[发明专利]一种基于预设性能的视觉伺服机器人自适应跟踪控制方法

说明书

本发明涉及视觉伺服机器人控制领域，提供了一种基于预设性能的视觉伺服机器人自适应跟踪控制方法。该方法包括：建立双轮移动机器人的运动模型和运动目标与双轮移动机器人之间的相对运动模型；基于运动目标与双轮移动机器人之间的相对运动模型，提出有限时间自适应调整的预设性能函数，获得角度跟踪误差的上界，保证跟踪过程中运动目标始终保持在相机的视场范围内。本发明保证了控制系统的超调量、收敛速度和稳态误差等性能指标满足预设要；提高跟踪算法的鲁棒性，保证控制系统的稳定运行；实现对于运动目标的线速度与角速度实时估计，扩大了视觉伺服的应用范围。

技术领域

本发明涉及视觉伺服机器人控制领域，尤其涉及一种基于预设性能的视觉伺服机器人自适应跟踪控制方法。

背景技术

近年来，随着计算机视觉和人工智能的快速发展，视觉系统在移动机器人研究中得到了广泛的应用。基于视觉的移动机器人跟踪控制也成为计算机视觉、机器人等学科领域的研究热点。视觉传感器作为移动机器人的眼睛，可以获取丰富的环境和目标信息，如形状、颜色、纹理、位置等，以便完成很多具有挑战性和应用前景的任务，比如定位与导航、目标跟踪、路径规划、避障和人机交互等。当车载相机为唯一传感器时，动态目标的速度难以直接测量。例如，公开号为CN108839026A的中国发明专利申请提出了一种移动机器人视觉伺服跟踪预测控制方法，有效解决具有输入约束的移动机器人视觉伺服跟踪预测控制方法。公开号为CN110154036A的中国发明专利申请提出了一种视觉动态系统下的室内服务机器人控制器设计方法及系统,提高了收敛速度，使得机器人能够更快速准确地实现跟踪任务。公开号为CN110883770A的中国发明专利申请提出了一种基于位置和图像的机器人混合视觉伺服控制方法，具有良好的轨迹精度和可控的轨迹，可以广泛应用基于视觉的机器人控制。

由于车载相机的视角约束，视觉伺服首先要解决的问题是如何保证目标始终在相机的可见范围内。如果目标逃出相机视场范围，就会导致跟踪任务失败。以往大多数相关研究工作重点关注的是视觉跟踪算法的设计，而运动控制方面仅仅使用简单的PID 控制器、模糊控制器或者一些逻辑规则来完成驱动任务。目前国内外对于视觉伺服控制往往只考虑了稳态性能问题，并未考虑机器人的建模问题、运动约束、外部干扰和不确定性等因素，也没有从理论上分析和证明控制器的可行性。此外，轮式移动机器人是一个典型的含非完整约束系统，存在欠驱动、非线性、参数不确定性等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于预设性能的视觉伺服机器人自适应跟踪控制方法，以解决现有技术中轮式移动机器人跟踪过程存在欠驱动、非线性、参数不确定性的问题。

本发明提供了一种基于预设性能的视觉伺服机器人自适应跟踪控制方法，具体包括以下步骤：

S1建立双轮移动机器人的运动模型和运动目标与所述双轮移动机器人之间的相对运动模型；

S11基于所述双轮移动机器人的质心在世界坐标系中的位置坐标、所述双轮移动机器人的航向角、线速度和角速度，建立所述双轮移动机器人的运动学模型；

S12基于所述双轮移动机器人的运动学模型，根据所述世界坐标系和相机坐标系之间的坐标转换公式，获得运动目标在相机坐标系下的坐标和运动目标与所述双轮移动机器人之间的相对运动模型；

S2 基于所述运动目标与所述双轮移动机器人之间的相对运动模型，提出有限时间自适应调整的预设性能函数，获得角度跟踪误差的上界，保证跟踪过程中运动目标始终保持在相机的视场范围内；

S21引入横截函数和辅助变量，并获得角度跟踪误差和跟踪误差动态系统方程；

S22基于获得的角度跟踪误差和跟踪误差动态系统方程，引入有限时间自适应调整的预设性能函数作为所述角度跟踪误差的上界，并基于障碍李雅普诺夫函数获得对所述运动目标的线速度和角速度的估计的自适应律，保证跟踪过程中运动目标始终保持在相机的视场范围内。

进一步地，所述S12中，