視覺(jué)伺服的6自由度機(jī)械手的3 - D簡(jiǎn)介一， 導(dǎo)言在工業(yè)應(yīng)用中，許多機(jī)器人任務(wù)，包括在后沿配置文件路徑，例如，作出焊接沿邊緣聯(lián)合分發(fā)在一輛汽車(chē)大門(mén)上密封條的膠，并消除了金屬鑄造件或聚合物沿邊緣的毛刺。對(duì)于這方面的任務(wù)，在今天的工業(yè)應(yīng)用上機(jī)器人必須輸入運(yùn)營(yíng)商的程序，按照準(zhǔn)確的軌跡運(yùn)行。一個(gè)外部視覺(jué)傳感器的使用，再加上像照相機(jī)的電荷器件（CCD），可能會(huì)非常有助于控制和結(jié)束機(jī)器人的工作，使其保持在同一場(chǎng)合關(guān)于配置文件的使用。事實(shí)上，以視覺(jué)伺服，既沒(méi)有必要了解配置文件的精確曲率，或其關(guān)于機(jī)器人的坐標(biāo)框架。機(jī)器人會(huì)自動(dòng)遵循簡(jiǎn)介的配置文件。本文介紹這樣一個(gè)視覺(jué)伺服應(yīng)用程序，其中我們假設(shè)只有配置文件的截面輪廓為已知立場(chǎng)一致的配置。存在一些與以往工程簡(jiǎn)介處理的有，例如：模擬顯示其目的在于以下道路模型由三條平行線構(gòu)成。該相機(jī)必須留在中心右手邊用來(lái)定義關(guān)于道路的線高度和正確的道路方向。這說(shuō)明了用一個(gè)圖像模擬的方法來(lái)配置功能直線的共面線。這是一個(gè)二維（2 - D型）線，以下實(shí)驗(yàn)中的線是可彎曲的，但始終保持在一個(gè)平面平行在攝像機(jī)的圖像平面。其他工程涉及到對(duì)個(gè)人資料三維（3 - D型）重建，例如：在文獻(xiàn)3,4的基礎(chǔ)上,作者們處理了三維重建道路的自主駕駛的交通工具。這是一個(gè)配置文件，以下是有限度的兩個(gè)任務(wù)自由（2自由度），具體到與假設(shè)所特有的這種應(yīng)用程序的類(lèi)型（例如，該相機(jī)就距離道路是一個(gè)已知的常數(shù)），不能用在我們的問(wèn)題。本文的一個(gè)主要貢獻(xiàn)是一個(gè)三維彎曲的文件，因?yàn)橐郧暗淖髌肥歉鶕?jù)彎曲的側(cè)面、平面和剖面處理文獻(xiàn)2，1。在本文中，我們假設(shè)文件包含至少有三個(gè)平行曲線或邊緣。我們建議一個(gè)方法從圖像輪廓的邊緣估算攝像機(jī)的位置。平行邊之間的距離必須清楚,但是這個(gè)曲率的輪廓未知。我們使用基于位置的控制策略來(lái)控制視覺(jué)循環(huán)（見(jiàn)5 - 9）。該方法中，我們提出的重建的姿態(tài)是根據(jù)確定的切線向量輪廓在當(dāng)前的橫截面(見(jiàn)圖1)。一個(gè)問(wèn)題是我們必須解決的電流橫截面,即截面輪廓相對(duì)于當(dāng)前的姿勢(shì)。這種電流變截面應(yīng)該沿著剖面的的速度要求。不幸的是視覺(jué)系統(tǒng)在剖面圖的方向不能給速度和位置測(cè)量。因此，我們更多的使用對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的測(cè)量是為了控制沿剖面位移速度。兩個(gè)控制器進(jìn)行了視覺(jué)伺服循環(huán):一個(gè)比例加積分(PI)控制器和一個(gè)廣義的預(yù)測(cè)控制器。調(diào)音技術(shù)用于GPC研究的描述了一個(gè)相同10和11。GPC上展出性能優(yōu)于PI,多虧了這樣一個(gè)事實(shí):它考慮到了動(dòng)態(tài)的機(jī)械手。另外,在考慮了控制器在地震剖面曲率變化的電流十字架部分。這種超前的視覺(jué)功能，循環(huán)使用視覺(jué)信息預(yù)測(cè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是這項(xiàng)工作的另一個(gè)貢獻(xiàn)。該文件分為三個(gè)部分。第一部分介紹如何推導(dǎo)出構(gòu)成的輪廓和照相機(jī)之間的關(guān)系。在第二部分，給出了整個(gè)視覺(jué)伺服回路模型。最后，第三部分仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。二，計(jì)算姿態(tài)的矢量1. 背景材料和方法因此,如果我們假設(shè)型材斷面包含邊界,通常情況下在工業(yè)應(yīng)用中,切線這些邊緣點(diǎn)屬于相同的橫截面平行一起并且平行于參考曲線。在三維空間中,至少有三個(gè)平行線需要重建之間的轉(zhuǎn)換框架連接到照相機(jī)和一架附件的平行線,從這個(gè)角度來(lái)看這些線投影在攝影機(jī)框架(這一點(diǎn)了II-C節(jié))。讓我們考慮以下一般透視投影理所應(yīng)得的一筆財(cái)產(chǎn)。性質(zhì)2:透視投影的切線:這個(gè)觀點(diǎn)投射的切線方向?qū)?shù)曲線在三維在這個(gè)空間曲線的切線方向是一致的投影曲線點(diǎn)等于投射。這個(gè)屬性是證明在12。在此基礎(chǔ)上的財(cái)產(chǎn),我們要找到在圖像的預(yù)測(cè),分同樣的橫截面。在這些地點(diǎn)的切線的邊緣輪廓的預(yù)測(cè)是那么的投射邊緣輪廓線切線是在三維空間,這是相似的,因?yàn)樗麄儗儆谙嗤臋M截面。因此,以確定三個(gè)平行線的輪廓,切線是必要的影像中找到三分,是預(yù)期的三分在三維空間屬于某個(gè)特定的橫截面。這樣做,我們假設(shè)投射在圖像邊緣有一個(gè)小曲率。一個(gè)小錯(cuò)誤的決心這些觀點(diǎn)然后產(chǎn)量是微不足道的誤差檢測(cè)切線,如圖3(b)。因此,估計(jì)的十字架授權(quán)許可部分可以垂直中央邊緣一個(gè)偉大的錯(cuò)誤產(chǎn)生的估計(jì)切線。它是那么足夠的切線識(shí)別圖像的十字路口這個(gè)估計(jì)截面之間的輪廓的放映,邊,以重建的電流之間的交叉的姿勢(shì)部分和照相機(jī)。2. 建模資料和投影正如前面章節(jié)中,重建過(guò)程的姿勢(shì)和照相機(jī)之間是基于輪廓在放映的切線的輪廓的邊緣屬于當(dāng)前的橫截面。摘要為了準(zhǔn)確衡量這些切線,曲線在圖像模擬高階多項(xiàng)式。圖4顯示的圖象處理工作。在初步全球檢測(cè)的特點(diǎn),采用多項(xiàng)式的形象模型的基礎(chǔ)上確定的曲線。每個(gè)測(cè)試、區(qū)域AOIs),然后根據(jù)沿著每個(gè)曲線獲得對(duì)多項(xiàng)式模型。TheseAOIs是選中的位置在過(guò)去的曲線的形象。然后進(jìn)行邊緣檢測(cè)這些AOIs和中心所有的點(diǎn)的大規(guī)模的梯度比一閾值計(jì)算。在理論上,這種質(zhì)心的歸屬中間的相應(yīng)的曲線。在我們的試驗(yàn)中,9 AOIs處理,使9分屬于曲線(見(jiàn)圖4)。所有這些觀點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)然后使用能夠找到最好的多項(xiàng)式逼近的嗎曲線與最小二乘法。最后,切線在當(dāng)前的截面曲線的計(jì)算。三，簡(jiǎn)介任務(wù) 1. 控制沿剖面的位置圖像不給任何信息關(guān)于這個(gè)職位的簡(jiǎn)介。人們可以簡(jiǎn)單地把以恒定速度在剖面方向上的基礎(chǔ)約束添加在開(kāi)環(huán)約束上，該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)為圖像1，即中心項(xiàng)目。這個(gè)方法將完美地應(yīng)用工作時(shí)的平面輪廓。然而在某些情況下,當(dāng)輪廓曲線的速度限制可以補(bǔ)償環(huán)路其它的自由度控制。這就產(chǎn)生了穩(wěn)定的限制，然而該機(jī)器人在沿著剖面方向上將沒(méi)辦法繼續(xù)下面的任務(wù)。因此,為了準(zhǔn)確地跟隨恒定的輪廓速度和位置，沿剖面必須加以控制。因此,我們必須有一個(gè)測(cè)量沿剖面位置的儀器。為了這個(gè)目的,我們使用的運(yùn)動(dòng)模型的參數(shù)將準(zhǔn)確地估計(jì)機(jī)器人對(duì)應(yīng)于當(dāng)前的橫截面的位置。這個(gè)參數(shù)是直接連接到在這個(gè)位置的剖面。圖7這個(gè)步驟說(shuō)明所需估計(jì)目前的位置,即截面位置的框架。讓齊次變換之間的這個(gè)框架連接到基地的機(jī)器人(見(jiàn)圖),。這個(gè)框架相連的橫截面是用來(lái)制造的在先前的采樣測(cè)量的瞬間位置。我們注意它的齊次變換間的框架附在連接到鏡頭的基地和框架,獲得了通過(guò)計(jì)算全測(cè)地子流形的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,在其先前的用關(guān)節(jié)位置測(cè)量的位置。事實(shí)上,這些條件沒(méi)有滿(mǎn)足。因此,這個(gè)職位必須由目前的視覺(jué)測(cè)量。這個(gè)目的是表達(dá)在攝影機(jī)框架那里得到的位置，展現(xiàn)出計(jì)算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的特點(diǎn),在目前的位置定義和齊次變換一個(gè)理論垂直平面,垂直的方向文件將跟蹤任務(wù),指出目前的十字架部分不正確的地方。我們必須找出在當(dāng)前圖像的屬于垂直方向上的投射型材斷面。這樣做是描述圖 8這個(gè)迭代算法。迭代算法試圖找到位置參考平面，由標(biāo)參數(shù)見(jiàn)（18）確定。在下文中，附加的下標(biāo)是指“采取的第迭代步驟?！耙虼?，估計(jì)值是第一步迭代用來(lái)參考平面相交在影像中央的邊緣點(diǎn)。2. 視覺(jué)伺服回路這個(gè)圖描述了視覺(jué)伺服回路，視覺(jué)信息從相機(jī)上提供了一種估計(jì)方法，攝影機(jī)框架和電流橫截面上之間的轉(zhuǎn)換。這是個(gè)齊次值乘逆的轉(zhuǎn)換(是參考理想職位的攝影機(jī)框架)。這是在初始化開(kāi)始的時(shí)候,與視覺(jué)伺服任務(wù)的這個(gè)姿勢(shì)是相機(jī)和橫截面投影在中間的形象。因此,即便是壞的照相機(jī),該開(kāi)始的姿勢(shì)會(huì)由視覺(jué)伺服來(lái)控制。然后齊次變換之間的是當(dāng)前的攝影機(jī)框架和理想的人。讓我們把轉(zhuǎn)型一個(gè)齊次變換矩陣分為六笛卡爾坐標(biāo)，三個(gè)譯本和三個(gè)旋轉(zhuǎn)。因此,這個(gè)姿勢(shì)由理想的攝影機(jī)框架表示。假設(shè)視覺(jué)循環(huán)回路維持足夠快小，因此，避免了切換問(wèn)題和計(jì)算?？陀^的視覺(jué)伺服的目的是約束這個(gè)姿態(tài)為零。我們使用速度控制的6自由度機(jī)械手更高，而不是傳統(tǒng)的立場(chǎng)帶寬控制機(jī)械臂（見(jiàn)15）。因此，控制器必須為每個(gè)自由度速度提（自由度）。這些提法改為參考速度與雅可比的機(jī)器人關(guān)節(jié)角度。最后，這些引用是直接將聯(lián)合電平輸入模擬速度控制回路的機(jī)械手通過(guò)一個(gè)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。為進(jìn)一步的信息,參考在控制方案11,16和 17。1)PI控制與預(yù)測(cè)控制:在被介紹在1987年由克拉克(參見(jiàn)d)。GPC研究基礎(chǔ)最小化代價(jià)函數(shù)的有限退去地平線如下: 對(duì)于一個(gè)定形與產(chǎn)出的多變量過(guò)程分別為:控制輸入向量,輸出向量,并參考向量。該控制器“預(yù)測(cè)”,因?yàn)樗紤]到將來(lái)參考。實(shí)際上,最小要求的計(jì)算方法預(yù)測(cè)未來(lái)的輸出信號(hào)的參考使用。這個(gè)爭(zhēng)論的是未來(lái)步驟的控制輸入。有三種控制策略,即:一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制策略和兩個(gè)GPCs與標(biāo)準(zhǔn)PI的策略,沒(méi)有信息關(guān)于未來(lái)的變化可以在地震剖面曲率中使用,而與預(yù)測(cè)策略有關(guān)的是改變目前的側(cè)面彎曲截面測(cè)量是通過(guò)攝像機(jī)，可以用凝膠作為參考信號(hào)來(lái)提高精度。有關(guān)如何模型的更多信息的動(dòng)態(tài)速度控制的機(jī)器人，以及如何調(diào)整參數(shù)的廣義預(yù)測(cè)，讀者可以參考11和16 - 20。四，仿真和實(shí)驗(yàn) 1.仿真結(jié)果一個(gè)圖形仿真為了驗(yàn)證該算法在實(shí)際執(zhí)行之前的系統(tǒng)。機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真與高階線性化模型的動(dòng)態(tài)模型, 圖10顯示了軋輥的測(cè)量誤差角的配置，下面沿剖面任務(wù)中表現(xiàn)在10厘米的恒定速度6 /秒是角度圍繞圖幀方向。這個(gè)模擬測(cè)試了兩個(gè)控制器,即PI控制器和凝膠未經(jīng)展望廣義的測(cè)試，實(shí)際調(diào)諧的GPC的解釋11。此外，兩個(gè)不同采樣率模擬的GPC，即20毫秒采樣率真正的實(shí)驗(yàn)裝置，相當(dāng)于未來(lái)系統(tǒng)快速CCD相機(jī)。顯然，這些模擬清晰顯示GPC相比PI的優(yōu)越性。這是因?yàn)檫@一事實(shí)的GPC使用線性動(dòng)態(tài)模型在對(duì)計(jì)算速度控制輸入控制機(jī)械手。此外，模擬顯示在減少抽樣利率的提高之后，顯示精密配置文件減少方差組成。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有展現(xiàn)未來(lái)在我們的實(shí)驗(yàn)裝置，配置文件是由三個(gè)黑線印在白色的紙帶。它的曲率輕易改變（例如，由置于一個(gè)對(duì)象）。視覺(jué)傳感器是一個(gè)普通國(guó)際無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)（無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)）防治荒漠化公約黑白相間的攝像頭。通過(guò)交替使用奇數(shù)和一個(gè)幀的偶數(shù)場(chǎng)，在視覺(jué)測(cè)量采樣率可以設(shè)置在50赫茲。視覺(jué)循環(huán)同步遠(yuǎn)見(jiàn)，因此，它的采樣率為50赫茲。在圖像處理和控制回路是由執(zhí)行奔騰II300臺(tái)計(jì)算機(jī)與成像技術(shù)的PCI幀采集卡木板。該機(jī)器人是一個(gè)六自由度SCEMI 6P01機(jī)器人六旋轉(zhuǎn)接頭。對(duì)于所有的實(shí)驗(yàn)中，我們使用相同的配置文件，這是圖11所示。此配置文件分為兩部分，即，筆直的和彎曲的。圖12顯示的是在配置文件后2厘米速度/秒它清楚地表明循環(huán)的視覺(jué)誤差比較六自由度的PI控制器和GPC（不展望未來(lái)），由于曲率變化相比PI控制器拒絕的GPC更好的擾動(dòng)。事實(shí)上,調(diào)整的凝膠考慮了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型,而這個(gè)通過(guò)手動(dòng)優(yōu)化PI控制器在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)整。隨著2厘米以下的速度和與廣義預(yù)測(cè)控制，最大在垂直方向的輪廓度誤差小于1毫米。最大誤差小于0.5毫米。擾動(dòng)的原因是重要的剖面曲率只有三個(gè)自由度：在沿剖面位移運(yùn)動(dòng)時(shí)，深度和滾動(dòng)角（周?chē)D(zhuǎn)軸，見(jiàn)圖 11）。重大的錯(cuò)誤是在曲線對(duì)應(yīng)的輪廓。這是由于重大變化的速度相機(jī)框架在曲線部分的輪廓保持方向之間的相機(jī)和側(cè)面不變。注意這一運(yùn)動(dòng)的速度不變時(shí),電流十字架沒(méi)有必要在幀率恒定的速度,尤其是當(dāng)輪廓曲線。圖13顯示了一種廣義預(yù)測(cè)控制的錯(cuò)誤，并在不同的速度，即1，3和5厘米/秒表一總結(jié)在這些文件的最大錯(cuò)誤在下面的任務(wù)三自由度。3.超前預(yù)測(cè)控制策略圖14的概念,提出了一種比較兩種控制策略在8厘米以下的速度的仿真和實(shí)驗(yàn),例如,在此情形,信息的電流變截面就是在這樣的情形并不是這樣的。仿真結(jié)果表明信息的準(zhǔn)確性,下面的任務(wù)以超前預(yù)測(cè)策略顯然比以預(yù)測(cè)策略展望未來(lái)。然而,實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中不同的是，模擬是不重要的。我們解釋的這種仿真與實(shí)驗(yàn)之間的差距是由于我們的視覺(jué)系統(tǒng)校準(zhǔn)薄弱。模擬圖14提出的結(jié)果，模擬相機(jī)是完美已知的和準(zhǔn)確價(jià)值觀的內(nèi)在參數(shù)生成的預(yù)測(cè)。在圖15，我們采取的內(nèi)在參數(shù)，有一個(gè)錯(cuò)誤5就用來(lái)模擬攝像頭的值。這個(gè)數(shù)字顯示，即使是小錯(cuò)誤（5）的校準(zhǔn)，相機(jī)產(chǎn)生一個(gè)配置文件中會(huì)有很大的誤差。因此，超前的戰(zhàn)略需要非常精確的校準(zhǔn)。五，結(jié)論實(shí)驗(yàn)告訴我們精確跟蹤未知的三維可以在5厘米/秒的速度與標(biāo)準(zhǔn)CCD相機(jī)。仿真表明,增加的抽樣可以改善這種精度率(例如,用一輛高速行駛的相機(jī))。另外,兩種控制器，考慮動(dòng)態(tài)的機(jī)械手即手動(dòng)測(cè)試調(diào)諧PI控制器和一個(gè)GPC調(diào)諧。GPC研究顯示一個(gè)激烈的改進(jìn)拒絕的擾動(dòng)和更好的追隨者精度。我們比較了兩種控制策略,即使用(GPC),人們預(yù)想的輪廓和另一個(gè)實(shí)驗(yàn)仿真研究表明,超前的方法可以提高精度,但產(chǎn)量更好只有良好的校準(zhǔn)視覺(jué)系統(tǒng)。我們正在尋找一個(gè)新的設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)控制方法的誤差,將魯棒性在攝像機(jī)標(biāo)定。六，參考文獻(xiàn)1. 蘭格樓，體育文施，和G.海辛格，“預(yù)測(cè)的控制目標(biāo)高速工業(yè)機(jī)器人的路徑，“在進(jìn)程內(nèi)。電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)廉政。機(jī)密。機(jī)器人。自動(dòng)機(jī)。，1998年，第。 2646年至2651年。2. 埃斯皮奧，樓肖梅特，和P.里夫斯“的新方法視覺(jué)伺服在機(jī)器人“電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)跨。機(jī)器人。自動(dòng)機(jī)?；鹕?。 8頁(yè)。 313-326，1992年6月。3. 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