移动机器人的目标识别与运动跟踪

论文摘要

机器人目标识别与跟踪是实时图像处理、机器人运动学、控制理论、计算机技术以及实时计算等领域的融合,是计算机视觉研究前沿的一个重要分支。本文在总结现有无标定机器人视觉伺服研究的基础上,建立了固定目标的视觉定位与运动目标视觉跟踪任务的实验平台:Hebut-2型机器人视觉伺服系统。根据无标定视觉伺服任务的要求,设计了基于Kalman滤波的图像雅可比矩阵在线估计算法,并在此基础上提出一套完整的无标定视觉伺服控制策略,实现对未知二维平面固定目标的识别、定位和运动目标的动态跟踪。具体工作包括:1、讨论了模板匹配技术和相似性度量方法,并利用基于颜色相似性度量和形状相似性度量的模板匹配技术,实现了复杂环境下固定目标的识别。2、从图像雅可比矩阵的定义和表达式出发,讨论了图像雅可比矩阵的性质及其在构建机器人图像反馈控制中的作用。将图像雅可比矩阵的在线估计转化成系统的状态观测问题,并设计了相应的Kalman滤波估计算法。3、研究了无标定情况下机器人完成二维平面固定目标识别定位和运动目标跟踪的问题。在视觉反馈中针对定位与跟踪分别使用比例反馈与比例积分反馈控制。图像雅可比矩阵的在线辨识通过Kalman滤波实现,并使用机器人已完成的跟踪运动在线估计每一位置的雅可比矩阵值,避免了传统估计方法引入冗余试探运动对系统动态性能的影响。4、在Hebut-Ⅱ视觉系统的基础上设计了视觉伺服系统。构建了机器人视觉伺服硬件系统,并采用VC++编制其控制软件,对本文所设计的无标定机器人视觉伺服控制进行了大量的实验研究。实验结果表明本文所设计的方法对未知目标的定位与运动跟踪均能获得良好的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 机器人视觉伺服控制方法概述
• §1-3 手眼视觉系统
• §1-4 无标定视觉伺服系统
• §1-5 本文主要内容
• 第二章 HEBUT-Ⅱ型移动机器人的结构及各种传感器概述
• §2-1 引言
• §2-2 HEBUT-Ⅱ型移动机器人的总体结构
• §2-3 轮式移动载体
• 2-3-1 移动本体Pioneer 3 H8-AT 机器人
• 2-3-2 移动载体主机
• 2-3-3 传感系统
• 2-3-4 远距离数据传输
• §2-4 五自由度机械手
• 2-4-1 机械手控制器PMAC
• 2-4-2 关节电机及其驱动器
• 2-4-3 PMAC 控制系统
• §2-5 HEBUT-Ⅱ型移动机器人的各种传感器概述
• 2-5-1 HEBUT-Ⅱ型移动机器人本体的声纳系统概述
• 2-5-2 HEBUT-Ⅱ型移动机械手末端的视觉定位系统
• §2-6 本章小结
• 第三章 视觉系统中的图像处理与目标识别
• §3-1 引言
• 3-1-1 图像的概念
• 3-1-2 颜色视觉
• 3-1-3 颜色模型
• 3-1-4 目标识别系统
• §3-2 模板匹配
• §3-3 相似性度量
• 3-3-1 颜色相似性度量
• 3-3-2 形状相似性度量
• §3-4 目标识别实验环境与识别结果
• 3-4-1 颜色特征的相似性度量
• 3-4-2 形状匹配
• 3-4-3 实验环境与识别结果
• §3-5 本章小结
• 第四章 图像雅可比矩阵的在线辨识
• §4-1 图像雅可比矩阵模型简介
• §4-2 视觉伺服反馈的几种控制方式
• §4-3 图像雅可比矩阵的辨识方法概述
• §4-4 Kalman 滤波计算法概述
• §4-5 图像雅可比矩阵的在线Kalman 滤波辨识
• §4-6 本章小结
• 第五章 固定眼的目标识别与二维运动跟踪
• §5-1 引言
• §5-2 固定眼的视觉伺服反馈控制
• 5-2-1 固定眼的二维平面运动的图像雅可比矩阵
• 5-2-2 固定眼的基于Kalman 滤波的雅可比矩阵在线辨识
• 5-2-3 固定眼的视觉伺服反馈控制
• §5-3 实验
• 5-3-1 实验简介
• 5-3-2 基于Kalman 滤波的固定目标定位实验
• 5-3-3 基于Kalman 滤波的运动目标跟踪实验
• §5-4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果