技
术创新
《微计算机信息》2012年第28卷第10期
120元/年邮局：82-946
《现场总线技术应用200例》
测控自动化
王宝磊：硕士研究生
基金项目：颁发部门：国家自然科学基金委，项目名称：不确定非完整运动学控制系统的鲁棒镇定，编号:60874002，申请人：王朝立；颁发部门：上海市教委，名称：上海市重点学科建设项目，编号:S30501，申请人：王朝立；颁发部门：上海市教委，名称：基于双目视觉反馈的非完整移动机器人跟踪，编号: JWCXSL1102，申请人：王宝磊；颁发部门：上海市教委，名称：上海市高等教育内涵建设“085”工程，申请人：王朝立
Tracking Control for Nonholonomic Mobile Robots with Binocular Vision Servo Feedback
(上海理工大学)
王宝磊王朝立李菲张旭飞
WANG Bao-lei WANG Chao-li LI Fei ZHANG Xu-fei
摘要：针对双目视觉伺服的非完整移动机器人轨迹跟踪问题，研究了目标轨迹的识别定位及相关信息提取的辨识方法，结合
非完整约束特性对(2,0)型移动机器人进行运动学建模并对轨迹跟踪问题进行描述，基于Backstepping 思想进行控制器设计，利用Lyapunov 函数证明了系统的稳定性。最后利用计算机仿真和实际机器人实验证实了控制系统的有效性。关键词：非完整；移动机器人；轨迹跟踪；双目视觉；控制
中图分类号:TP29
文献标识码:A Abstract:This paper discusses the problem of tracking control for nonholonomic mobile
robots with binocular vision servo feedback.The methods for recognizing trajectory and obtaining related information are researched.The (2,0)type nonholonomic robot kinematics model and the tracking problem description is proposed.A controller is designed based on the Backstepping theory and proved by Lyapunov function.The system validity is certified by simulation and real robot experiment.Key Words:Nonholonomic;Mobile robot;Tracking;Binocular vision;Control
文章编号:1008-0570(2012)10-0124-03
引言
非完整移动机器人是指受不可积Pfaffian 约束的移动机器人，其轨迹跟踪问题是指要求机器人参考点位置跟踪一条随时间变化的轨迹。非完整移动机器人轨迹跟踪的关键难点在于轨迹是未知的，在此问题的研究上，文献分别利用Lyapunov 法和动态线性化方法设计了线性渐进稳定性控制律和指数收敛控制律；之后，相关控制方法得到了快速发展。机器视觉是近几十年来发展迅速的一门科学，广泛应用于移动机器人定位、导航等相关领域。文献提出了利用架设在室内天花板上单目摄像机进行机器人伺服控制的思想；文献分别研究了移动机器人视觉伺服的鲁棒稳定性问题和自适应移动机器人视觉伺服问题。文献利用架设在机器人上的双目摄像机做了跟踪轨迹的实时定位工作；文献结合移动机器人非完整约束特性研究了双目视觉伺服移动机器人镇定工作。本文在以上工作基础上，研究了双目视觉伺服 的非完整移动机器人轨迹跟踪控制律设计，并在理论、仿真和实验三个方面验证了所提出方法的有效性。
1目标轨迹的识别定位及信息提取
1.1块标志的图像处理
本文目标轨迹是由带有块标志的机器人运功实施的，由于块标志颜偏浅红，因此需要首先通过实验对块颜进
行标定，多次实验得出块颜在YUV 颜空间的范围为:Y ∈[66,129]U ∈[100,123]V ∈[149,183](1)
块标志图像处理的另一重要工作是根据(1)式条件进行目标和背景图像的二值化分割，即如果图像中第x 行第y 列的点(x,y)像素满足(1)式要求，则将此点像素归一化为g(x,y)=1，否则g(x,y)=0。对图像进行二值化分割后，利用简单平均法即可算出目标的几何中心，由于摄像机拍摄图片像素为640×480，因此取平均如下所示:
(2)
1.2目标轨迹的定位和信息提取
利用双目立体视觉三维测量原理可以方便确定出目标点相对于摄像机的三维世界坐标位姿。图1表示一种本文所用的双目摄像机模型，假定左目摄像机坐标系O-XYZ 为三维世界坐标系,O l -Y l Z l 为左目相机图像坐标系,f l 为左目摄像机焦距,O r -Y r Z r 为右目摄像机图像坐标系,fr 为右目摄像机焦距，则当空间中某一点在左右目摄像机图像坐标系坐标分别为(y l ,z l )和(y r ,z r )时，该点在前述假设的世界坐标系中坐标位置可由(3)式算出。
图1特殊双目摄像机成像原理
(3)
其中,d 为左右目摄像机投影中心连线的距离。重复上述方法，可得目标轨迹的实时位置信息。同时,
利用记录的信息可辨
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