[发明专利]一种全方位移动机器人视觉伺服系统的建模与控制方法

说明书

一种全方位移动机器人视觉伺服系统的建模与控制方法，考虑非完整性移动机器人存在不可积分的速度约束问题，本发明研究由三个主动偏心轮组成的全方位移动机器人视觉伺服系统；针对视觉伺服系统具有视觉可见性约束和执行器约束，本发明提出了一种基于模型预测控制策略的视觉伺服控制器；首先，基于主动偏心轮全方位移动机器人的运动学方程和视觉伺服系统误差模型，对全方位移动机器人偏心方向轮滚动角速度和偏转角速度的视觉伺服误差系统进行建模；在此基础上，结合模型预测控制策略，建立全方位移动机器人的视觉伺服预测模型，进而设计了视觉伺服预测控制策略；所设计的控制器不仅可以驱动移动机器人到达目标点，而且可以较好地处理约束条件。

技术领域

本发明涉及机器人视觉伺服控制技术领域，具体涉及一种全方位移动机器人视觉伺服系统的建模与控制方法。

背景技术

传统移动机器人在实际应用过程中有着各种移动限制，如移动方向固定，不能原地旋转等等，全方位移动机器人的出现突破了这种限制，克服了不能横向移动、原地旋转移动等问题，已经成为新型移动机器人的研究方向与热点，有着广阔的发展前景。

视觉伺服控制法是目前常用的一种全方位移动机器人驱动与控制方法，而目前的视觉伺服控制研究中往往不能满足视觉可见性约束和执行器约束，不能很好的处理约束条件。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，且考虑非完整性移动机器人存在不可积分的速度约束问题，本发明研究由三个主动偏心轮组成的全方位移动机器人视觉伺服系统。针对视觉伺服系统具有视觉可见性约束和执行器约束，本发明提出了一种基于模型预测控制策略的视觉伺服控制器。

本发明的技术方案如下：

一种全方位移动机器人视觉伺服系统的建模与控制方法，包括如下步骤：

1)全方位移动机器人描述：

在平面内设置一个全方位移动机器人，该机器人由三个偏心轮独立驱动，且在该机器人上方搭载一个单目相机；全方移动机器人在平面内运动时，全方位移动机器人的运动学方程为：

其中(x,y)表示全方位移动机器人质心在世界坐标系X_w-Y_w平面的坐标，θ表示世界坐标系到机器人坐标系的夹角，逆时针为正，v_x和v_y表示全方位移动机器人的纵向线速度和横向线速度，ω表示全方位移动机器人的角速度，令q＝[xyθ]^T表示全方位移动机器人的位姿，ν_r＝[v_x v_y ω]^T表示全方位移动机器人的速度；

2)建立视觉伺服误差模型：

假设特征点P在图像坐标系投影点p的图像坐标为(x_p,y_p)，在像素坐标系中的坐标为(u_p,v_p)，图像平面中心为(u0,v0)，相机的焦距为f，根据图像投影模型，可得到归一化图像坐标：

其中dx，dy表示感光芯片每单位像素的实际大小；

为了完成视觉伺服控制任务，控制器需要通过移动机器人的位置误差调整移动机器人的速度，从而使移动机器人到达期望位姿，因此引入机器人当前位姿变量ρ₁，ρ₂，

定义全方位移动机器人的误差模型：

其中θ^*为期望角度，ρ₁^*，ρ₂^*为期望位姿变量；