信息摄像机的切换完成机器人前进倒退循迹。该方案是全景摄像机的一种特殊形式，该方案在机器人前后各放置一个摄像机，通过切换提供当前控制所使用的图像信息的摄像机，以在机器人前进循迹与倒退循迹之间进行切换，具体的讲就是当机器人需要实现前进循迹功能时，主控机自动将采集信号摄像机置为机器人前的摄像机上，利用前的摄像机采集伺服信息，进而提取轨迹信息供控制器利用，控制机器人完成前进循迹；当机器人需要实现倒退循迹功能时，主控机自动将采集信号摄像机置为机器人身后的摄像机上，利用身后的摄像机采集伺服信息，进而提取轨迹信息供控制器利用，控制机器人完成倒退循迹。该方案使用的前后双视觉传感器，需要两个摄像机及图像信号传输接口，存在系统复杂、成本高的缺点。以上三种方案中采用的控制策略都不容易到达比较高的循迹精度，让机器人沿着轨迹摇摆而不能实现机器人的平滑前进和倒退。
【发明内容】
[0005]针对以上问题，本发明提供一种基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，实现利用一个机器人前置的车载摄像机(非全景摄像机)提取机器人循迹轨迹信息，设计机器人前进后退循迹伺服控制器实现机器人前进后退循迹克服了摄像机标定及近似处理导致的不精确参数的影响，保证了机器人的循迹的稳定性，光滑性和准确性。
[0006]该方法包括如下步骤:
[0007]步骤SI，通过预先标定拍摄的标本图像特征量及标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，获取理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，并获取理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值及标本图像中的近轨迹点成像位置误差量；
[0008]步骤S2，以理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量作为控制参考量，判断机器人当前的运动区域，根据运动区域不同，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器或以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹。
[0009]进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，设计机器人控制器的方法，包括，
[0010]当机器人位于适中误差区域或较小误差区域，以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹；
[0011]当机器人位于较大误差区域，将反馈控制信号切换为以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量所设计的循迹控制器，控制机器人向轨迹靠近，当进入适中误差区域后，再将反馈控制信号切换为理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值。
[0012]进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，包括将实际物理空间近似为理想物理空间。
[0013]进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，设计以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器的方法，包括，
[0014]以一恒定常数设置机器人前向参考速度值，保持向前参考速度矢量方向；
[0015]以机器人摄像机所成图像为标本，以近轨迹点成像在标本图像中的实际位置与理想位置的差与预先设定比例系数的乘积设置机器人转向速度值，保持转向速度矢量方向；
[0016]以机器人向前参考速度和机器人线速度的矢量差设置左轮电机线速度矢量；
[0017]以机器人向前参考速度和机器人线速度的矢量和设置右轮电机线速度矢量；
[0018]其中，机器人线速度矢量由机器人转向角速度矢量和机器人运动半径之积确定。在实际作业中，机器人运动半径为机器人左轮和右轮轴心距离的一半。
[0019]进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，所述标定拍摄的标本图像特征量，包括，
[0020]步骤Z11，标定远轨迹点成像在标本图像中的实际位置和在标本图像中的理想位置；
[0021]步骤Z12，标定近轨迹点成像在标本图像中的实际位置和在标本图像中的理想位置。
[0022]进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，所述标定标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，包括，[0023]步骤Z21，测量标本图像对应的理想物理空间区域内机器人旋转中心到近端线的距离；
[0024]步骤Z22，测量标本图像对应的理想物理空间区域内的近端线与远端线之间的距离；
[0025]步骤Z23，取实际轨迹与近端线的交点为近轨迹点，测量近端线的左端点与近轨迹点之间的距离，测量近端线的右端点与近轨迹点之间的距离；
[0026]步骤Z24，计算所测量的近端线的左端点与近轨迹点之间的距离与所测量的近端线的右端点与近轨迹点之间的距离之和为近端线长度；
[0027]步骤Z25，取实际轨迹与远端线的交点为远轨迹点，测量远端线的左端点与远轨迹点之间的距离，测量远端线的右端点与远轨迹点之间的距离；
[0028]步骤Z26，计算所测量的远端线的左端点与远轨迹点之间的距离与所测量的远端线的右端点与远轨迹点之间的距离之和为远端线长度。
[0029]进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，所述以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，包括，
[0030]步骤S11，计算标本图像中的远轨迹点成像位置误差量，S卩，远轨迹点对应在标本图像中实际位置和在标本图像中的理想位置之间的误差量；
[0031]步骤S12，计算标本图像中的近轨迹点成像位置误差量，S卩，近轨迹点对应在标本图像中实际位置和在标本图像中的理想位置之间的误差量；
[0032]步骤S13，将远轨迹点成像位置误差量进一步按比例还原在对应理想物理空间下的远轨迹点位置误差量，具体地，由长度比例系数与远轨迹点成像位置误差量乘积即为在对应理想物理空间下的远轨迹点位置误差量，其中长度比例系数由远端线长度与图像像素的宽度值的比值确定；
[0033]步骤S14，将近轨迹点成像位置误差量进一步按比例还原在对应理想物理空间下的近轨迹点位置误差量，具体地，由宽度比例系数与近轨迹点成像位置误差量乘积即为在对应理想物理空间下的近轨迹点位置误差量，其中宽度比例系数由近端线长度与图像像素的宽度值的比值确定；
[0034]步骤S15，计算理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值，具体地，由步骤S13中远轨迹点位置误差量与步骤S14中近轨迹点位置误差量的差值作为分子，由测量标本图像对应的理想物理空间区域的近端线与远端线之间的距离作分母；
[0035]步骤S16，计算理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，具体地，包括，
[0036]步骤S161，计算理想物理空间下机器人的朝向误差量，S卩，取步骤Z21中，理想物理空间区域内机器人旋转中心到近端线的距离与步骤S15获取的机器人朝向与轨迹所成角的正切值之间的乘积。
[0037]步骤S162，计算理想物理空间下机器人的朝向误差量与近轨迹点误差量之间的误差偏移量，更进一步地，取步骤S14理想物理空间下的近轨迹点位置误差量与步骤S161中所获取的理想物理空间下机器人的朝向误差量之间的差值即为理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量。[0038]进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，包括，对应机器人的运行区域进行划分，具体包括划分为较大误差区域，适中误差区域和较小误差区域，将机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量对应机器人所在的运动区域进行特征划分，包括，较大误差区间，适中误差间和较小误差区间，其中，较大误差区间又包括左侧较大误差区间和右侧较大误差区间，适中误差区间又包括左侧适中误差区间和右侧适中误差区间，较小误差区间又包括左侧较小误差区间和右侧较小误差区间；较大误差区间与适中误差区间之间以左侧大临界限与右侧大临界限区分，适中误差区间与较小误差区间之间以左侧小临界限与右侧小临界限区分。
[0039]更进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，包括，
[0040]步骤S21，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在较小误差区间内，此时机器人位于较小误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而使理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于零；
[0041]步骤S22，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在左侧适中误差区间内，此时机器人位于左侧适中误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而调节理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于第一特征值，使机器人进入较小误差区域；
[0042]步骤S23，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在右侧适中误差区间内，此时机器人位于右侧适中误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而调节理想物理空间下机器人朝向与循迹轨迹所成角的正切值趋向于第二特征值，使机器人进入较小误差区域；
[0043]步骤S24，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在较大误差区间内，此时机器人位于较大误差区域内，选择以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，使机器人进入适中误差区域。
[0044]将标本图像中的近轨迹点成像位置误差量分为第一特征区间，第二特征区间，第三特征区间，第一特征区间表示机器人位于左侧较大误差区域内，第二特征区间表示机器人位于适中误差区域及较小误差区域覆盖的范围，第三特征区间表示机器人位于右侧较大误差区域。
[0045]当机器人位于左侧较大误差区域内，此时标本图像中的近轨迹点成像位置误差量在第一特征区间内，当前主要控制任务为控制机器人迅速靠近左侧适中误差区域，不论当前任务状态是处于前进还是后退，机器人停止当前动作，并自动切换进入以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量设计的循迹控制器，当标本图像中的近轨迹点成像位置误差量落入第二误差区间的范围，机器人重新切换至循迹过程控制，按照步骤S21至步骤S23对应调整机器人循迹。
[0046]当机器人位于右侧较大误差区域内，此时标本图像中的近轨迹点成像位置误差量在第三特征区间内，当前主要控制任务为控制机器人迅速靠近右侧适中误差区域，不论当前任务状态是处于前进还是后退，机器人停止当前动作，并自动切换进入以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量设计的循迹控制器，当标本图像中的近轨迹点成像位置误差量落入第三误差区间的范围，机器人重新切换至循迹过程控制，按照步骤S21至步骤S23对应调整机器人循迹。
[0047]根据本发明的另一方面，还提供一种基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制装置，包括，
[0048]循迹特征量标定模块,用于标定拍摄的标本图像特征量及标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，获取理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，并获取理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值及标本图像中的近轨迹点成像位置误差量；
[0049]循迹控制模块，以理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量作为控制参考量，判断机器人当前的运动区域，根据运动区域不同，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器或以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0051]图1是理想物理空间的机器人成像区域图及对应的标本图像；
[0052]图2是标定理想物理空间的机器人成像区域图特征量及对应的标本图像表特征量;
[0053]图3是根据本发明第一实施例的机器人的循迹控制方法流程图；
[0054]图4是机器人位于较小误差区域内机器人循迹控制图；
[0055]图5是机器人位于左侧较大误差区域内机器人循迹控制图；
[0056]图6是机器人位于右侧较大误差区域内机器人循迹控制图；
[0057]图7是第二实施例的机器人的循迹控制模块图。
【具体实施方式】
[0058]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0059]第一实施例
[0060]图1是理想物理空间的机器人成像区域图及对应的标本图像，下面根据图1、图2及图3详细说明本实施例的各个步骤。
[0061]首先以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量设计循迹控制器:
[0062]以一恒定常数设置机器人前向参考速度值，保持向前参考速度矢量方向；
[0063]以机器人摄像机所成图像为标本，以近轨迹点成像在标本图像中的实际位置与理想位置的差与预先设定比例系数的乘积设置机器人转向速度值，保持转向速度矢量方向；[0064]近轨迹点成像在标本图像中的实际位置为机器人车载摄像机所成图像中轨迹在最后一行成像所在的像素位置，一般取理想位置为图像中点位置；
[0065]以机器人向前参考速度和机器人线速度的矢量差设置左轮电机线速度矢量；
[0066]以机器人向前参考速度和机器人线速度的矢量和设置右轮电机线速度矢量；
[0067]其中，机器人线速度矢量由机器人转向角速度矢量和机器人运动半径之积确定。在实际作业中，机器人运动半径为机器人左轮和右轮轴心距离的一半。
[0068]结合图1中的标本图像及标本图像对应的理想物理空间下所需要标定的特征量:
[0069]u表示远轨迹点成像在标本图像中的实际位置；U0表示远轨迹点成像在标本图像中的理想位置；
[0070]V表示近轨迹点成像在标本图像中的实际位置；V0表示近轨迹点成像在标本图像中的理想位置；
[0071 ] U表示理想物理空间下的远轨迹点；V表示理想物理空间下的近轨迹点；
[0072]d6表示测量标本图像对应的理想物理空间区域内机器人旋转中心到近端线的距离；
[0073]d5表示测量标本图像对应的理想物理空间区域内的近端线与远端线之间的距离；
[0074]d3表示测量近端线的左端点与近轨迹点之间的距离，d4表示测量近端线的右端点与近轨迹点之间的距离；
[0075]计算所测量的近端线的左端点与近轨迹点之间的距离与所测量的近端线的右端点与近轨迹点之间的距离之和为近端线长度，即d3+d4 ；
[0076]dl表示测量远端线的左端点与远轨迹点之间的距离，d2表示测量远端线的右端点与远轨迹点之间的距离；
[0077]计算所测量的远端线的左端点与远轨迹点之间的距离与所测量的远端线的右端点与远轨迹点之间的距离之和为远端线长度，即dl+d2。
[0078]按照如下步骤说明设计以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器的方法:
[0079]步骤S11，计算标本图像中的远轨迹点成像位置误差量，S卩，远轨迹点对应在标本图像中实际位置和在标本图像中的理想位置之间的误差量，即U-UO ；
[0080]步骤S12，计算标本图像中的近轨迹点成像位置误差量，S卩，近轨迹点对应在标本图像中实际位置和在标本图像中的理想位置之间的误差量，即v-VO ；
[0081]步骤S13，将远轨迹点成像位置误差量进一步按比例还原在对应理想物理空间下的远轨迹点位置误差量，具体地，由长度比例系数与远轨迹点成像位置误差量乘积即为在对应理想物理空间下的远轨迹点位置误差量，其中，长度比例系数由远端线长度与图像像素的宽度值的比值确定；
[0082]步骤S14，将近轨迹点成像位置误差量进一步按比例还原在对应理想物理空间下的近轨迹点位置误差量，具体地，由宽度比例系数与近轨迹点成像位置误差量乘积即为在对应理想物理空间下的近轨迹点位置误差量，其中，宽度比例系数由近端线长度与图像像素的宽度值的比值确定；
[0083]步骤S15，计算理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值，具体地，由步骤S13中远轨迹点位置误差量与步骤S14中近轨迹点位置误差量的差值作为分子，由测量标本图像对应的理想物理空间区域的近端线与远端线之间的距离作分母；
[0084]步骤S16，计算理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，具体地，包括，
[0085]步骤S161，计算理想物理空间下机器人的朝向误差量，S卩，取步骤Z21中，理想物理空间区域内机器人旋转中心到近端线的距离与步骤S15获取的机器人朝向与轨迹所成角的正切值之间的乘积。
[0086]步骤S162，计算理想物理空间下机器人的朝向误差量与近轨迹点误差量之间的误差偏移量，更进一步地，取步骤S14理想物理空间下的近轨迹点位置误差量与步骤S161中所获取的理想物理空间下机器人的朝向误差量之间的差值即为理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量。
[0087]进一步地，对理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量进行区间划分，具体结合试验进行划分，具体包括，对应机器人的运行区域进行划分，具体包括划分为较大误差区域，适中误差区域和较小误差区域，将机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量对应机器人所在的运动区域进行特征划分，包括，较大误差区间，适中误差间和较小误差区间，其中，较大误差区间又包括左侧较大误差区间和右侧较大误差区间，适中误差区间又包括左侧适中误差区间和右侧适中误差区间，较小误差区间又包括左侧较小误差区间和右侧较小误差区间；较大误差区间与适中误差区间之间以左侧大临界限与右侧大临界限区分，适中误差区间与较小误差区间之间以左侧小临界限与右侧小临界限区分。
[0088]步骤S21，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在较小误差区间内，此时机器人位于较小误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而使理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于零。当机器人位于较小误差区域时，机器人控制目的为通过控制器使得使理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于0，如附图4所示，其中，机器人位于较小误差区域内且位于轨迹左侧时，当前主要控制任务为调整机器人姿态使机器人平行于轨迹，即附图4中第(I)幅子图中机器人应当右转，第(2)幅子图中机器人保持姿态或很慢的转动；第(3)幅子图中机器人应当左转；机器人位于较小误差区域且位于轨迹右侧时，当前主要控制任务为调整机器人姿态使机器人平行于轨迹，即附图4中第(4)幅子图中机器人应当左转，第(5)幅子图中机器人保持姿态；第(6)幅子图中机器人应当右转。该步所述的机器人转动并非恒定转速，而是根据误差大小进行调整的转速进行转动；
[0089]步骤S22，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在左侧适中误差区间内，此时机器人位于左侧适中误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而调节理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于第一特征值，使机器人进入较小误差区域；
[0090]当机器人位于左侧适中误差区域时，机器人控制目的为通过控制器使得理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向第一特征值。如图5所示，机器人位于左侧适中误差区域内，当前主要控制任务为控制机器人迅速靠近轨迹，因此首先控制机器人使得机器人朝向轨迹，即图5中子图5(1)、5(2)的机器人首先向子图5(3)的趋势调整姿态，当调整到一定的合适值，即第一特征值，机器人停止调整姿态；当机器人调整过程中大于第一特征值时，需要一个反方向的调整过程；对于子图5(3)中的机器人，调整趋势同样是朝着接近第一特征值的趋势调整。该步所述的机器人转动并非恒定转速，而是根据误差大小进行调整的转速进行转动；
[0091]步骤S23，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在右侧适中误差区间内，此时机器人位于右侧适中误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而调节理想物理空间下机器人朝向与循迹轨迹所成角的正切值趋向于第二特征值，使机器人进入较小误差区域。
[0092]当机器人位于右侧适中误差区域时，机器人控制目的为通过控制器使得理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于第二特征值。如图6所示，机器人位于右侧适中误差区域内时，当前主要控制任务为控制机器人迅速靠近轨迹，因此首先控制机器人使得机器人朝向轨迹，即图6中子图6(1)、6(2)的机器人首先向子图6(3)的趋势调整姿态，当调整到一定的合适值，即第二特征值时，机器人停止调整姿态；当机器人调整过程中大于第二特征值时，需要一个反方向的调整过程；对于子图6(3)中的机器人，调整趋势同样是朝着接近第二特征值的趋势调整。该步所述的机器人转动并非恒定转速，而是根据误差大小进行调整的转速进行转动；
[0093]步骤S24，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在较大误差区间内，此时机器人位于较大误差区域内，选择以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，使机器人进入适中误差区域。将标本图像中的近轨迹点成像位置误差量分为第一特征区间，第二特征区间，第三特征区间，第一特征区间表示机器人位于左侧较大误差区域内，第二特征区间表示机器人位于适中误差区域及较小误差区域覆盖的范围，第三特征区间表示机器人位于右侧较大误差区域；
[0094]当机器人位于左侧较大误差区域内，此时标本图像中的近轨迹点成像位置误差量在第一特征区间内，当前主要控制任务为控制机器人迅速靠近左侧适中误差区域，不论当前任务状态是处于前进还是后退，机器人停止当前动作，并自动切换进入以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量设计的循迹控制器，当标本图像中的近轨迹点成像位置误差量落入第二误差区间的范围，机器人重新切换至循迹过程控制，按照步骤S21至步骤S23对应调整机器人循迹；
[0095]当机器人位于右侧较大误差区域内，此时标本图像中的近轨迹点成像位置误差量在第三特征区间内，当前主要控制任务为控制机器人迅速靠近右侧适中误差区域，不论当前任务状态是处于前进还是后退，机器人停止当前动作，并自动切换进入以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量设计的循迹控制器，当标本图像中的近轨迹点成像位置误差量落入第三误差区间的范围，机器人重新切换至循迹过程控制，按照步骤S21至步骤S23对应调整机器人循迹。
[0096]第二实施例
[0097]图7是机器人的循迹控制模块图，下面参照图7对该实施例进行说明。本发明中，主要包括循迹特征量标定模块21和循迹控制模块22。
[0098]循迹特征量标定模块21,用于标定拍摄的标本图像特征量及标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，获取理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，并获取理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值及标本图像中的近轨迹点成像位置误差量；
[0099]循迹控制模块22，循迹控制模块，以理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量作为控制参考量，判断机器人当前的运动区域，根据运动区域不同，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器或以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹。
[0100]本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的单片机装置来实现，这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0101]虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1.基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤SI，通过预先标定拍摄的标本图像特征量及标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，获取理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，并获取理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值及标本图像中的近轨迹点成像位置误差量； 步骤S2，以理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量作为控制参考量，判断机器人当前的运动区域，根据运动区域不同，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器或以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹。
2.根据权利要求1所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，其特征在于，包括， 当机器人位于适中误差区域或较小误差区域，以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹； 当机器人位于较大误差区域，将反馈控制信号切换为以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量所设计的循迹控制器，控制机器人向轨迹靠近，当进入适中误差区域后，再将反馈控制信号切换为理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值。
3.根据权利要求1所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，包括将实际物理空间近似为理想 物理空间。
4.根据权利要求1和2所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，设计以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器的方法，包括， 以一恒定常数设置机器人前向参考速度值，保持向前参考速度矢量方向； 以机器人摄像机所成图像为标本，以近轨迹点成像在标本图像中的实际位置与理想位置的差与预先设定比例系数的乘积设置机器人转向速度值，保持转向速度矢量方向； 以机器人向前参考速度和机器人线速度的矢量差设置左轮电机线速度矢量； 以机器人向前参考速度和机器人线速度的矢量和设置右轮电机线速度矢量。
5.根据权利要求1所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，所述标定拍摄的标本图像特征量，包括， 步骤ZlI，标定远轨迹点成像在标本图像中的实际位置和在标本图像中的理想位置； 步骤Z12，标定近轨迹点成像在标本图像中的实际位置和在标本图像中的理想位置。
6.根据权利要求1所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，所述标定标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，包括， 步骤Z21，测量标本图像对应的理想物理空间区域内机器人旋转中心到近端线的距离； 步骤Z22，测量标本图像对应的理想物理空间区域内的近端线与远端线之间的距离；步骤Z23，取实际轨迹与近端线的交点为近轨迹点，测量近端线的左端点与近轨迹点之间的距离，测量近端线的右端点与近轨迹点之间的距离； 步骤Z24，计算所测量的近端线的左端点与近轨迹点之间的距离与所测量的近端线的右端点与近轨迹点之间的距离之和为近端线长度； 步骤Z25，取实际轨迹与远端线的交点为远轨迹点，测量远端线的左端点与远轨迹点之间的距离，测量远端线的右端点与远轨迹点之间的距离； 步骤Z26，计算所测量的远端线的左端点与远轨迹点之间的距离与所测量的远端线的右端点与远轨迹点之间的距离之和为远端线长度。
7.根据权利要求1和2所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，设计以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器的方法，包括， 步骤S11，计算标本图像中的远轨迹点成像位置误差量，即，远轨迹点对应在标本图像中实际位置和在标本图像中的理想位置之间的误差量； 步骤S12，计算标本图像中的近轨迹点成像位置误差量，即，近轨迹点对应在标本图像中实际位置和在标本图像 中的理想位置之间的误差量； 步骤S13，将远轨迹点成像位置误差量进一步按比例还原在对应理想物理空间下的远轨迹点位置误差量，具体地，由长度比例系数与远轨迹点成像位置误差量乘积即为在对应理想物理空间下的远轨迹点位置误差量，其中长度比例系数由远端线长度与图像像素的宽度值的比值确定； 步骤S14，将近轨迹点成像位置误差量进一步按比例还原在对应理想物理空间下的近轨迹点位置误差量，具体地，由宽度比例系数与近轨迹点成像位置误差量乘积即为在对应理想物理空间下的近轨迹点位置误差量，其中宽度比例系数由近端线长度与图像像素的宽度值的比值确定； 步骤S15，计算理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值，具体地，由步骤S13中远轨迹点位置误差量与步骤S14中近轨迹点位置误差量的差值作为分子，由测量标本图像对应的理想物理空间区域的近端线与远端线之间的距离作分母； 步骤S16，计算理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，具体地，包括， 步骤S161，计算理想物理空间下机器人的朝向误差量，即，取步骤Z21中，理想物理空间区域内机器人旋转中心到近端线的距离与步骤S15获取的机器人朝向与轨迹所成角的正切值之间的乘积； 步骤S162，计算理想物理空间下机器人的朝向误差量与近轨迹点误差量之间的误差偏移量，更进一步地，取步骤S14理想物理空间下的近轨迹点位置误差量与步骤S161中所获取的理想物理空间下机器人的朝向误差量之间的差值即为理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量。
8.根据权利要求1和6所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，包括， 步骤S21，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在较小误差区间内，此时机器人位于较小误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而使理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于零； 步骤S22，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在左侧适中误差区间内，此时机器人位于左侧适中误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而调节理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值趋向于第一特征值，使机器人进入较小误差区域； 步骤S23，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量在右侧适中误差区间内，此时机器人位于右侧适中误差区域内，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，通过机器人控制器调节机器的转向从而调节理想物理空间下机器人朝向与循迹轨迹所成角的正切值趋向于第二特征值，使机器人进入较小误差区域； 步骤S24，当机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移V量在较大误差区间内，此时机器人位于较大误差区域内，选择以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，使机器人进入适中误差区域。
9.基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制装置，包括， 循迹特征量标定模块，用于标定拍摄的标本图像特征量及标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，获取理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，并获取理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值及标本图像中的近轨迹点成像位置误差量； 循迹控制模块，以理想物理 空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量作为控制参考量，判断机器人当前的运动区域，根据运动区域不同，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器或以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹。
【文档编号】G05D1/02GK104007761SQ201410183390
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】张敬良, 王宝磊, 董勤波, 贾庆伟 申请人:宁波韦尔德斯凯勒智能科技有限公司