[发明专利]一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法

说明书

本发明公开了一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，包括下述步骤：对所有无人艇构建运动学模型；对搭载在无人艇上的针孔相机建立针孔相机模型；结合无人艇运动学模型，对针孔相机模型进行坐标变换并建立关于像素坐标的系统动态方程；对无人艇定义伺服跟踪误差；根据针孔相机的视角约束，引入性能约束；对伺服跟踪误差进行误差转换获得误差函数；通过李雅普诺夫设计法设计无人艇视觉伺服控制器、速度观测器及自适应更新律。本方法通过定义伺服跟踪误差，引入性能约束获得误差函数实现预设性能，再将误差函数引入李雅普诺夫设计法中设计无人艇视觉伺服控制器、速度观测器及自适应更新律，保证了无人艇视觉伺服控制的顺利进行。

技术领域

本发明属于无人艇的视觉伺服控制技术领域，具体涉及一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法。

背景技术

近年来，利用视觉反馈来控制诸如移动机器人、机械臂等机器人系统的课题成为了控制工程领域的一个重要课题，而基于图像的视觉伺服(IBVS)控制更是其中最热门的话题之一。无人艇的视觉伺服控制拥有广阔的应用前景，可应用于军事、海洋资源勘探、环境采样和监测等众多领域。

相较于针对静止目标的视觉伺服控制，无人艇的视觉伺服控制最大的特点是其跟踪的目标是不断运动的，伺服控制器的实现往往需要获取目标的速度信息。这就给分布式伺服控制器的设计带来了困难。一个可行的方法是为所有无人艇安装通讯设备，使它们可以通过通讯来获取自己所需的信息，进而计算出自身的控制信号。然而，这种方法会增加系统的硬件成本；而且，当跟踪目标是非合作目标时，这种方法更是无法实现的。如何设计一个无需额外硬件且不会限制控制器应用场景的分布式视觉伺服控制器是一个值得关注的问题。

由于视觉伺服是基于图像信息来进行跟踪控制的，视觉伺服首先要解决的问题就是如何保证跟踪目标(特征点)能够始终位于相机的视角范围内。在视觉伺服控制中，如果跟踪目标跑出了相机的视角范围，控制器就无法获取足够的信息，伺服任务也不可能得到完成。对于运动的特征点来说，解决上述问题的难度更加大。因此，视觉伺服控制器的设计重点之一是如何保证被跟踪的目标始终位于相机的视角范围内。

无人艇视觉伺服控制的另一个重要问题是系统中存在未知的参数和动态变量时，闭环系统的暂态和稳态性能问题。在实际场景中，由于系统建模不完善、系统状态难以测量等原因，系统模型中经常包含未知的参数或动态变量。在这种情况下，已有的方法往往难以严格保证闭环系统能够满足特定的暂态和稳态性能指标。视觉伺服系统的暂态和稳态性能问题为视觉伺服控制器的设计带来了更多的挑战。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，本方法结合无人艇运动学模型，通过将针孔相机的视角约束转换为对伺服跟踪误差的上下界约束，并使用预设性能控制技术，最终把对伺服跟踪误差的上下界约束转化为误差函数的有界性问题；设计出合适的性能函数，确保针孔相机的视角约束可以始终得到满足，也保证在特征点高度和目标速度未知的情况下，闭环系统的误差收敛速度、稳态误差等暂态和稳态性能指标能够满足预设的性能要求；最后使用李雅普洛夫法设计出了能够保证误差函数有界的分布式视觉伺服控制器，实现无人艇仅依靠自身获取的信息就能对指定特征点的跟踪，并将伺服跟踪误差收敛到零的小邻域内。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，所述方法包括下述步骤：

基于大地坐标系，对无人艇构建运动学模型；

根据针孔相机成像原理，对搭载在无人艇上的针孔相机建立针孔相机模型；

结合无人艇运动学模型，利用无人艇体坐标系对针孔相机模型进行坐标变换并建立关于像素坐标的系统动态方程；

对无人艇定义伺服跟踪误差；

根据针孔相机的视角约束，引入性能约束，获得性能函数；