基于视觉信息的移动机器人非线性控制系统设计

摘要

机器人自主导航问题是当今机器人研究领域的热点问题。在机器人导航任务中，机器人必须要回答这三个经典的问题:我在哪里？周围的世界是什么样子的？怎么才能到达目的地？移动机器人视觉伺服作为移动机器人视觉导航的重要组成部分，能够成功的解决“周围的世界是什么样子”，“如何才能到达目的地”这两个问题。
　　 本论文利用视觉传感器所提供的视觉信息作为控制系统闭环反馈信息来设计移动机器人的非线性控制系统。在计算机视觉方面，本论文研究了多视图几何约束的相关问题，选取了基础矩阵这一经典的两视图之间的几何约束，采用归一化八点法来完成对基础矩阵的估计。然后，应用自抗扰控制理论和滑模控制理论设计移动机器人非线性控制系统，提出了三种移动机器人非线性系统的设计方案。本论文的研究工作和创新点概述如下:
　　 (1)详细分析了估计基础矩阵的归一化八点算法，通过MATLAB仿真验证表明归一化八点法具有极高的准确性和快速性。并通过具体的实际场景实验，在实际场景中有随机噪声干扰的情况下，验证了归一化八点法有很好的鲁棒性。
　　 (2)设计了基于自抗扰控制理论的移动机器人横向位移控制器，在MATLAB仿真环境中建立了相应的Simulink仿真模型，验证了控制器的有效性。根据相应的实时观测到的航向角反馈信息，设计了基于自抗扰控制理论的移动机器人航向角跟踪控制器，并通过在MATLAB环境中的仿真，验证了我们所设计的基于自抗扰控制理论的控制器的有效性，并可实现对航向角的快速平滑跟踪。
　　 (3)设计了基于两视图几何约束的滑模控制系统。根据系统特点，选择合适的李雅普诺夫函数，并用李雅普诺夫方法证明了控制系统的稳定性。完成了MATLAB仿真环境下控制系统的搭建，通过具体的MATLAB仿真实验，验证了所设计的控制系统的有效性。
　　 最后对本论文的研究工作进行了回顾总结并展望了进一步的研究方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 机器人视觉伺服领域研究现状

1．3 本论文研究的主要内容

第二章 基于单目视觉的移动机器人建模和控制策略分析

2．1 摄像机模型与移动机器人的运动学约束

2．2 移动机器人非线性控制策略的选取与分析

2．3 本章小结

第三章 基于两视图几何的机器人位姿估计

3．1 极线几何约束的基本概念

3．2 极线几何和基础矩阵

3．3 基础矩阵的估计技术

3．3．1 传统七点法估计技术

3．3．2 归一化八点法估计技术

3．3．3 归一化八点法估计基础矩阵的MATLAB仿真和实验

3．4 本章小结

第四章 移动机器人自抗扰控制器设计

4．1 一阶系统自抗扰控制器的一般形式

4．2 移动机器人横向运动控制器设计

4．2．1 移动机器人横向运动学分析

4．2．2 移动机器人横向位移控制系统结构

4．2．3 MATLAB仿真与分析

4．3 移动机器人航向角保持的控制器设计

4．3．1 移动机器人航向角基于视觉的几何关系分析

4．3．2 基于航向角信息的移动机器人自抗扰控制器设计

4．3．3 MATLAB仿真与分析

4．4 本章小结

第五章 基于多视图的移动机器人视觉控制系统设计

5．1 本章简介

5．2 基于三视图的极线几何关系

5．3 基于三视图极线几何的控制律设计

5．3．1 与目标位置对齐

5．3．2 深度误差的纠正和漂移量的补偿

5．4 系统稳定性的证明

5．5 控制系统的仿真与分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目

学位论文评阅及答辩情况表