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未标定视觉伺服系统动力学不确定性及自适应控制方法的研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 机器人视觉伺服系统概述

1.2.1 机器人视觉伺服发展概况

1.2.2 机器人视觉伺服系统分类

1.2.3 机器人视觉伺服中存在的问题

1.3 不确定性机器人视觉伺服研究现状

1.4 论文主要内容和结构安排

1.4.1 论文主要内容及创新点

1.4.2 论文结构安排

第2章 机器人视觉伺服基础

2.1 数学基础

2.1.1 位姿的描述

2.1.2 齐次变换

2.1.3 函数矩阵的微积分

2.2 机器人学基础

2.2.1 机器人运动学

2.2.1 机器人动力学

2.2.3 建模举例

2.3 摄像机基础

2.3.1 摄像机的安装

2.3.2 摄像机模型

2.3.3 摄像机的标定

2.3.4 摄像机的视野

2.4 控制基础

2.4.1 机器人视觉伺服控制方案

2.4.2 自适应控制方法

2.5 本章小结

第3章 基于机器人动力学的未标定视觉伺服自适应控制

3.1 问题描述

3.2 机器人视觉伺服系统模型及不确定性分析

3.2.1 机器人模型和不确定性分析

3.2.2 摄像机模型和不确定性分析

3.3 控制器和自适应参数更新律设计

3.3.1 关节力矩控制器设计

3.3.2 自适应参数更新律设计

3.4 系统稳定性分析

3.5 仿真实验

3.5.1 仿真模型

3.5.2 仿真结果

3.6 本章小结

第4章 具有动力学不确定性的未标定视觉伺服自适应控制

4.1 问题描述

4.2 基于单特征点的自适应控制

4.2.1 系统模型及不确定性分析

4.2.2 控制器和自适应参数更新律设计

4.2.3 系统稳定性分析

4.2.4 系统仿真实验

4.3 基于多特征点的自适应控制

4.3.1 特征点的雅可比矩阵

4.3.2 控制器和自适应参数更新律设计

4.3.3 系统稳定性分析

4.3.4 系统仿真实验

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

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摘要

由于外界干扰、目标操作物特性变化、手眼未标定或标定不精确以及机械磨损等原因,机器人视觉伺服系统中存在着很多不确定性。不确定性会降低系统的控制性能,甚至让系统无法满足控制要求。对此,论文在基于图像的视觉伺服框架下,借助机器人的动力学模型设计了相应的自适应控制器,使得机器人能够实现不确定性环境中的定点控制。论文的研究内容包括如下几方面:
  (1)对于摄像机未标定、机器人关节摩擦力未知的视觉伺服系统,通过合理选取可线性化的摄像机参数和摩擦力参数,将摄像机未标定和关节摩擦力未知情况下的不确定性转化为所选取的线性化参数的不确定性。在此基础上,设计参数自适应更新律对摄像机参数和摩擦力参数进行实时在线估计,并使用所得到的不确定性参数的估计值进行控制器设计。特别地,在控制器的设计中,论文使用特征点的图像偏差作为系统的输出反馈、机器人的关节速度作为系统的状态反馈,设计了基于机器人动力学模型的关节力矩控制器。
  (2)对于摄像机未标定、机器人动力学模型具有不确定性的机器人视觉伺服系统,通过合理选取一组可线性化的机器人动力学参数,将非线性动力学模型的不确定性转化为该组线性化参数的不确定性。然后,设计参数自适应更新律对摄像机参数和机器人动力学参数进行实时在线估计,并使用参数的估计值、特征点的图像信息、以及机器人的关节变量信息设计关节力矩控制器,直接驱动机器人完成定点控制任务。
  (3)对于摄像机未标定、机器人动力学模型具有不确定性的系统,将(2)中基于单特征点的视觉伺服设计方法推广到基于多特征点的情况,即使用多个特征点的信息进行参数自适应更新律和关节力矩控制器的设计。伺服过程中多特征点的使用增加了冗余图像特征,在一定程度上避免了伺服过程中因特征点被遮挡或跑出像机视野造成的伺服失败等不良影响,同时也提高了控制系统的鲁棒性。
  (4)为了验证(1)、(2)、(3)中所设计控制方案的可行性和有效性,论文对一个三自由度的机械臂进行了运动学和动力学建模,并进行了MATLAB仿真实验。仿真结果表明,机器人在具有不确定性的环境中能够满意完成控制任务,上述方案具有良好的控制效果。

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