基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，包括如下步驟：通過預先標定拍攝的標本圖像特征量及標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，獲取理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量誤差偏移量，并獲取理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值及標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量；以理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量誤差偏移量作為控制參考量，判斷機器人當前的運動區(qū)域，根據(jù)運動區(qū)域不同，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值或標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號，控制機器人循跡。
【專利說明】基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉機器人視覺伺服控制領域，尤其涉及一種基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法及裝置。
【背景技術】
[0002]在基于視覺伺服移動機器人前進和倒車循跡領域相關信息可以分為三類，(I)為應用全景車載攝像機進行機器人伺服控制，這種方法在機器人足球比賽中應用較為廣泛，該方案關鍵技術在于全景圖像的獲取，目前的全景圖像獲取方式較為流行的有四種，即云臺攝像機系統(tǒng)方案、特殊鏡頭攝像機方案、多臺攝像機組合方案以及多鏡頭組合方案，全景車載攝像機倒退循跡方案在長沙理工大學2010屆碩士研究生黃苗畢業(yè)論文《足球機器人全景視覺系統(tǒng)研究與設計》中描述較為詳細。所述方案選擇全景攝像機，該攝像機的系統(tǒng)構成復雜性高，分析其四種實現(xiàn)方式，可以得出結論全景攝像機的組成是一個非常復雜、精細的系統(tǒng)，因此導致了成本過高的問題，其次，全景攝像機一般為攝像機短時間內(nèi)拍攝多幅圖片進行圖像融合或者多個攝像機同時拍攝多幅攝像機進行圖像融合，因此相比單個攝像機的圖像處理過程，存在多出的多圖像信息融合以及處理信息融合帶來的無關背景噪音去除的過程，這就導致出現(xiàn)信號處理實時性低的缺點。
[0003](2)樂高的玩具機器人通過兩個灰度傳感器能夠實現(xiàn)簡單環(huán)境下的機器人前進和倒退循跡，該方案所述的雙灰度傳感器實現(xiàn)機器人倒車循跡，主要原理為機器人通過兩個灰度傳感器感知地面軌跡與背景反射的不同光線，進而提取出軌跡特征信息、確定機器人偏離軌跡的程度，將感知信息傳輸至主控機對機器人進行控制，實現(xiàn)前進倒退循跡。該方案所采用的雙灰度傳感器，只能區(qū)分環(huán)境中特征區(qū)別非常明顯的軌跡，如黑白背景與軌跡，而實際環(huán)境遠遠比這種環(huán)境要復雜，因此該方案存在實用性差的缺點。
[0004](3)其他機器人前進倒退循跡實現(xiàn)方式一般需要同時安裝前后兩個攝像機，通過當前所用視覺信息攝像機的切換完成機器人前進倒退循跡。該方案是全景攝像機的一種特殊形式，該方案在機器人前后各放置一個攝像機，通過切換提供當前控制所使用的圖像信息的攝像機，以在機器人前進循跡與倒退循跡之間進行切換，具體的講就是當機器人需要實現(xiàn)前進循跡功能時，主控機自動將采集信號攝像機置為機器人前的攝像機上，利用前的攝像機采集伺服信息，進而提取軌跡信息供控制器利用，控制機器人完成前進循跡；當機器人需要實現(xiàn)倒退循跡功能時，主控機自動將采集信號攝像機置為機器人身后的攝像機上，利用身后的攝像機采集伺服信息，進而提取軌跡信息供控制器利用，控制機器人完成倒退循跡。該方案使用的前后雙視覺傳感器，需要兩個攝像機及圖像信號傳輸接口，存在系統(tǒng)復雜、成本高的缺點。以上三種方案中采用的控制策略都不容易到達比較高的循跡精度，讓機器人沿著軌跡搖擺而不能實現(xiàn)機器人的平滑前進和倒退。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以上問題，本發(fā)明提供一種基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，實現(xiàn)利用一個機器人前置的車載攝像機(非全景攝像機)提取機器人循跡軌跡信息，設計機器人前進后退循跡伺服控制器實現(xiàn)機器人前進后退循跡克服了攝像機標定及近似處理導致的不精確參數(shù)的影響，保證了機器人的循跡的穩(wěn)定性，光滑性和準確性。
[0006]該方法包括如下步驟:
[0007]步驟SI，通過預先標定拍攝的標本圖像特征量及標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，獲取理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，并獲取理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值及標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量；
[0008]步驟S2，以理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量誤差偏移量作為控制參考量，判斷機器人當前的運動區(qū)域，根據(jù)運動區(qū)域不同，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器或以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，控制機器人循跡。
[0009]進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，設計機器人控制器的方法，包括，
[0010]當機器人位于適中誤差區(qū)域或較小誤差區(qū)域，以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，控制機器人循跡；
[0011]當機器人位于較大誤差區(qū)域，將反饋控制信號切換為以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量所設計的循跡控制器，控制機器人向軌跡靠近，當進入適中誤差區(qū)域后，再將反饋控制信號切換為理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值。
[0012]進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，包括將實際物理空間近似為理想物理空間。
[0013]進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，設計以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器的方法，包括，
[0014]以一恒定常數(shù)設置機器人前向參考速度值，保持向前參考速度矢量方向；
[0015]以機器人攝像機所成圖像為標本，以近軌跡點成像在標本圖像中的實際位置與理想位置的差與預先設定比例系數(shù)的乘積設置機器人轉向速度值，保持轉向速度矢量方向；
[0016]以機器人向前參考速度和機器人線速度的矢量差設置左輪電機線速度矢量；
[0017]以機器人向前參考速度和機器人線速度的矢量和設置右輪電機線速度矢量；
[0018]其中，機器人線速度矢量由機器人轉向角速度矢量和機器人運動半徑之積確定。在實際作業(yè)中，機器人運動半徑為機器人左輪和右輪軸心距離的一半。
[0019]進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，所述標定拍攝的標本圖像特征量，包括，
[0020]步驟Z11，標定遠軌跡點成像在標本圖像中的實際位置和在標本圖像中的理想位置；
[0021]步驟Z12，標定近軌跡點成像在標本圖像中的實際位置和在標本圖像中的理想位置。
[0022]進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，所述標定標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，包括，[0023]步驟Z21，測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域內(nèi)機器人旋轉中心到近端線的距離；
[0024]步驟Z22，測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域內(nèi)的近端線與遠端線之間的距離；
[0025]步驟Z23，取實際軌跡與近端線的交點為近軌跡點，測量近端線的左端點與近軌跡點之間的距離，測量近端線的右端點與近軌跡點之間的距離；
[0026]步驟Z24，計算所測量的近端線的左端點與近軌跡點之間的距離與所測量的近端線的右端點與近軌跡點之間的距離之和為近端線長度；
[0027]步驟Z25，取實際軌跡與遠端線的交點為遠軌跡點，測量遠端線的左端點與遠軌跡點之間的距離，測量遠端線的右端點與遠軌跡點之間的距離；
[0028]步驟Z26，計算所測量的遠端線的左端點與遠軌跡點之間的距離與所測量的遠端線的右端點與遠軌跡點之間的距離之和為遠端線長度。
[0029]進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，所述以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，包括，
[0030]步驟S11，計算標本圖像中的遠軌跡點成像位置誤差量，S卩，遠軌跡點對應在標本圖像中實際位置和在標本圖像中的理想位置之間的誤差量；
[0031]步驟S12，計算標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量，S卩，近軌跡點對應在標本圖像中實際位置和在標本圖像中的理想位置之間的誤差量；
[0032]步驟S13，將遠軌跡點成像位置誤差量進一步按比例還原在對應理想物理空間下的遠軌跡點位置誤差量，具體地，由長度比例系數(shù)與遠軌跡點成像位置誤差量乘積即為在對應理想物理空間下的遠軌跡點位置誤差量，其中長度比例系數(shù)由遠端線長度與圖像像素的寬度值的比值確定；
[0033]步驟S14，將近軌跡點成像位置誤差量進一步按比例還原在對應理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量，具體地，由寬度比例系數(shù)與近軌跡點成像位置誤差量乘積即為在對應理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量，其中寬度比例系數(shù)由近端線長度與圖像像素的寬度值的比值確定；
[0034]步驟S15，計算理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值，具體地，由步驟S13中遠軌跡點位置誤差量與步驟S14中近軌跡點位置誤差量的差值作為分子，由測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域的近端線與遠端線之間的距離作分母；
[0035]步驟S16，計算理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，具體地，包括，
[0036]步驟S161，計算理想物理空間下機器人的朝向誤差量，S卩，取步驟Z21中，理想物理空間區(qū)域內(nèi)機器人旋轉中心到近端線的距離與步驟S15獲取的機器人朝向與軌跡所成角的正切值之間的乘積。
[0037]步驟S162，計算理想物理空間下機器人的朝向誤差量與近軌跡點誤差量之間的誤差偏移量，更進一步地，取步驟S14理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量與步驟S161中所獲取的理想物理空間下機器人的朝向誤差量之間的差值即為理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量。[0038]進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，包括，對應機器人的運行區(qū)域進行劃分，具體包括劃分為較大誤差區(qū)域，適中誤差區(qū)域和較小誤差區(qū)域，將機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量對應機器人所在的運動區(qū)域進行特征劃分，包括，較大誤差區(qū)間，適中誤差間和較小誤差區(qū)間，其中，較大誤差區(qū)間又包括左側較大誤差區(qū)間和右側較大誤差區(qū)間，適中誤差區(qū)間又包括左側適中誤差區(qū)間和右側適中誤差區(qū)間，較小誤差區(qū)間又包括左側較小誤差區(qū)間和右側較小誤差區(qū)間；較大誤差區(qū)間與適中誤差區(qū)間之間以左側大臨界限與右側大臨界限區(qū)分，適中誤差區(qū)間與較小誤差區(qū)間之間以左側小臨界限與右側小臨界限區(qū)分。
[0039]更進一步地，所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，包括，
[0040]步驟S21，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在較小誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于較小誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而使理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于零；
[0041]步驟S22，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在左側適中誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于左側適中誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而調(diào)節(jié)理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于第一特征值，使機器人進入較小誤差區(qū)域；
[0042]步驟S23，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在右側適中誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于右側適中誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而調(diào)節(jié)理想物理空間下機器人朝向與循跡軌跡所成角的正切值趨向于第二特征值，使機器人進入較小誤差區(qū)域；
[0043]步驟S24，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在較大誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于較大誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，使機器人進入適中誤差區(qū)域。
[0044]將標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量分為第一特征區(qū)間，第二特征區(qū)間，第三特征區(qū)間，第一特征區(qū)間表示機器人位于左側較大誤差區(qū)域內(nèi)，第二特征區(qū)間表示機器人位于適中誤差區(qū)域及較小誤差區(qū)域覆蓋的范圍，第三特征區(qū)間表示機器人位于右側較大誤差區(qū)域。
[0045]當機器人位于左側較大誤差區(qū)域內(nèi)，此時標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量在第一特征區(qū)間內(nèi)，當前主要控制任務為控制機器人迅速靠近左側適中誤差區(qū)域，不論當前任務狀態(tài)是處于前進還是后退，機器人停止當前動作，并自動切換進入以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量設計的循跡控制器，當標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量落入第二誤差區(qū)間的范圍，機器人重新切換至循跡過程控制，按照步驟S21至步驟S23對應調(diào)整機器人循跡。
[0046]當機器人位于右側較大誤差區(qū)域內(nèi)，此時標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量在第三特征區(qū)間內(nèi)，當前主要控制任務為控制機器人迅速靠近右側適中誤差區(qū)域，不論當前任務狀態(tài)是處于前進還是后退，機器人停止當前動作，并自動切換進入以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量設計的循跡控制器，當標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量落入第三誤差區(qū)間的范圍，機器人重新切換至循跡過程控制，按照步驟S21至步驟S23對應調(diào)整機器人循跡。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制裝置，包括，
[0048]循跡特征量標定模塊,用于標定拍攝的標本圖像特征量及標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，獲取理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，并獲取理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值及標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量；
[0049]循跡控制模塊，以理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量誤差偏移量作為控制參考量，判斷機器人當前的運動區(qū)域，根據(jù)運動區(qū)域不同，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器或以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，控制機器人循跡。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0051]圖1是理想物理空間的機器人成像區(qū)域圖及對應的標本圖像；
[0052]圖2是標定理想物理空間的機器人成像區(qū)域圖特征量及對應的標本圖像表特征量;
[0053]圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的機器人的循跡控制方法流程圖；
[0054]圖4是機器人位于較小誤差區(qū)域內(nèi)機器人循跡控制圖；
[0055]圖5是機器人位于左側較大誤差區(qū)域內(nèi)機器人循跡控制圖；
[0056]圖6是機器人位于右側較大誤差區(qū)域內(nèi)機器人循跡控制圖；
[0057]圖7是第二實施例的機器人的循跡控制模塊圖。
【具體實施方式】
[0058]以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明的是，只要不構成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0059]第一實施例
[0060]圖1是理想物理空間的機器人成像區(qū)域圖及對應的標本圖像，下面根據(jù)圖1、圖2及圖3詳細說明本實施例的各個步驟。
[0061]首先以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量設計循跡控制器:
[0062]以一恒定常數(shù)設置機器人前向參考速度值，保持向前參考速度矢量方向；
[0063]以機器人攝像機所成圖像為標本，以近軌跡點成像在標本圖像中的實際位置與理想位置的差與預先設定比例系數(shù)的乘積設置機器人轉向速度值，保持轉向速度矢量方向；[0064]近軌跡點成像在標本圖像中的實際位置為機器人車載攝像機所成圖像中軌跡在最后一行成像所在的像素位置，一般取理想位置為圖像中點位置；
[0065]以機器人向前參考速度和機器人線速度的矢量差設置左輪電機線速度矢量；
[0066]以機器人向前參考速度和機器人線速度的矢量和設置右輪電機線速度矢量；
[0067]其中，機器人線速度矢量由機器人轉向角速度矢量和機器人運動半徑之積確定。在實際作業(yè)中，機器人運動半徑為機器人左輪和右輪軸心距離的一半。
[0068]結合圖1中的標本圖像及標本圖像對應的理想物理空間下所需要標定的特征量:
[0069]u表示遠軌跡點成像在標本圖像中的實際位置；U0表示遠軌跡點成像在標本圖像中的理想位置；
[0070]V表示近軌跡點成像在標本圖像中的實際位置；V0表示近軌跡點成像在標本圖像中的理想位置；
[0071 ] U表示理想物理空間下的遠軌跡點；V表示理想物理空間下的近軌跡點；
[0072]d6表示測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域內(nèi)機器人旋轉中心到近端線的距離；
[0073]d5表示測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域內(nèi)的近端線與遠端線之間的距離；
[0074]d3表示測量近端線的左端點與近軌跡點之間的距離，d4表示測量近端線的右端點與近軌跡點之間的距離；
[0075]計算所測量的近端線的左端點與近軌跡點之間的距離與所測量的近端線的右端點與近軌跡點之間的距離之和為近端線長度，即d3+d4 ；
[0076]dl表示測量遠端線的左端點與遠軌跡點之間的距離，d2表示測量遠端線的右端點與遠軌跡點之間的距離；
[0077]計算所測量的遠端線的左端點與遠軌跡點之間的距離與所測量的遠端線的右端點與遠軌跡點之間的距離之和為遠端線長度，即dl+d2。
[0078]按照如下步驟說明設計以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器的方法:
[0079]步驟S11，計算標本圖像中的遠軌跡點成像位置誤差量，S卩，遠軌跡點對應在標本圖像中實際位置和在標本圖像中的理想位置之間的誤差量，即U-UO ；
[0080]步驟S12，計算標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量，S卩，近軌跡點對應在標本圖像中實際位置和在標本圖像中的理想位置之間的誤差量，即v-VO ；
[0081]步驟S13，將遠軌跡點成像位置誤差量進一步按比例還原在對應理想物理空間下的遠軌跡點位置誤差量，具體地，由長度比例系數(shù)與遠軌跡點成像位置誤差量乘積即為在對應理想物理空間下的遠軌跡點位置誤差量，其中，長度比例系數(shù)由遠端線長度與圖像像素的寬度值的比值確定；
[0082]步驟S14，將近軌跡點成像位置誤差量進一步按比例還原在對應理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量，具體地，由寬度比例系數(shù)與近軌跡點成像位置誤差量乘積即為在對應理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量，其中，寬度比例系數(shù)由近端線長度與圖像像素的寬度值的比值確定；
[0083]步驟S15，計算理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值，具體地，由步驟S13中遠軌跡點位置誤差量與步驟S14中近軌跡點位置誤差量的差值作為分子，由測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域的近端線與遠端線之間的距離作分母；
[0084]步驟S16，計算理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，具體地，包括，
[0085]步驟S161，計算理想物理空間下機器人的朝向誤差量，S卩，取步驟Z21中，理想物理空間區(qū)域內(nèi)機器人旋轉中心到近端線的距離與步驟S15獲取的機器人朝向與軌跡所成角的正切值之間的乘積。
[0086]步驟S162，計算理想物理空間下機器人的朝向誤差量與近軌跡點誤差量之間的誤差偏移量，更進一步地，取步驟S14理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量與步驟S161中所獲取的理想物理空間下機器人的朝向誤差量之間的差值即為理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量。
[0087]進一步地，對理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量進行區(qū)間劃分，具體結合試驗進行劃分，具體包括，對應機器人的運行區(qū)域進行劃分，具體包括劃分為較大誤差區(qū)域，適中誤差區(qū)域和較小誤差區(qū)域，將機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量對應機器人所在的運動區(qū)域進行特征劃分，包括，較大誤差區(qū)間，適中誤差間和較小誤差區(qū)間，其中，較大誤差區(qū)間又包括左側較大誤差區(qū)間和右側較大誤差區(qū)間，適中誤差區(qū)間又包括左側適中誤差區(qū)間和右側適中誤差區(qū)間，較小誤差區(qū)間又包括左側較小誤差區(qū)間和右側較小誤差區(qū)間；較大誤差區(qū)間與適中誤差區(qū)間之間以左側大臨界限與右側大臨界限區(qū)分，適中誤差區(qū)間與較小誤差區(qū)間之間以左側小臨界限與右側小臨界限區(qū)分。
[0088]步驟S21，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在較小誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于較小誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而使理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于零。當機器人位于較小誤差區(qū)域時，機器人控制目的為通過控制器使得使理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于0，如附圖4所示，其中，機器人位于較小誤差區(qū)域內(nèi)且位于軌跡左側時，當前主要控制任務為調(diào)整機器人姿態(tài)使機器人平行于軌跡，即附圖4中第(I)幅子圖中機器人應當右轉，第(2)幅子圖中機器人保持姿態(tài)或很慢的轉動；第(3)幅子圖中機器人應當左轉；機器人位于較小誤差區(qū)域且位于軌跡右側時，當前主要控制任務為調(diào)整機器人姿態(tài)使機器人平行于軌跡，即附圖4中第(4)幅子圖中機器人應當左轉，第(5)幅子圖中機器人保持姿態(tài)；第(6)幅子圖中機器人應當右轉。該步所述的機器人轉動并非恒定轉速，而是根據(jù)誤差大小進行調(diào)整的轉速進行轉動；
[0089]步驟S22，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在左側適中誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于左側適中誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而調(diào)節(jié)理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于第一特征值，使機器人進入較小誤差區(qū)域；
[0090]當機器人位于左側適中誤差區(qū)域時，機器人控制目的為通過控制器使得理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向第一特征值。如圖5所示，機器人位于左側適中誤差區(qū)域內(nèi)，當前主要控制任務為控制機器人迅速靠近軌跡，因此首先控制機器人使得機器人朝向軌跡，即圖5中子圖5(1)、5(2)的機器人首先向子圖5(3)的趨勢調(diào)整姿態(tài)，當調(diào)整到一定的合適值，即第一特征值，機器人停止調(diào)整姿態(tài)；當機器人調(diào)整過程中大于第一特征值時，需要一個反方向的調(diào)整過程；對于子圖5(3)中的機器人，調(diào)整趨勢同樣是朝著接近第一特征值的趨勢調(diào)整。該步所述的機器人轉動并非恒定轉速，而是根據(jù)誤差大小進行調(diào)整的轉速進行轉動；
[0091]步驟S23，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在右側適中誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于右側適中誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而調(diào)節(jié)理想物理空間下機器人朝向與循跡軌跡所成角的正切值趨向于第二特征值，使機器人進入較小誤差區(qū)域。
[0092]當機器人位于右側適中誤差區(qū)域時，機器人控制目的為通過控制器使得理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于第二特征值。如圖6所示，機器人位于右側適中誤差區(qū)域內(nèi)時，當前主要控制任務為控制機器人迅速靠近軌跡，因此首先控制機器人使得機器人朝向軌跡，即圖6中子圖6(1)、6(2)的機器人首先向子圖6(3)的趨勢調(diào)整姿態(tài)，當調(diào)整到一定的合適值，即第二特征值時，機器人停止調(diào)整姿態(tài)；當機器人調(diào)整過程中大于第二特征值時，需要一個反方向的調(diào)整過程；對于子圖6(3)中的機器人，調(diào)整趨勢同樣是朝著接近第二特征值的趨勢調(diào)整。該步所述的機器人轉動并非恒定轉速，而是根據(jù)誤差大小進行調(diào)整的轉速進行轉動；
[0093]步驟S24，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在較大誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于較大誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，使機器人進入適中誤差區(qū)域。將標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量分為第一特征區(qū)間，第二特征區(qū)間，第三特征區(qū)間，第一特征區(qū)間表示機器人位于左側較大誤差區(qū)域內(nèi)，第二特征區(qū)間表示機器人位于適中誤差區(qū)域及較小誤差區(qū)域覆蓋的范圍，第三特征區(qū)間表示機器人位于右側較大誤差區(qū)域；
[0094]當機器人位于左側較大誤差區(qū)域內(nèi)，此時標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量在第一特征區(qū)間內(nèi)，當前主要控制任務為控制機器人迅速靠近左側適中誤差區(qū)域，不論當前任務狀態(tài)是處于前進還是后退，機器人停止當前動作，并自動切換進入以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量設計的循跡控制器，當標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量落入第二誤差區(qū)間的范圍，機器人重新切換至循跡過程控制，按照步驟S21至步驟S23對應調(diào)整機器人循跡；
[0095]當機器人位于右側較大誤差區(qū)域內(nèi)，此時標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量在第三特征區(qū)間內(nèi)，當前主要控制任務為控制機器人迅速靠近右側適中誤差區(qū)域，不論當前任務狀態(tài)是處于前進還是后退，機器人停止當前動作，并自動切換進入以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量設計的循跡控制器，當標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量落入第三誤差區(qū)間的范圍，機器人重新切換至循跡過程控制，按照步驟S21至步驟S23對應調(diào)整機器人循跡。
[0096]第二實施例
[0097]圖7是機器人的循跡控制模塊圖，下面參照圖7對該實施例進行說明。本發(fā)明中，主要包括循跡特征量標定模塊21和循跡控制模塊22。
[0098]循跡特征量標定模塊21,用于標定拍攝的標本圖像特征量及標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，獲取理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，并獲取理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值及標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量；
[0099]循跡控制模塊22，循跡控制模塊，以理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量誤差偏移量作為控制參考量，判斷機器人當前的運動區(qū)域，根據(jù)運動區(qū)域不同，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器或以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，控制機器人循跡。
[0100]本領域的技術人員應該明白，上述的本發(fā)明的各模塊或各步驟可以用通用的單片機裝置來實現(xiàn)，這樣，本發(fā)明不限制于任何特定的硬件和軟件結合。
[0101]雖然本發(fā)明所揭露的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬【技術領域】內(nèi)的技術人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
【權利要求】
1.基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟SI，通過預先標定拍攝的標本圖像特征量及標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，獲取理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，并獲取理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值及標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量； 步驟S2，以理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量誤差偏移量作為控制參考量，判斷機器人當前的運動區(qū)域，根據(jù)運動區(qū)域不同，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器或以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，控制機器人循跡。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，其特征在于，包括， 當機器人位于適中誤差區(qū)域或較小誤差區(qū)域，以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，控制機器人循跡； 當機器人位于較大誤差區(qū)域，將反饋控制信號切換為以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量所設計的循跡控制器，控制機器人向軌跡靠近，當進入適中誤差區(qū)域后，再將反饋控制信號切換為理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，包括將實際物理空間近似為理想 物理空間。
4.根據(jù)權利要求1和2所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，設計以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器的方法，包括， 以一恒定常數(shù)設置機器人前向參考速度值，保持向前參考速度矢量方向； 以機器人攝像機所成圖像為標本，以近軌跡點成像在標本圖像中的實際位置與理想位置的差與預先設定比例系數(shù)的乘積設置機器人轉向速度值，保持轉向速度矢量方向； 以機器人向前參考速度和機器人線速度的矢量差設置左輪電機線速度矢量； 以機器人向前參考速度和機器人線速度的矢量和設置右輪電機線速度矢量。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，所述標定拍攝的標本圖像特征量，包括， 步驟ZlI，標定遠軌跡點成像在標本圖像中的實際位置和在標本圖像中的理想位置； 步驟Z12，標定近軌跡點成像在標本圖像中的實際位置和在標本圖像中的理想位置。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，所述標定標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，包括， 步驟Z21，測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域內(nèi)機器人旋轉中心到近端線的距離； 步驟Z22，測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域內(nèi)的近端線與遠端線之間的距離；步驟Z23，取實際軌跡與近端線的交點為近軌跡點，測量近端線的左端點與近軌跡點之間的距離，測量近端線的右端點與近軌跡點之間的距離； 步驟Z24，計算所測量的近端線的左端點與近軌跡點之間的距離與所測量的近端線的右端點與近軌跡點之間的距離之和為近端線長度； 步驟Z25，取實際軌跡與遠端線的交點為遠軌跡點，測量遠端線的左端點與遠軌跡點之間的距離，測量遠端線的右端點與遠軌跡點之間的距離； 步驟Z26，計算所測量的遠端線的左端點與遠軌跡點之間的距離與所測量的遠端線的右端點與遠軌跡點之間的距離之和為遠端線長度。
7.根據(jù)權利要求1和2所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，設計以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器的方法，包括， 步驟S11，計算標本圖像中的遠軌跡點成像位置誤差量，即，遠軌跡點對應在標本圖像中實際位置和在標本圖像中的理想位置之間的誤差量； 步驟S12，計算標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量，即，近軌跡點對應在標本圖像中實際位置和在標本圖像 中的理想位置之間的誤差量； 步驟S13，將遠軌跡點成像位置誤差量進一步按比例還原在對應理想物理空間下的遠軌跡點位置誤差量，具體地，由長度比例系數(shù)與遠軌跡點成像位置誤差量乘積即為在對應理想物理空間下的遠軌跡點位置誤差量，其中長度比例系數(shù)由遠端線長度與圖像像素的寬度值的比值確定； 步驟S14，將近軌跡點成像位置誤差量進一步按比例還原在對應理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量，具體地，由寬度比例系數(shù)與近軌跡點成像位置誤差量乘積即為在對應理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量，其中寬度比例系數(shù)由近端線長度與圖像像素的寬度值的比值確定； 步驟S15，計算理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值，具體地，由步驟S13中遠軌跡點位置誤差量與步驟S14中近軌跡點位置誤差量的差值作為分子，由測量標本圖像對應的理想物理空間區(qū)域的近端線與遠端線之間的距離作分母； 步驟S16，計算理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，具體地，包括， 步驟S161，計算理想物理空間下機器人的朝向誤差量，即，取步驟Z21中，理想物理空間區(qū)域內(nèi)機器人旋轉中心到近端線的距離與步驟S15獲取的機器人朝向與軌跡所成角的正切值之間的乘積； 步驟S162，計算理想物理空間下機器人的朝向誤差量與近軌跡點誤差量之間的誤差偏移量，更進一步地，取步驟S14理想物理空間下的近軌跡點位置誤差量與步驟S161中所獲取的理想物理空間下機器人的朝向誤差量之間的差值即為理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量。
8.根據(jù)權利要求1和6所述的基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制方法，包括， 步驟S21，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在較小誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于較小誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而使理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于零； 步驟S22，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在左側適中誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于左側適中誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而調(diào)節(jié)理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值趨向于第一特征值，使機器人進入較小誤差區(qū)域； 步驟S23，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量在右側適中誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于右側適中誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，通過機器人控制器調(diào)節(jié)機器的轉向從而調(diào)節(jié)理想物理空間下機器人朝向與循跡軌跡所成角的正切值趨向于第二特征值，使機器人進入較小誤差區(qū)域； 步驟S24，當機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移V量在較大誤差區(qū)間內(nèi)，此時機器人位于較大誤差區(qū)域內(nèi)，選擇以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，使機器人進入適中誤差區(qū)域。
9.基于位姿誤差的視覺伺服機器人的循跡控制裝置，包括， 循跡特征量標定模塊，用于標定拍攝的標本圖像特征量及標本圖像對應的實際物理空間轉換得到的理想物理空間中的特征量，獲取理想物理空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的誤差偏移量，并獲取理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值及標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量； 循跡控制模塊，以理想物理 空間下機器人的近軌跡點位置誤差量與朝向誤差量之間的偏移量誤差偏移量作為控制參考量，判斷機器人當前的運動區(qū)域，根據(jù)運動區(qū)域不同，選擇以理想物理空間下機器人朝向與軌跡所成角的正切值作為反饋控制信號所設計的循跡控制器或以標本圖像中的近軌跡點成像位置誤差量作為反饋控制信號所設計的循跡控制器，控制機器人循跡。
【文檔編號】G05D1/02GK104007761SQ201410183390
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權日:2014年4月30日
【發(fā)明者】張敬良, 王寶磊, 董勤波, 賈慶偉 申請人:寧波韋爾德斯凱勒智能科技有限公司