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多机动模式下移动机器人目标跟踪控制研究

作　者: 沈义平
导　师: 徐贺
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 移动机器人 目标跟踪控制 机动模式 目标跟踪算法 云台伺服机构
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


移动机器人目标跟踪控制已成为机器人领域的研究热点。在目标跟踪过程中移动机器人由于空间环境限制及任务要求需要转换机动模式来改变运动方位及路径，但是目前关于多机动模式下移动机器人目标跟踪控制的研究尚处于空白，而现有的目标跟踪控制方法无法实现移动机器人在多机动模式下对目标快速准确跟踪。本课题在国家自然科学基金项目“轮式机器人在崎岖地面的低能耗通过性控制的方法研究（60775060）”的支持下，提出一种适用于多种机动模式的移动机器人目标跟踪控制方法。首先，根据任务要求提出多机动模式下移动机器人目标跟踪控制的总体方案，围绕该方案，采用移动机器人与目标跟踪单元的组合方式搭建硬件系统平台，基于模块化设计思想和多线程技术，构建目标跟踪控制系统的软件设计框架。其次，确定颜色特征为目标特征，说明CMUcam3的目标跟踪算法原理，选用Camshift算法作为罗技摄像头的目标跟踪算法，阐明Camshift算法的实现步骤，分别利用CMUcam3和罗技摄像头进行目标跟踪实验，验证各自相应目标跟踪算法的可行性。第三，定义多个坐标系统，基于针孔投影模型对罗技摄像头进行标定，计算内参数矩阵，说明移动机器人七种不同机动模式的运动特性，分别推导在二维平坦地面和三维崎岖地形中目标跟踪时的云台伺服机构水平角变化率和竖直角变化率；定义目标跟踪误差函数，推导图像平面跟踪误差与云台伺服机构角差之间的转换关系，建立舵机动态模型，采用PI控制器作为目标跟踪控制器，为防止跟踪过程中云台伺服机构频繁抖动，设定目标跟踪误差阈值框。最后，编写目标跟踪控制总程序及远程控制程序，分别在二维硬地平面和三维崎岖地形完成移动机器人在七种不同机动模式下的目标跟踪实验。实验结果表明所提出的目标跟踪控制方法具有较好的准确性和快速性，但不同机动模式下的目标跟踪准确度差别较大，对此进行具体的误差分析，同时对比分析两种目标跟踪单元的跟踪效果。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第1章 绪论  11-20
  1.1 课题背景  11-12
    1.1.1 课题来源  11
    1.1.2 研究的目的与意义  11-12
  1.2 移动机器人静态目标跟踪控制研究现状  12-16
    1.2.1 路线跟踪  12-13
    1.2.2 路标跟踪  13-15
    1.2.3 参考图像跟踪  15-16
  1.3 移动机器人动态目标跟踪控制研究现状  16-18
  1.4 主要研究内容  18-20
第2章 总体方案设计  20-29
  2.1 引言  20
  2.2 总体设计  20-21
    2.2.1 任务要求  20
    2.2.2 总体方案  20-21
  2.3 硬件系统平台搭建  21-26
    2.3.1 移动机器人  22-23
    2.3.2 目标跟踪单元  23-25
    2.3.3 XBee-Pro 无线通信模块  25-26
  2.4 软件设计  26-27
  2.5 本章小结  27-29
第3章 目标跟踪算法  29-40
  3.1 引言  29
  3.2 目标特征的选取  29-30
  3.3 CMUcam3 目标跟踪算法实现  30-31
  3.4 罗技摄像头目标跟踪算法实现  31-36
    3.4.1 目标跟踪算法的确定  31-32
    3.4.2 Camshift 算法  32-36
  3.5 目标跟踪算法实验验证  36-39
    3.5.1 CMUcam3 目标跟踪  36-37
    3.5.2 罗技摄像头目标跟踪  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章 目标跟踪控制  40-60
  4.1 引言  40
  4.2 坐标系说明  40-42
    4.2.1 欧拉角  40-41
    4.2.2 坐标系统定义  41-42
  4.3 摄像头标定  42-47
    4.3.1 针孔投影模型  43-44
    4.3.2 标定实验  44-47
  4.4 二维平坦地面机动模式运动控制  47-53
    4.4.1 直线运动  47-50
    4.4.2 按一定半径作转向运动  50-52
    4.4.3 原地转向运动  52-53
  4.5 三维崎岖地形机动模式运动控制  53-55
  4.6 移动云台伺服机构跟踪控制  55-59
    4.6.1 角差转换  56-57
    4.6.2 目标跟踪控制器的设计  57-59
  4.7 本章小结  59-60
第5章 实验研究  60-75
  5.1 引言  60
  5.2 目标跟踪控制程序实现  60-62
  5.3 实验初始化设置  62-63
  5.4 二维硬地平面目标跟踪控制实验  63-71
    5.4.1 直线运动下目标跟踪控制实验  63-66
    5.4.2 按一定半径作转向运动下目标跟踪控制实验  66-68
    5.4.3 原地转向运动下目标跟踪控制实验  68-70
    5.4.4 实验数据结果总体分析  70-71
  5.5 三维崎岖地形目标跟踪实验  71-74
  5.6 两种目标跟踪单元的跟踪效果对比分析  74
  5.7 本章小结  74-75
结论  75-77
参考文献  77-85
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  85-86
致谢  86-87
附录 A  87-90
附录 B  90-95
附录 C  95-99
附录 D  99-106

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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