[发明专利]一种视觉引导的水下机械臂控制方法

说明书

一种视觉引导的水下机械臂控制方法，属于水下机械臂技术领域。本发明以水下机械臂的与运动学及动力学建模、水下机械臂标定技术的相关研究为基础，通过手眼标定方法，模仿生物视觉的手眼协调控制系统框架及视觉引导系统控制流程；通过单目视觉对目标物体进行定位、并采用二次成像对图像信息水下目标物进行信息估算，建立水下机械臂运动学和动力学模型，将终端滑模控制和自抗扰控制结合在一起，用分散控制思想，将复杂的机械臂系统进行解耦，介绍了一种六自由度水下机械臂关节控制器‑终端滑模自抗扰控制器。本发明为水下机械臂进行水下精确作业提供了解决方案，提升了水下机械臂自主作业能力，极大提高了水下作业的自动化水平。

技术领域

本发明属于水下机械臂技术领域，具体涉及一种视觉引导的水下机械臂控制方法。

背景技术

基于视觉引导的水下机械臂是水下机器人系统中的重要组成部分，在深海资源勘探和水下作业工程中发挥着不可或缺的作用，能够根据操作者的指令代替人进行水下极端环境作业，因此进行基于视觉引导的水下机械臂的研究具有重要的科学价值和实际工程意义。

为了水下机械臂能够承担多种水下任务，水下机械臂的控制规划问题是非常重要的研究内容，控制规划问题是视觉引导任务中最重要的环节之一，同时也是水下机械臂研究领域的一个重要分支。经过几十年来各国科研人员的不断努力，视觉引导的机械臂控制方法早已变成目前机械臂控制方向的研究热点与难点。目前主流的三种基于视觉引导的机械臂控制方法为：基于运动的视觉引导控制方法、基于学习的视觉引导控制方法、混合型视觉引导控制方法(2.5D视觉引导控制方法)。

第一种控制方法的思想是发挥学习训练方法的函数拟合能力，在宏观角度对机械臂手眼协调系统的非线性特性进行控制，基于以上两点思想建立图像信息闭环反馈控制律。但存在需要在控制之前进行大量的样本学习等缺点。第二种控制方法首先预设了参考运动的光流场，控制机械臂手眼系统运动到指定的位置，令相机图像的光流场与目标物体的光流场并行。该控制方法不需要大量的先验参数，但对控制帧率要求极高，对实验数据造成影响。第三种控制方法将相机的平动位移矩阵(V)与旋转矩阵(Ω)的闭环控制解耦，利用从目标物体中检测出的特征信息，重新模拟出三维空间坐标系下的位置与图像深度信息，平动位移采用2D空间坐标系上的特征点进行表征。但需要求解的单应矩阵的多次迭代十分繁琐，受图像噪声的影响更大等缺点。

本发明为水下机械臂进行水下精确作业提供了解决方案，提升了水下机械臂自主作业能力，极大提高了水下作业的自动化水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种视觉引导的水下机械臂控制方法，有效的增强控制系统的抗干扰能力，以应对复杂多变的海洋工作环境，实现基于视觉控制的水下机械臂控制。

本发明的目的是这样实现的：

一种视觉引导的水下机械臂控制方法，包括如下步骤：

步骤1：当水下机械臂处于初始位置，采用视觉引导方式控制水下机械臂运动，位于腕部的水下摄像机开始搜寻水下目标，确定水下目标物；

步骤2：确定水下目标物之后，通过视觉对水下目标物进行定位，确定本运动周期的水下机械臂末端位置点；

步骤3：建立水下机械臂的运动学模型，计算出本周期的机械臂各关节运动量，构造基于终端滑模的自抗扰控制器，驱动水下机械臂各关节运动；

步骤4：检测水下机械臂是否到达水下目标点，若没有到达目标点，重复步骤2和步骤3的运动过程，若到达则进行相应的水下机械抓取工作。

所述步骤1中视觉引导方式控制包括：

步骤1.1：通过水下机械臂手爪关节的相机获取水下目标物体P的特征信息，从已经构建的3D模型集合中随机抽取一个3D模型，采用外参数矩阵M验证方法选取与P的特征信息相匹配的3D模型；