机器人/视觉系统非标定的平面运动跟踪

研究机器人与未标定关系的视觉传感系统之间的协调控制策略,其中目标运动及机器人跟踪运动均限定在二维工作平面。摄像机固定在工作区域中,它与机器人坐标系和工作平面之间的关系未知。机器人运动由摄像机观察到的上一控制周期中规划的手运动及目标当前位置决定,机器人与视觉系统之间的协调与它们两者之间的标定关系无关。文末的仿真显示了这一方法的有效性。     

机器人结构参数辨识的两步法及其仿真

实际机器人模型同控制器中机器人模型之间的偏差影响了机器人的精度,可用标定方法校正此偏差。传统的单点标定方法,能简化标定操作但仍需测量设备,不利于现场标定。改进了单点标定方法,提出了一种现场应用中无需测量设备的单点两步标定新方法,即先标定出机器人结构参数对某一长度参数的相对值和关节码盘初始安装偏差,基于两点距离模型标定出此长度参数,得到所有的机器人实际结构参数。基于机械分析仿真平台—InteMech,设计了一套仿真试验方法,并给出了一个仿真实例。仿真试验表明该方法完全适合于机器人标定。标定模型基于D-H参数建模,通用性强,可扩展到多自由度机器人的标定。     

基于分支定界法的运动控制相机轨迹跟踪

提出一种与视频图像纹理信息无关,以运动控制机器人手眼标定算法为核心的相机轨迹跟踪方法。针对无特定参照物的手眼标定算法精度较低的问题,该方法提出一种运用无穷范数在给定旋转分量时迭代求局部优化解的算法。并进一步基于旋转空间分支定界法,提出新的标定方程定界约束条件及划分策略,用于寻找全局最优解。实验结果表明,提出的方法有效提高了无参照物场景的手眼标定精度,并应用于虚拟现实领域。     

一种线结构光视觉传感器手眼标定方法及仿真

研究线结构光视觉传感器安装于多关节测量臂平台上形成复合式测量系统的手眼精确标定,提出了将传感器测量坐标建于激光测量面,通过变姿态测量固定标定点的手眼标定方法。利用机器人运动构型与标定点在传感器的坐标,推导了手眼标定模型。设计标准球为标定靶标,提起球心为标定点。建立了标定仿真模型,基于机构仿真分析平台-InteMech设计了一套仿真试验,试验验证了方法的可行性与有效性。

Abstract：

Hand-eye calibration of the compound measuring system that line structure light visual sensor was mounted on multi-joints measuring arm was researched. A calibration method was proposed,which the measuring coordinate system set on laser plane,a fixed point was measured with sensor from different poses. The hand-eye calibration equation was deduced using robot kinematical parameters and the coordinates of the calibration point in measuring coordinate system. A standard ball was designed as calibration object. And the centre of the ball was the fixed calibration point. Computer simulation modal was discussed. Simulation example was designed in the simulation platform of mechanism analysis-InteMech. The experiments show the calibration method is effective and feasible.     

具有一种新的图像雅可比矩阵估计方法的无定标视觉伺服

对于基于图像的具有手眼或固定摄像机模式的视觉伺服,考虑机器人的运动学及动力学特性,在摄像机的内外参数未知的情况下,提出了一种直接自适应控制方案实现位置控制或轨迹跟踪;利用矩阵变换的方法使得图像雅可比矩阵的组成元素线性地出现在闭环动力学方程中,从而设计了一种新的自适应估计方法在线估计图像雅可比矩阵;利用李亚普诺夫的方法证明了图像误差的渐近收敛性。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于摄像机运动的简单虚拟场景生成

利用摄像机标定技术和视频融合技术设计了一个基于摄像机运动的简单虚拟场景生成系统。首先对摄像机进行标定，然后利用摄像机的运动参数根据摄像机成像模型计算出3-D实景中特定的位置在2-D视频图像上的映射，最后利用映射结果对虚拟景物进行透视变换，并把它实时融合到视频图像特定位置中形成新的视觉效果，实现了一种类似于虚拟演播室的简单、有效、实用的视频制作新方法。实验表明该方法实时性好、生成的虚拟场景效果逼真。     

基于图像的直接视觉伺服控制器设计与仿真

对于手眼机器人视觉伺服,考虑机器人的运动学及动力学特性,在物体的深度未知及机器人的基坐标系与物体的坐标系之间的相似变换矩阵未定标的情况下,设计了直接视觉伺服控制器,利用自适应算法对深度及上述相似变换矩阵的参数进行在线估计,实现了基于图像误差的定位控制,在系统的工作空间范围内,闭环系统是渐近可稳定的。该方法不需要物体的几何模型及深度的精确值,仿真结果验证了其有效性。     

摄影测量系统仿真及验证技术研究

深入探讨理想摄像机成像的过程与OpenGL透视投影的机理,在理论角度证明通过设定OpenGL参数可使虚拟图像与真实摄像机拍摄结果一致.对单撮像机成像、双撮像机成像、径向畸变以及镜面反射、结构光等几种摄影测量情况进行了仿真.提出一种可靠的验证方法,预先设定摄像机的内外参数,由OpenGL渲染生成不同位置的checkerboard图像,利用第三方标定程序包进行标定.标定结果与预先设定的摄像机参数一致,在实践上证明了理论推导的正确性.通过本系统可以了解摄像机在理想状态下成像的基本过程,为视觉系统标定、立体匹配、畸变校正、动态识别等大部分视觉算法的仿真奠定基础.     

激光加工机器人标定的神经网络法

在分析原有机器人误差标定方法的基础上,给出了两种误差标定的神经网络法,并对激光加工机器人进行了精确标定。第一种方法通过前馈神经网络与机器人理想运动学模型结合,可把机器人位姿误差降低到初始值的1/5左右;第二种方法把前馈神经网络与标定好的实际运动学模型结合,进行神经网络-参数法混合位姿标定,并与参数法标定结果进行了对比。仿真结果表明后一种方法可以进一步提高机器人的位姿精度,且可以对参数模型中没有涉及到的因素进行补偿,方法简单且标定效果更好。     

空间机械手模拟器系统设计与实验研究

空间机器人系统复杂,需要在地面进行充分的实验以验证和评估其设计方案和控制算法。为了对系统方案中各部件电气接口设计的有效性、信息传递的正确性进行检验,同时,演示验证信息管理、任务调度的实时性,以及在轨执行任务的能力,设计并研制了一套空间机械手模拟器系统。该系统由空间机械手中央控制器模拟器、关节电模拟器、手爪电模拟器、手眼相机电模拟器、图形仿真器、空间机械手动力学模块和信息调度仿真器组成,各部件之间的电气连接与星上实际系统一致。通过HLA/RTI(Run Time Infrastructure)仿真支撑环境与航天器姿轨控系统进行信息同步和交互,实现了空间机器人在轨任务的仿真。最后提出了一种空间机器人在轨协调控制方法,利用该系统进行了空间机器人协调控制圆弧实验,实验结果表明该系统设计合理、运行稳定,采用的协调控制方法可行有效。     

基于图像特征的双目测距系统的研究

针对双目视觉测距中测量误差大、图像信息单一、实时性差等问题,提出一种基于ORB(oriented fast and rotated brief)特征的双目测距方法。对视频帧进行中值滤波处理,提取图像ORB特征,通过实验选出匹配效果最好的汉明距离。对筛选后的匹配点进行RANSAC(random sample consensus)模型估计,去除误匹配,分析视差和真实距离的模型关系,构建最优的测距模型并在实验平台上进行验证。结果表明:所提方法比其他双目测距方法具有测距精确、运行速度快、鲁棒性强的优势,能够实时显示图中特征的距离信息。     

Some Equivalence Transform Methods for Simulating Models in Control Systems

In this paper two classes of equivalence transform methods for solving ordinary differential equations are proposed. One class of method is the equivalence integral transform method for special differential algebraic problems. The advantage of this class of method is such that the amount of work calculating one integration with parameters becomes that of two interpolations, when the system of nonlinear equations is solved on the right hand side function. The other class of method is the equivalence substitution method tor avoiding calculating derivative on the right hand side function. In order to avoid calculation derivatives, two equivalence substitution methods are proposed here. The application instances of some special effect of the equivalence substitution methods are given.     

邻域自适应选取及权值平均的投影去噪方法

针对常规局部投影方法在选取邻域点和还原时间序列两方面存在的不足,基于混沌时间序列的相空间重构理论,提出了一种基于相空间重构理论的改进的局部投影非线性去噪方法。该方法在邻域范围的选取和时间序列还原两方面进行了改进。用自适应的邻域选取方法代替了常规的固定邻域范围的方法,同时用加权平均代替直接平均还原时间序列。用改进后的方法对不同初始噪声水平下的Henon时间序列和Lorenz时间序列进行仿真,比较常规方法和改进方法去噪后的信噪比,仿真结果表明提出的改进方法能够更有效地去除包含在时间序列中的噪声成分,同时又能够较好地保留原系统中的混沌特性。     

基于多智能体导航的高超飞行器信息融合方法

精确导航技术是高超飞行器(hypersonic vehicle, HV)充分发挥威力的关键所在。然而,高马赫数和强机动性致使HV的导航系统误差及其观测噪声无法准确描述,制约着导航信息的精确性和实时性。为及时获取高精度导航信息,设计基于集员框架的卡尔曼滤波算法。一方面采用多智能体分布式协同探测,形成观测椭球交叉集合,提高了观测效率和测量精度;另一方面,通过设计两类噪声模型,求其与状态估值的最小均方误差,实现滤波增益的计算,提高算法对噪声的抗扰动能力,使状态估值达到均方误差最小。通过数字仿真,将设计方法应用到HV导航模型中,并与扩展卡尔曼滤波和集员滤波的状态估值进行比较,结果表明,提出算法在不同噪声影响下具有更高的估计精度。研究成果将为HV实现实时精确导航提供技术支持,并具有重要的理论意义和应用价值。     

基于特征值检测的多天线盲频谱感知算法的研究(英文)

在多天线感知场景中噪声不确定和信号相关现象可能同时存在,经典的基于能量检测(ED)感知性能将急剧恶化。利用多天线接收信号存在的相关特性,提出一种基于取样协方差矩阵(SCM)特征值的盲频谱感知方法。新方法无需噪声方差、主信号和无线信道的信息参与感知过程。与经典的能量检测方法相比,由于无需噪声方差参与感知节点的判决过程,新方法的感知性能对噪声不确定性具有良好的鲁棒性。利用多元统计理论和随机矩阵理论(RMT)获得了相应的理论判决门限。仿真结果表明新算法比基于ED的感知算法具有更好的误警性能和更可靠的检测性能。     

动中通系统中陀螺信号小波滤波算法

在动中通系统中,陀螺检测的载体扰动信号的精度直接关系到整个系统的精度和性能。针对陀螺噪声信号的特点,提出了一种将3σ模平方阈值和平移不变小波变换(translation invariant discrete wavelet transform, TIDWT)相结合的滤波算法,能够有效地抑制陀螺噪声信号和由小波变换产生的失真现象。仿真和实验结果表明,该滤波算法效果优于传统的小波滤波算法。     

基于加权特征补偿变换的说话人识别仿真研究

在噪声环境下,为提高说话人识别系统的鲁棒性,需要对系统进行各种抗噪声处理。从特征值处理和模型补偿两方面考虑,提出了基于高斯混合模型的加权特征补偿变换的抗噪声方法。一方面根据帧信噪比对特征值的贡献进行加权;另一方面根据说话人识别的声学特性对模型输出的似然得分进行补偿变换。实验结果表明,不管在平稳噪声还是非平稳噪声环境下,该方法都能取得较好的识别效果,并进一步增强系统的鲁棒性。这也说明加权特征补偿变换是降低噪声和干扰的影响、提高系统识别率和鲁棒性的有效方法。     

GNSS接收机射频前端电路相位噪声评估方法

相位噪声是影响全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)接收机性能的一个重要因素,在高性能的接收机设计中,射频前端电路的相位噪声评测是不可忽略的。传统观测相位噪声的方法主要是利用频谱分析仪等专业仪器来实现,其无法观测GNSS接收机射频前端电路(包含模数(analog-digital,AD)转换器)的相位噪声。分析了接收机相位噪声和热噪声在信号复平面域的表现特征,提出了在信号复平面域评估GNSS接收机射频前端电路相位噪声的方法,并对该方法进行了仿真验证和实测验证。利用相位噪声对信号在复平面实部和虚部影响不同的特点,对采集到的信号数字中频数据进行相干积分处理,定量估算接收机射频系统的相位噪声。结果表明,该方法具有较高的评估准确度,可以用于测量与评估GNSS接收机射频前端电路(包含AD转换器)的设计质量,预测接收机性能。