机器人学概论第十二讲

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1、机器人学概论中国科学院自动化研究所徐德研究员2010年12月7日1上次课内容提要摄像机模型视觉测量中的约束条件单目视觉位置测量立体视觉位置测量基于矩形目标约束的位姿的测量基于PnP问题的位姿测量基于消失点的视觉测量基于位置的视觉控制基于图像的视觉控制混合视觉伺服控制直接视觉控制2小孔模型XZf14参数模型5参数模型摄像机的内参数模型描述的是景物点与图像点之间的关系。外参数模型摄像机的外参数模型，是景物坐标系在摄像机坐标中的描述。3平面全局视觉平面视觉摄像机的位姿摄像机光轴中心线与景物平面平行，景物坐标为摄像机固定不动，焦距固定。景物

2、坐标系原点可选择光轴中心线与景物平面的交点，于是有R=I,p=[00d]T,d是选择光轴中心到景物平面的距离。摄像机的标定XcOcYcXwZcOwYwZw图2-2-1单目二维视觉测量的坐标系4立体视觉位置测量双目视觉结构光视觉空间点P在摄像机C1的光轴中心点与点P1c1构成的直线上，也在摄像机C2的光轴中心点与点P1c2构成的直线上。特征点在激光平面上，同时还在摄像机的光轴中心点与成像平面上的成像点之间的一条空间直线上。X1Y1Z1O1PX2Y2Z2O2双目立体视觉示意图C1C2c1Mc2CCD摄像机激光器平凸柱面镜工件结构光线结构

3、光测量原理示意图5基于位置的视觉控制位置给定型机器人视觉控制位置反馈型机器人视觉控制Eye-to-Hand位置给定型机器人视觉控制，利用视觉测量的目标位置对机器人进行位置给定，使机器人的末端到达目标位置。视觉位置给定由机器人位姿获取、图像采集、特征提取、笛卡儿空间三维坐标求取、关节位置给定值确定等部分构成。Eye-in-Hand位置给定型机器人视觉控制，虽然末端位姿引入位置给定部分，但仅参与三维坐标的计算，并未构成机器人末端位置的闭环控制。控制系统由三个闭环构成，外环为笛卡儿空间的位置环；各个关节采用位置闭环和速度闭环控制，其内环为

4、速度环，外环为位置环。6基于图像的视觉控制基于图像的视觉控制基于图像的视觉控制图像采集特征提取目标特征测量期望图像特征机器人位姿调整策略关节位置控制环节+末端位姿当前图像特征机器人本体+逆运动学求解6路关节位置控制器计算末端位姿给定7基于图像的视觉控制基于图像的视觉伺服基于图像的视觉伺服控制图像采集特征提取目标特征测量期望图像特征机器人运动调整策略关节速度控制环节+末端位姿当前图像特征机器人本体+6路关节速度控制器图像雅可比矩阵1/s8混合视觉伺服控制2.5D视觉伺服控制将单应性矩阵进行分解，分别得到旋转分量和位置分量的图像特征。位

5、置分量的图像特征与给定的位置分量的图像特征相比较，作为位置控制律的输入。旋转分量的图像特征与给定的姿态的图像特征相比较，作为位置控制律和旋转控制律的输入。位置控制律采用基于图像的视觉伺服方法，旋转控制律采用基于位置的视觉伺服方法。2.5D视觉伺服的结构框图[5]位置控制律旋转控制律关节控制器机器人对象摄像机获得图像特征单应矩阵分解图像特征位置给定姿态给定输出图像旋转分量位置分量的图像特征V9直接视觉控制直接视觉控制的结构直接视觉控制一般采用Eye-to-Hand型视觉系统，摄像机位置固定，工作空间固定。图像特征与关节位置的映射关系

6、被称为visual-motor函数直接视觉伺服控制框图图像采集特征提取特征关节位置映射PID控制伺服放大执行电机1/6S机器人本体++关节位置关节位置给定末端位姿6路关节位置控制器10第十章多机器人协调与控制本次课内容提要多机器人系统简介多机器人系统的特点多机器人系统的主要研究内容典型多机器人系统多机器人系统的模型多机器人搜集多机器人队形控制多机器人围捕11多机器人系统简介多机器人系统的特点空间分布性：多个机器人可以同时工作在作业空间的不同位置，有利于任务的完成。时间并行性：多个机器人可以同时完不同的子任务。容错能力强：当某一机器人

7、出现故障时，可以通过任务的重新分配来弥补由该故障引起的系统性能下降。灵活性好：多机器人系统中各个机器人的功能可以互不相同，通过不同功能的组合，很容易使多机器人系统具有较强的灵活性和适应性。12多机器人系统简介多机器人系统的主要研究内容寻找一套分析、设计和控制多机器人系统的有效方法，使其安全、高质、高效地完成给定任务。多机器人系统体系结构：实现预定的行为如何把个体联系到一起的一种形式。可分为个体、集中式、分层式和分布式。协调机制：多机器人系统与环境之间的协调：研究如何根据环境的变化调整系统的整体目标和行为以及体系结构，这是一种适应性反

8、馈机制；机器人之间的协调：由于完成任务的需要，机器人之间的竞争、磋商、合作和联盟不可避免，重点研究合作机制与联盟形成等机制；复杂任务的分解分配算法个体机器人行为的监督与约束机制13多机器人系统简介多机器人系统的主要研究内容冲突消解：任