水面无人艇单目视觉伺服自主控制研究综述

单目视觉伺服采用相机模仿人眼视觉功能,感知周围环境和测量运动状态,是提高无人艇航行感知与控制自主性的重要手段。首先,从基本原理出发,简述视觉伺服技术分类、相机透视投影原理和无人艇运动数学模型,为文献综述分析提供框架基础。然后,根据任务复杂度,依次综述单目视觉伺服在无人艇航向控制、镇定控制、轨迹跟踪控制和集群控制等典型应用场景下的研究进展和挑战。最后,系统性地总结无人艇单目视觉伺服自主控制的潜在研究方向和发展趋势。

基于几何特征的铆接件精确装配视觉伺服控制方法

针对目前铆接件机器人装配多采用示教再现方式实现,主要应用于固定工况的问题,为满足铆钉数量多、工况多变的铆接件装配需求,提出一种基于几何特征的铆接件精确装配视觉伺服控制方法。首先,通过将相机安装在机器人末端执行器平台,搭建基于机器人的铆接件自主对准的单目视觉系统,完成相机、机器人末端与基坐标系标定;其次,选取铆钉平面初始图像中的4个铆钉圆心作为特征点,以特征点之间的连线构造直线特征,利用直线特征与相机旋转运动间的交互矩阵设计基于线特征的铆接件姿态控制律,使得铆钉与铆钉孔轴线平行,从而保证装配过程中铆接件的相互平行;再次,选取铆钉平面初始图像中的4个铆钉圆心作为特征点,1个铆钉的轮廓作为圆面积特征,利用点特征与相机旋转运动的交互矩阵设计铆接件的姿态补偿项,进而利用点特征和圆面积特征与相机平移运动间的交互矩阵设计与姿态控制律相解耦的位置控制律,实现铆钉与相应铆钉孔轴线的重合。最后,采用六自由度机器人进行铆接件自主对准装配仿真。结果表明,以铆接件内部铆钉固有的图像特征作为控制输入,所设计的控制器能够实现铆接件的自主高精度对准。方法对于工业生产中多点对准装配的工况具有广泛的应用价值。

基于单目视觉的水下机器人悬停定位技术与实现

以7000m载人潜水器的水下悬停为应用背景,以单目CCD摄像机为传感器,提出了基于模型的单目视觉定位和基于特征的视觉伺服两种水下机器人视觉悬停技术方案,分别适用于已知模型的观察目标和未知模型的观察目标两种情况.以自行研制的水下机器人控制系统实验平台为实验载体,利用前视摄像机和水下人工目标,建立了水下演示实验验证系统,并在室内实验水池中,分别实现了两种悬停方法的水下演示实验.演示实验表明:在两种视觉悬停方法的闭环控制下,水下机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动,很好地实现水下悬停作业.

单目视觉伺服研究综述

视觉伺服是机器人视觉领域的研究热点之一,具有十分广泛的应用前景.本文针对单目视觉系统,从视觉伺服的运动映射关系、误差表征、控制律设计、关键影响因素等多个层面,对视觉伺服的研究现状进行了论述,并分析了不同视觉伺服方法的特点,给出了视觉伺服在不同领域的典型应用.最后,指出了视觉伺服未来的主要发展方向.

基于单应性矩阵的移动机器人视觉伺服切换控制

针对具有单目视觉的移动机器人,本文提出了一种基于单应性矩阵的视觉伺服控制算法,在缺乏深度信息的情况下利用视觉反馈实现了移动机器人的控制目标,即给定机器人目标位姿下拍摄得到的图像,通过视觉伺服使机器人从初始位姿准确到达目标位姿.视觉反馈环节采用单应性矩阵中的元素构造状态变量,而非利用常见的单应性分解,此外,考虑到视野约束,本文提出的算法在计算单应性矩阵时结合了单应性的传递特性,从而避免了参考目标的实时可见性.伺服环节设计了切换控制器,在满足非完整约束的同时可驱动机器人到达期望位姿.理论分析及实物仿真验证了该算法的可行性和有效性.

视觉伺服中运动物体的速度估计

本文讨论了当被观测物体和摄象机两者都运动情况下 ,物体运动速度的估计算法。为了满足实时跟踪控制的需要 ,提高两幅图象之间对应点的匹配效率 ,提出了稀疏光流算法。实验结果证明了算法是正确有效的。

单目视觉智能车的伺服规律研究

通过分析单目视觉智能车的运动特征,建立其空间约束模型以及与运动控制密切相关的图像坐标系和运动平面坐标系,在此基础上根据摄像头相对位姿的不同推导出2种不同的坐标映射关系,讨论将其应用在单目标跟踪和连续目标跟踪时的车体运动控制规律,形成一个有较强针对性和实用价值的手眼机器人视觉伺服框架。实验验证了单目视觉智能车伺服规律的有效性。

欠驱动无人船单目视觉伺服镇定控制

[目的]针对全球定位系统拒止环境下的欠驱动无人船(USV)精准位姿镇定问题,提出一种基于单应性的欠驱动无人船单目视觉伺服镇定控制方法。[方法]借助单应性分解技术,直接从当前图像和期望图像中重构出具有未知尺度因子的位姿误差,可完全摆脱相机外部参数标定和目标物先验信息;针对欠驱动约束,在连续时变输出反馈控制器中引入基于持续激励艏摇角的周期函数,使得欠驱动无人船能够在图像深度、运动速度、模型参数均未知的情况下实现镇定控制。[结果]在李雅普诺夫理论框架下,采用芭芭拉引理严格证明了欠驱动无人船视觉伺服闭环控制系统的渐近稳定性。[结论]仅采用船载单目相机,所提出的视觉伺服策略能够确保欠驱动无人船实现精准位姿镇定,为海上接驳对接、靠离泊、动力定位等实际需求提供重要技术支撑。

基于视觉伺服的无人机自主着陆仿真系统设计

针对四旋翼无人机在地面移动目标上的着陆问题,设计了一种无人机跟踪移动载体并在其上着陆的控制策略。基于AprilTag视觉基准库设计了一个复合的着陆标志,提出了一种基于图像的视觉伺服控制器,当地面目标可视时,仅利用机载单目相机提供的图像信息,在不进行相对位姿解算的情况下实现在运动目标上的快速着陆,同时利用前馈补偿策略来减小跟踪的稳态误差。在Gazebo仿真环境中搭建了四旋翼无人机模型及着陆场景,通过仿真实验验证了所设计控制策略及伺服控制器的有效性。

基于机载单目视觉的无人机移动目标实时跟踪

传统的无人机主要是通过机载惯导、GPS实现自主跟踪,然而受到飞行环境和成本等因素的限制无法满足情况,考虑到实用性和低成本,论文主要研究使用单目机载相机解决无人机对移动目标的自主跟踪问题。论文提出了基于ORB特征点的八参数全局运动补偿方法,结合TLD算法实现动态场景下的移动目标跟踪;在跟踪控制部分,论文引入目标面积的图像特征,提出了基于图像的视觉伺服控制器,实现图像雅克比矩阵伪逆的快速求解;同时在飞行控制器中使用串级PID姿态控制器,设计跟踪仿真实验,并在真实平台上完成跟踪实验。

基于外部单目视觉的仿生扑翼飞行器室内定高控制

针对扑翼飞行器的定高飞行,设计了基于外部单目视觉的室内定高控制系统:通过外部单目相机获取扑翼飞行器的飞行图像,基于Qt编写的地面站软件接收图像并利用基于OpenCV的图像处理算法检测扑翼飞行器上的发光标识点,获得标识点在图像上的像素坐标;基于卡尔曼滤波器(KF)建立标识点像素坐标的运动状态估计器,降低环境噪声干扰并解决了标识点被短暂遮挡的问题;分别建立常规PID和单神经元PID控制系统,通过蓝牙控制扑翼飞行器的电机转速,实现了基于图像的扑翼飞行器室内定高飞行.对比实验结果表明,本文设计的定高飞行控制系统可以使扑翼飞行器标记点的图像坐标保持在外部单目相机图像的中心横线处.针对阶跃响应信号,单神经元PID控制系统的响应速度比常规PID控制系统响应速度稍慢一些,但是控制精度明显优于常规PID控制器,最大相对误差为3%.