[发明专利]基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉机器人视觉伺服控制领域，尤其涉及一种基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法及装置。 

背景技术

在基于视觉伺服移动机器人前进和倒车循迹领域相关信息可以分为三类，(1)为应用全景车载摄像机进行机器人伺服控制，这种方法在机器人足球比赛中应用较为广泛，该方案关键技术在于全景图像的获取，目前的全景图像获取方式较为流行的有四种，即云台摄像机系统方案、特殊镜头摄像机方案、多台摄像机组合方案以及多镜头组合方案，全景车载摄像机倒退循迹方案在长沙理工大学2010届硕士研究生黄苗毕业论文《足球机器人全景视觉系统研究与设计》中描述较为详细。所述方案选择全景摄像机，该摄像机的系统构成复杂性高，分析其四种实现方式，可以得出结论全景摄像机的组成是一个非常复杂、精细的系统，因此导致了成本过高的问题，其次，全景摄像机一般为摄像机短时间内拍摄多幅图片进行图像融合或者多个摄像机同时拍摄多幅摄像机进行图像融合，因此相比单个摄像机的图像处理过程，存在多出的多图像信息融合以及处理信息融合带来的无关背景噪音去除的过程，这就导致出现信号处理实时性低的缺点。 

(2)乐高的玩具机器人通过两个灰度传感器能够实现简单环境下的机器人前进和倒退循迹，该方案所述的双灰度传感器实现机器人倒车循迹，主要原理为机器人通过两个灰度传感器感知地面轨迹与背景反射的不同光线，进而提取出轨迹特征信息、确定机器人偏离轨迹的程度，将感知信息传输至主控机对机器人进行控制，实现前进倒退循迹。该方案所采用的双灰度传感器， 只能区分环境中特征区别非常明显的轨迹，如黑白背景与轨迹，而实际环境远远比这种环境要复杂，因此该方案存在实用性差的缺点。 

(3)其他机器人前进倒退循迹实现方式一般需要同时安装前后两个摄像机，通过当前所用视觉信息摄像机的切换完成机器人前进倒退循迹。该方案是全景摄像机的一种特殊形式，该方案在机器人前后各放置一个摄像机，通过切换提供当前控制所使用的图像信息的摄像机，以在机器人前进循迹与倒退循迹之间进行切换，具体的讲就是当机器人需要实现前进循迹功能时，主控机自动将采集信号摄像机置为机器人前的摄像机上，利用前的摄像机采集伺服信息，进而提取轨迹信息供控制器利用，控制机器人完成前进循迹；当机器人需要实现倒退循迹功能时，主控机自动将采集信号摄像机置为机器人身后的摄像机上，利用身后的摄像机采集伺服信息，进而提取轨迹信息供控制器利用，控制机器人完成倒退循迹。该方案使用的前后双视觉传感器，需要两个摄像机及图像信号传输接口，存在系统复杂、成本高的缺点。以上三种方案中采用的控制策略都不容易到达比较高的循迹精度,让机器人沿着轨迹摇摆而不能实现机器人的平滑前进和倒退。 

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，实现利用一个机器人前置的车载摄像机(非全景摄像机)提取机器人循迹轨迹信息，设计机器人前进后退循迹伺服控制器实现机器人前进后退循迹克服了摄像机标定及近似处理导致的不精确参数的影响，保证了机器人的循迹的稳定性，光滑性和准确性。 

该方法包括如下步骤： 

步骤S1，通过预先标定拍摄的标本图像特征量及标本图像对应的实际物理空间转换得到的理想物理空间中的特征量，获取理想物理空间下机器人的 近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的误差偏移量，并获取理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值及标本图像中的近轨迹点成像位置误差量； 

步骤S2，以理想物理空间下机器人的近轨迹点位置误差量与朝向误差量之间的偏移量误差偏移量作为控制参考量，判断机器人当前的运动区域，根据运动区域不同，选择以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器或以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹。 

进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，设计机器人控制器的方法，包括， 

当机器人位于适中误差区域或较小误差区域，以理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值作为反馈控制信号所设计的循迹控制器，控制机器人循迹； 

当机器人位于较大误差区域，将反馈控制信号切换为以标本图像中的近轨迹点成像位置误差量所设计的循迹控制器，控制机器人向轨迹靠近，当进入适中误差区域后，再将反馈控制信号切换为理想物理空间下机器人朝向与轨迹所成角的正切值。 

进一步地，所述的基于位姿误差的视觉伺服机器人的循迹控制方法，包括将实际物理空间近似为理想物理空间。