[发明专利]一种视角约束下的移动机器人视觉伺服控制方法

说明书

本发明公开了一种视角约束下的移动机器人视觉伺服控制方法，包括步骤：构建非完整移动机器人的运动学模型以及针孔相机的投影模型；结合移动机器人的运动学模型，对针孔相机的投影模型进行坐标变换并建立关于像素坐标的系统动态方程；构建关于像素坐标的伺服跟踪误差方程，并将针孔相机的视角约束转化为关于伺服跟踪误差的上下界约束问题；基于预设性能控制的方法，构建一个障碍函数来确保伺服控制系统能够满足预设的性能指标以及视角约束，并使用李雅普诺夫设计法设计出基于图像的移动机器人视觉伺服控制器、速度观测器以及自适应参数更新律。上述的控制器、观测器和参数更新律保证了视角约束和性能约束在整个控制过程中都能得到满足，并且闭环系统是稳定的。

技术领域

本发明涉及移动机器人的视觉伺服控制领域，特别涉及一种考虑针孔相机视角约束和控制性能约束的移动机器人分布式视觉伺服控制方法。

背景技术

近年来，利用视觉反馈来控制诸如移动机器人、机械臂等机器人系统的课题成为了控制工程领域的一个重要课题，而基于图像的视觉伺服(IBVS)控制更是其中最热门的话题之一。移动机器人的视觉伺服控制拥有广阔的应用前景，可应用于军事、工业生产、智能交通等众多领域。

相较于针对静止目标的视觉伺服控制，移动机器人的视觉伺服控制最大的特点是其跟踪的目标是不断运动的，伺服控制器的实现往往需要获取目标的速度信息。这就给分布式伺服控制器的设计带来了困难。一个可行的方法是为所有移动机器人安装通讯设备，使它们可以通过通讯来获取自己所需的信息，进而计算出自身的控制信号。然而，这种方法会增加系统的硬件成本。而且，当跟踪目标是非合作目标时，这种方法更是无法实现的。如何设计一个无需额外硬件且不会限制控制器应用场景的分布式视觉伺服控制器是一个值得关注的问题。

由于视觉伺服是基于图像信息来进行跟踪控制的，视觉伺服首先要解决的问题就是如何保证跟踪目标(特征点)能够始终位于相机的视角范围内。在视觉伺服控制中，如果跟踪目标跑出了相机的视角范围，控制器就无法获取足够的信息，伺服任务也不可能得到完成。对于运动的特征点来说，解决上述问题的难度更加大。因此，视觉伺服控制器的设计重点之一是如何保证被跟踪的目标始终位于相机的视角范围内。

移动机器人视觉伺服控制的另一个重要问题是系统中存在未知的参数和动态变量时，闭环系统的暂态和稳态性能问题。在实际场景中，由于系统建模不完善、系统状态难以测量等原因，系统模型中经常包含未知的参数或动态变量。在这种情况下，已有的方法往往难以严格保证闭环系统能够满足特定的暂态和稳态性能指标。视觉伺服系统的暂态和稳态性能问题为视觉伺服控制器的设计带来了更多的挑战。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种视角约束下的移动机器人视觉伺服控制方法，该方法为非完整移动机器人设计了一个基于图像的视觉伺服控制器，可以确保闭环系统满足预先设定的性能指标，并保证特征点在控制过程中不会超出针孔相机的视角范围。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种视角约束下的移动机器人视觉伺服控制方法，该方法包括下述步骤：

构建非完整移动机器人的运动学模型以及针孔相机的投影模型；

结合移动机器人的运动学模型，对针孔相机的投影模型进行坐标变换并建立关于像素坐标的系统动态方程；

构建关于像素坐标的伺服跟踪误差方程和其中，i为被跟踪的目标机器人的编号，j为进行伺服跟踪的移动机器人的编号；由于针孔相机存在视角约束，为了避免移动机器人在伺服过程中丢失目标，使用预设性能控制的方法将针孔相机的视角约束转化为关于伺服跟踪误差的上下界约束问题；

基于预设性能控制的方法，构建一个关于伺服跟踪误差和的障碍函数来保证伺服跟踪误差能够始终保持在上、下界性能函数之间，并将构建出来的障碍函数引入到李雅普诺夫设计法中，使用自适应控制以及速度观测器对系统内的未知参数和动态变量进行估计和补偿，设计出基于图像的视觉伺服控制器。