，首先求得广义单应 性矩阵G;
W例其中，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，利用最小二乘法可W得到带有比例的广义单应性矩阵，后期采取了比例反馈控制，求得的带有比例的单应性矩 阵，可W作为广义单应性矩阵，不影响结果。
[0050] 根据广义单应性矩阵G求解狭义单应性矩阵H，如下式所示： W51] H=RiGK 似
[0052] K= 0 f' 0 货 0 01
[0053] 其中，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。
[0054] 单应性矩阵对应的旋转和平移的关系，如下式：
战
[0056] 其中，（R，t)表示了机器人的运动状态，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。
[0057] 步骤3:根据步骤2得到的单应性矩阵求得系统误差e，如公式巧）（6) (7)所示： [00郎]e=[GtejT妨
㈱
[0060] 6r= Vex(H-HT) (了）
[0061] 当且仅当e全为零时，机械臂末端相机拍摄的图片和参考图片相同。
[0062] 步骤4 :将步骤3得到的系统误差作为控制器输入，设计控制器得到控制器输出信 号，作为机械臂输入信号，控制机械臂运动。控制器分为两个部分，分别为反馈控制器和迭 代控制器；
[0063] 所述的反馈控制器为P反馈控制器，具体为：控制器输化《f膊和本次迭代上个时 刻的系统误差成正比例关系，如公式（8)所示：
[0064] "f(O = -K(饼）（8) W65] 其中，Kfd为反馈控制器的比例系数；
[0066] 所述的迭代控制器为PID学习率迭代控制器，具体为：控制器输化媒輯与上次迭 代的输出Uk 1(t)、系统误差6k 1(t)和系统误差变化率的关系如公式（9)所示：
[0067] +皮卢_,(〇+吟与W (9) W側 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。 W例系统控制器输出Uk(t)为上述两个控制器的叠加，如公式（10)所示：
[0070] = + 幻妇）
[0071] 步骤5:在迭代过程中，目标物体超出视野时，此次迭代结束，记迭代时间为Tk,Tk 时间后，系统的输入值、误差和误差变化率均为零，具体如公式（11)所示，如下： (11) 阳〇7引Td为期望的时间。
[0074] 步骤6 :机械臂通过多次迭代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。
【主权项】
1. 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，其特 征在于，该方法包括W下步骤： (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化所述目标物体的 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； (2) 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； (3) 将步骤（2)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； (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； (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。2. 根据权利要求1所述一种基于迭代变时长策略的机械臂视觉伺服控制方法，其特征 在于，所述步骤（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； 所述广义单应性矩阵G如公式（1)所示：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； 所述狭义单应性矩阵H如公式（2)所示： H=K'GK似其中，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。3. 根据权利要求2所述一种基于迭代变时长策略的机械臂视觉伺服控制方法，其特征 在于， 所述步骤（2)中所述系统误差e如公式巧）（6) (7)所示： e= [e*ejT(5)Gr=vex(H-H(7)。4. 根据权利要求I所述一种基于迭代变时长策略的机械臂视觉伺服控制方法，其特征 在于，所述步骤（2)中所述的单应性图像特征由公式（4)定义：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。5. 根据权利要求1所述一种基于迭代变时长策略的机械臂视觉伺服控制方法，其特征 在于，所述步骤（3)中，所述P反馈控制器具体为：控制器输出巧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： ">)=-足0啦（（8) 其中，Kfd为反馈控制器的比例系数； 所述PID学习率迭代控制器具体为：控制器输出W与上次迭代的输出Uki(t)、系统 误差6ki(t)和系统误差变化率南_.1货关系如公式（9)所示： !</-(') = "W(0 +KpA-I(0 +Krf句-1 (') (9) 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； 所述控制器输出Uk(t)如公式（10)所示： 馬釣=皆货+嫂驗（10)6. 根据权利要求5所述一种基于迭代变时长策略的机械臂视觉伺服控制方法，其特征 在于，所述步骤（4)迭代变时长策略如公式（11)所示：C11) 其中，Tk为第k次的迭代时间，Td为跟踪轨迹的期望时间。
【专利摘要】本发明公开了一种基于变时长迭代的机械臂视觉伺服控制方法，包含以下步骤：1)以示教的方式获得一系列图片；2)得到当前图片和跟踪图片关系定义图像特征，以图像特征表达了机械臂的运动情况；3)基于机械臂运动学模型和相机模型建立视觉控制系统的相互关系模型，采用迭代前馈加反馈的控制方案；4)机械臂运行过程中出现目标物体不在视觉范围内，则此次迭代终止。本发明不要求在运动过程中目标持续可见，同时在一定程度上保证了机械臂能够精确跟踪目标图像。
【IPC分类】B25J9/16
【公开号】CN105196292
【申请号】CN201510648128
【发明人】刘山, 王冬梅
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月9日