基于视觉伺服反馈的不确定非完整动态移动机器人的自适应镇定

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基于ELM的一类不确定性纯反馈非线性系统的Backstepping自适应控制 (1)

基于ELM的一类不确定性纯反馈非线性系统的Backstepping自适应控制 (1)

性等问题。
文献[8-10]在自适应 Backstepping 设计的基础 上,提出了不同的神经网络自适应 Backstepping
控制方法,且取得了较好的控制效果,它们均是
针对如式(1)所示的严格参数反馈非线性系统进 行的,即
⎧ ⎪
xi
⎨ xn
= =
fi ( xi ) + gi ( fn ( xn ) + gn
应、飞行控制、生化过程等纯反馈非线性动力学
系统是一类更一般的且更能真实描述的非线性系
统[11]。纯反馈形式的非线性系统与严格反馈非线性
系统一样,均具有三角形结构,且状态变量 xi 仅依 赖于[x1,x2,…,xi+1]T,i=1,…,n−1。区别在于严格反馈 非线性系统是一类特殊形式的纯反馈非线性系统,
中图分类号:TP 273
文献标志码:A
文章编号:0438—1157(2016)07—2934—10
Adaptive control for a class of uncertain pure-feedback nonlinear systems using Backstepping based on extreme learning machine
第 67 卷 第 7 期 2016 年 7 月
化工学报 CIESC Journal
Vol.67 No.7
J·ul2y923041·6
DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151533
基于 ELM 的一类不确定性纯反馈非线性系统的 Backstepping 自适应控制
李军,石青
极限学习机(extreme learning machine, ELM)是 由 Huang 等[14-15]提出的用于单隐层前馈网络(single layer feedback networks, SLFNs)的快速学习算法,其 特点是随机选择 SLFNs 的隐含层节点及相应的节 点参数,在训练过程中仅需调节网络的输出权值。 针对单数单输出仿射非线性系统,文献[16]给出了 基于 ELM 的直接自适应神经控制方法,应用于倒 立摆基准实例中。针对一类多输入多输出严格反馈 非线性动力学系统,文献[17]给出了基于 ELM 的自 适应 Backstepping 控制方法,应用于双轴运动平台 实例中;文献[18]给出了基于 ELM 的鲁棒自适应控 制方法,应用于二自由度刚性机械臂实例中,均取 得了很好的控制效果。

神经网络PID控制的机器人视觉反馈跟踪

神经网络PID控制的机器人视觉反馈跟踪

p a tr i s le . h muainrs t so ta eme o f cie r a mees s ov T es lt u s h w th t dief t . d i o el h t h s e v
Ke wo d :mo ie r bo ;ta kng n ai r t iu a a ee s y rs b o t r c i ;u c b a e v s a p m tr ;BP u rl Ne wo k I c n r le ;v s a l l d l r Ne ta t r :P D o to lr iu l
(c o l f pi l l t cl n C m u r n i e n , nvri f h g a fr c n e dT cn lg , h n h i 0 0 3 C ia S h o o O t a E e r a a d o p t E gn x g U i syo S a h io S i c a c - ci e ei e t n e n eh o y S a g a 2 0 9 , h ) o n
2 1 年 第 2 卷 第 2期 02 1
ht:ww . S .r. t / wc - ogc p/ ・a n
计 算 机 系 统 应 用
神经网络 PD控制的机器人视觉反馈跟 I
自 洁 ,王朝立 ,孙玉莎,鲁 国辉
( 上海理工大学 光 电信息与计算机工程学院,上海 2 0 9 ) 0 0 3
在视 觉参数未知的情 况下传 统的标 定方法代表 的方法
有 D T方法 , si L T a 的方法‘ l 5 ,Weg的迭代法【a但 , 6 n 7 】
这些标定过程费时费力在实际应用 中受到限制 。张雪

基于视觉伺服的Baxter机器人手臂跟随系统研究

基于视觉伺服的Baxter机器人手臂跟随系统研究

河 北 水 利 电 力 学 院 学 报JournalofHebeiUniversityof WaterResourcesandElectricEngineering 2021 年6 月第31卷第2期Jun 2021Vol31 No2文章编号:2096 — 5680(2021)02 — 0061 — 06基于视觉伺服的 Baxter 机器人手臂跟随系统研究王政博12,唐 勇12,刘海波1,孙东来12,栗梦媛1(1.河北水利电力学院自动化与通信工程学院,河北省沧州市重庆路1号061001;2.河北省高校水利自动化与信息化应用技术研发中心,河北省沧州市重庆路1号061001)摘要:文中介绍了 Baxter 机器人控制方式和一种基于势函数的视觉伺服控制机器人手臂跟随运动的方法,为服务机器人和协作机器人的发展提供了技术支撑。

首先通过基于OpenCV 的颜色检测方法从摄像机获取跟随物体的相对方位信息,然后通过ROS 系统对机械臂进行运动控制,最后利用视觉与机器人配合完成机器人手臂跟随系统设计。

通过对跟随轨迹精度分析 表明,眼内视觉传感器的布置可以提供相对较高的精度,避免视觉碰撞,从而实现准确的跟随运动。

利用实验验证了该方法的有效性。

关键词:Baxter ;OpenCV;视觉伺服;运动控制中图分类号:TP242文献标识码:ADOI : 10. 16046/j. cnki. issn2096-5680. 2021. 02. 011随着德国政府在2011年4月的汉诺威工业博 览会上正式提出“工业4. 0”[1〕战略,中国于2015年5月正式提出《中国制造2025》并成为中国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领,智能制造已经成 为现在工业制造的热门发展方向。

在汽车及零部件制造、食品加工、机械加工等领域应用的传统工业机器人价格不断降低,使用量不断增长的背景下,机器 人的应用领域变得更加广泛。

随着智能机器人的发展,机器人需要完成更多智能化操作,这对机器人的 操作精度、柔性等方面提出更高的要求。

不确定轮式移动机器人的任意轨迹跟踪

不确定轮式移动机器人的任意轨迹跟踪

不确定轮式移动机器人的任意轨迹跟踪庞海龙;马保离【摘要】本文研究参数不确定轮式移动机器人的任意轨迹跟踪统一控制问题.通过引入坐标变换、输入变换和辅助动态,将机器人模型转换为合适的形式;进而运用Lyapunov方法和自适应技术设计了一种自适应统一控制器,该控制器可以保证跟踪误差全局一致最终有界,且最终界大小可以通过调整控制器参数而任意调节.仿真结果验证了控制律的有效性.【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2014(031)003【总页数】8页(P285-292)【关键词】轮式移动机器人;统一控制器;实际稳定;自适应控制【作者】庞海龙;马保离【作者单位】北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TP273轮式移动机器人的控制问题因其理论挑战性和广泛的实际应用价值而吸引了大批研究者.轮式移动机器人受到纯滚动约束,是典型的非完整系统.其基本运动控制目标可以表述为:1)两个位姿间的移动; 2)跟踪一个给定的时间轨迹;3)跟踪一个给定的几何路径.从控制的角度看,由于不存在连续时不变纯状态反馈实现非完整机器人位姿的渐近镇定[1],因此位姿镇定要难于轨迹跟踪和路径跟踪;同时也意味着,似乎有必要针对不同的控制任务设计不同的控制律.已有很多文献研究了机器人的镇定问题.Bloch等为几种不同类型的非完整系统设计了分段时不变连续控制律,实现了局部定点镇定[2].Canudas de Wit等为非完整机器人设计了全局指数镇定控制律[3]. Samson为二轮车设计了光滑时变反馈控制器,实现了局部渐近镇定[4].Jiang和Samson为一类非完整系统设计了全局渐近反馈控制律[5–6].为了使光滑时变控制器实现快速响应,Godhavn和M’Closkey等为一类非完整系统设计了局部指数镇定控制律[7–8]. Escober等为磁场定向感应电机设计了指数镇定控制律[9].Dixon等利用动态振荡器为轮式移动机器人设计了全局指数镇定控制器[10].机器人的跟踪问题也得到了广泛深入地研究. Kanayama等为自主移动机器人设计了光滑反馈控制律,实现了局部渐近跟踪[11].Walsh等为相似的线性化模型设计了局部指数跟踪控制律[12].在角加速度可测条件下,Jiang等为移动机器人设计了全局渐近跟踪控制器[13];在不必测量角加速度的情况下,为一般链式系统设计了半全局和全局渐近跟踪控制律[14].同时,文献[15–17]提出了不同的路径跟踪控制策略. 然而,笔者不希望使用不同的控制器完成不同的控制任务,而是希望机器人在不同的控制器之间连续切换.例如对于常见的进坞操作,笔者期望机器人按照预设的几何轨迹到达期望的位置和姿态.因此希望利用单一控制器同时实现轨迹跟踪与定点镇定. 一些学者已对统一控制问题进行了研究,以下简要介绍其中重要成果.在持续激励条件下,Dixon等为轮式移动机器人设计了全局指数跟踪控制律,通过设置某个参数为零,跟踪控制律也可用于定点镇定[18].在饱和约束条件下,Lee等为轮式移动机器人设计了全局动力学统一控制器,同时实现了跟踪和镇定目标,但是控制器参数选择与参考轨迹有关[19].为了实现轮式移动机器人的全局渐近跟踪和镇定,Do等设计了全局时变静态反馈统一控制器[20]和全局时变输出反馈统一控制器[21].然而,文献[18]提出的控制器是基于控制任务的,文献[18–21]提出的控制器只能跟踪特定类型的可行轨迹(包括固定点),但不能跟踪任意参考轨迹.为了跟踪任意可行/不可行轨迹,研究者转而设计实际稳定统一控制器,保证跟踪误差全局一致最终有界.Dixon等为轮式移动机器人分别设计了变结构统一控制律和鲁棒统一控制律,在有界扰动下可保证位置和姿态跟踪误差全局一致毕竟有界[22–23].Behal等将文献[22–23]的结果扩展到欠驱动水面船舶,提出了连续时变统一控制律,保证跟踪误差全局一致最终有界[24].文献[22–24]提出的控制器能够跟踪任意可行轨迹,但不能跟踪不可行轨迹.对于不可行轨迹跟踪,Bloch等利用滑模方法为一阶非完整积分器系统设计了运动学统一控制器,可以保证系统状态跟踪包括固定点和不可行轨迹在内的任意参考轨迹,且跟踪误差任意小[25].Morin等提出了横截函数方法,并利用此方法分别为可控无漂移非线性系统和轮式移动机器人设计了统一反馈控制器,均实现了对任意参考轨迹的实际跟踪[26–27].然而,为了获得小的跟踪误差,基于横截函数法设计的控制器会使得控制输入在暂态过程中幅值很大.本文针对参数不确定轮式移动机器人设计了自适应统一控制律,使得机器人对任意参考轨迹的跟踪误差全局一致最终有界,且最终界任意小.与文献[23]只能跟踪可行参考轨迹相比,本文设计的控制器可以跟踪任意参考轨迹,包括可行轨迹和不可行轨迹,且跟踪误差全局一致最终有界.本文内容安排如下:第2节给出了轮式移动机器人统一控制问题描述;第3节为控制律设计及证明;第4节进行了仿真验证:第5节为结论.轮式移动机器人的简化模型为[28]其中:(x,y)表示机器人质心在惯性坐标系下的位置; θ表示机器人的姿态角,即机器人线速度方向与横轴正向的夹角;(v,r)分别表示机器人的线速度和角速度;模型参数R表示轮子半径; 2L为两个后轮的间距;m为机器人的质量;I为机器人关于质心的转动惯量;为控制输入,τ1,τ2为后轮电机产生的控制力矩.假设1模型参数β1>0,β2>0未知.笔者期望机器人跟踪任意参考轨迹(xr(t),yr(t), θr(t)),可以是固定点或是可行/不可行轨迹.如果参考轨迹(xr(t),yr(t),θr(t))满足式(1)的运动学约束则称其为可行轨迹,否则称为不可行轨迹[26].对参考轨迹做如下假设:假设2始终有界.在实际中,目标(xr(t),yr(t),θr(t))的速度和加速度始终有界,因此这个假设是合理的. 轮式移动机器人任意轨迹跟踪统一控制器设计问题可以描述为:在假设1−2下,设计控制律((.),(.))使得机器人可以跟踪任意参考轨迹,即机器人位置和角度误差(x−xr,y−yr,θ−θr)全局一致最终有界,且最终界可以通过调节控制器参数被设置到任意小.接下来利用文献[18,22–23]的坐标变换将机器人的误差模型转换为一种有利的形式.首先定义如下误差变量:其中位置误差变量˜x,˜y定义为此时位置和角度误差动态可以表示为基于式(2)定义新的误差变量对式(5)求导并结合式(1)−(4),可得误差变量动态方程为其中式(6)为受扰的一阶非完整积分器,f为扰动项(见文献[25]),这种形式有利于统一控制器的设计.对式(7)中的u1,u2求导并结合式(1)−(6)可得其中此时机器人模型(1)转换为其中:在式(7)中给出.基于模型(10),本文的控制目标可以重新描述为:在假设1−2和参数γ1>0,γ2>0未知的情况下,设计控制输入使得跟踪误差(z1,z2,ω)全局一致最终有界,且最终界可以任意小.注1机器人跟踪可行轨迹时,参考轨迹可以表示为x˙r=vrcosθr,y˙r=vrsinθr,其中vr 表示参考轨迹线速度.此时设计如下虚拟速度控制律以镇定(z1,z2,ω):取备选Lyapunov函数,则利用Barbalat引理可以证明而且可以进一步证明:只要则由于篇幅限制,具体证明过程在此省略.基于虚拟控制律并结合自适应技术和后退法,可以进一步设计实际控制律使得然而,此控制律只能跟踪特定类型的可行参考轨迹,不能跟踪不可行或定常参考轨迹.因此,需要设计可以跟踪任意参考轨迹(包括不可行轨迹)的统一控制器.考虑到不可行轨迹跟踪最好的结果是全局一致最终有界跟踪[27],因此本文的控制目标是设计统一控制律保证跟踪误差(z1,z2,ω)全局一致最终有界,且最终界可以任意小.基于模型(10),本节分两步设计统一控制器: I)为(z1,z2,u1,u2)设计辅助轨迹使得(z1d,z2d)全局一致最终有界,且最终界可以任意小;II)设计自适应控制律使得(z1,z2, u1,u2)全局趋于.此时(z1,z2,ω)全局一致最终有界.3.1 辅助轨迹设计(Design of auxiliary trajectory)辅助轨迹设计为其中:ε2,ω,f在式(5)(7)中给出.引理1式(11)−(12)的辅助动态(z1d,z2d)保证: 1)(z1d,z2d,ρ)全局一致最终有界,最终界为(α1ε,且最终界可以通过减小ε而变得任意小;2)证对ρ求导可得.此式的解析解为由此可知,ρ(t)渐近趋于ε2,即ρ(t)≥ε2,ρ(t)→ε2.因此,(z1d,z2d,ρ)全局一致最终有界,最终界为(α1ε, α1ε,α1ε2),且可以任意小,其中α1>1.由式(11)−(12)可以直接得到注2由引理1的证明过程可知f+k2ω不要求有界.实际上,无论f+k2ω是否有界,只要ρ(0)≥ε2,k1>0,辅助轨迹(z1d,z2d)最终必定会收敛到一个稳定的极限环3.2 实际控制律设计(Design of actual control law)定义辅助误差变量其中:k3>0,k4>0.由式(10)(13)−(14)可得s1,s2状态方程为其中:基于式(15)−(16),设计控制输入使得,即相应结果在如下定理中给出.定理1基于假设1−2和辅助轨迹(11)−(12),并选择控制参数k7>0,k8>0,则如下的自适应控制律:可以保证:1)(s1,s2,ω)全局趋于零;2)模型(10)中的跟踪误差(z1,z2)全局一致最终有界,且最终界为控制输入全局有界.证将式(20)代入式(15)可得其中表示γ2的估计值.将式(19)−(20)代入式(16)得到其中用到等式表示γ1的估计值.构造备选Lyapunov函数结合式(21)−(24)可得1)变量s1,s2,ω全局趋于零.由于V1≥0,˙V1≤0,可得为了利用Barbalat引理证明(s1,s2)→0,需要证明˙V1一致连续,即证明有界.由于V1有界,因此(s1,s2,有界,有界.由式(14)得可得(e1,,e2,)有界.又因为(z1d,z2d)有界,所以(z1,z2)有界.基于以上分析和假设2可知,如果ω有界,则˙s1,˙s2有界.结合引理1中可得ω动态为然而,由于式(26)中)隐含ω,所以不能由式(26)直接得到ω的有界性.为了消除耦合项)项,引入状态变换并得到其中由于均有界,故fω有界.式 (27)显示¯ω有界,故ω也有界.因此,有界,¨V1有界,从而一致连续.综合以上分析和Barbalat引理可知,因此(s1,s2)→0,即因为且(z1d,z2d)全局一致最终有界,所以fω→0,总之s1,s2,e1,e2,˙e1,˙e2,ω均全局趋于零.最后,由以上分析和()的表达式(19)−(20)可知,控制输入全局有界.2)跟踪误差(z1,z2)全局一致最终有界,且最终界为(α1α2ε,α1α2ε),α2>1.因为(e1,e2)→0,(z1d,z2d)全局一致最终有界且最终界为α1ε,因此z1=e1+z1d,z2=e2+z2d全局一致最终有界且最终界为(α1α2ε,α1α2ε).显然,最终界可通过减小ε而变得任意小.推论1引理1和定理1保证机器人位置和角度跟踪误差全局一致最终有界,最终界为且可以被设置到任意小.证由式(2)−(3)(5)可得应用范数不等式可以得到推论1可以由式(28)和定理1直接得到.注3在本文中,跟踪误差最终界可以任意小,但不能渐近收敛到零.这是因为式(11)−(12)中的辅助状态(z1d, z2d)最终收敛到极限环,而不是零.注4在暂态响应过程中,增大ρ(0)并减小k1可以减小控制输入的幅值.在稳态响应过程中,减小ε将导致控制输入幅值增大,增大ε将使得跟踪误差最终界增大.注5与文献[19–24]只能跟踪可行参考轨迹相比,本文的控制器可以跟踪任意参考轨迹,包括可行和不可行轨迹.与文献[26–27]相比,本文对系统模型参数不确定具有鲁棒性.本节通过仿真算例验证所设计控制律的有效性.在此给出4种参考轨迹:可行固定点、可行直线、可行圆、不可行轨迹.其中可行轨迹可以由式(29)产生:不可行轨迹不能由式(29)产生.基于文献[29]中给出的模型参数β1=0.167,β2=2.17,在此给出4种参考轨迹跟踪仿真结果.1)可行固定点轨迹.可行固定点轨迹由式(29)直接产生,初始值选为(vr,rr)(0)=(0,0),(xr,yr,θr)(0)=(0,0,0).机器人状态和估计值初始值选为控制参数选为可行固定点跟踪仿真结果如图1所示.2)可行直线轨迹.可行直线轨迹由式(29)直接产生,初始值选为(vr, rr)(0)=(0.2,0),(xr,yr,θr)(0)=(0,0,0).机器人状态和估计值初始值选为控制参数选为可行直线跟踪仿真结果如图2所示.3)可行圆轨迹.可行圆轨迹由式(29)直接产生,初始值选为(vr,rr)(0)=(0.2,0.04),(xr,yr,θr)(0)=(0,0,0).与前两个仿真算例相似,选择机器人状态和估计值初始值为控制参数选为可行圆跟踪仿真结果如图3所示.4)不可行轨迹.不可行参考轨迹可以由机器人模型间接产生:其中(xr,yr)表示机器人对称轴上距离质心L1的一点.在此选择机器人状态和估计值初始值选为并选择控制参数不可行轨迹跟踪仿真结果如图4所示.接下来,保持所有状态初始值和控制器参数不变,令ε=0.2,并得到仿真结果如图5所示.图1−5仿真结果表明:1)所设计的控制器可以跟踪任意参考轨迹,包括固定点、可行/不可行轨迹; 2)跟踪误差最终收敛到一个由ε值决定大小的原点邻域内;3)跟踪误差的最终界可以通过减小ε而减小,但是会增大控制输入的幅值.本文针对参数不确定轮式移动机器人设计了动态反馈统一控制律,该控制律可以跟踪任意参考轨迹,跟踪误差全局一致最终有界、且最终界可以任意小.构造的辅助轨迹克服了渐近稳定非完整系统所遇到的困难.利用Lyapunov方法得到的参数自适应控制律实现了对辅助轨迹的跟踪.所提出的控制律可以实际镇定任意参考轨迹(包括固定点、可行轨迹和不可行轨迹).下一步的工作是将本文的控制器设计方法推广到其他非完整欠驱动系统.庞海龙(1988–),男,硕士研究生,目前研究为非线性控制、轮式移动机器人控制,E-mail:****************;【相关文献】[1]BROCKETT R W.Asymptotic Stability and FeedbackStabilization[M].Boston:Birkhauser,1983.[2]BLOCH A M,REYHANOGLU M,MCCLAMROCH N H.Control and stabilization of nonholonomic dynamic systems[J].IEEE Transactions on AutomaticControl,1992,37(11):1746–1757.[3]DE WIT C C,SORDALEN O J.Exponential stabilization of mobile robots with nonholonomic constraints[J].IEEE Transactions on Automatic Control,1992,37(11):1791–1797.[4]SAMSON C.Velocity and torque feedback control of a nonholonomic cart[J].Advanced Robot Control,1991:125–151.[5]JIANGZP.Iterativedesignoftime-varyingstabilizersformulti-input systems in chained form[J].Systems&Control Letters,1996,28(5): 255–262.[6]SAMSON C.Control of chained systems application to path following and time-varying point-stabilization of mobile robots[J].IEEE Transactions on AutomaticControl,1995,40(1):64–77.[7]GODHAVN J M,EGELAND O.A Lyapunov approach to exponential stabilization of nonholonomic systems in power form[J].IEEE Transactions on AutomaticControl,1997,42(7):1028–1032.[8]M’CLOSKEY R T,MURRAY R M.Exponential stabi lization of driftless nonlinear control systems using homogeneous feedback[J]. IEEE Transactions on AutomaticControl,1997,42(5):614–628.[9]ESCOBAR G,ORTEGA R,REYHANOGLU M.Regulation and trackingofthenonholonomicdoubleintegrator:Af i eld-orientedcontrolapproach[J].Automatica,1998,34(1):125–131.[10]DIXON W E,JIANG Z P,DAWSON D M.Global exponential setpoint control of wheeled mobile robots:a Lyapunov approach[J]. Automatica,2000,36(11):1741–1746.[11]KANAYAMA Y,KIMURA Y,MIYAZAKI F,et al.A stable tracking control method for an autonomous mobile robot[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Cincinnati,OH:IEEE,1990:384–389.[12]WALSH G,TILBURY D,SASTRY S,et al.Stabilization of trajectories for systems with nonholonomic constraints[J].IEEE Transactions on Automatic Control,1994,39(1):216–222.[13]JIANG Z P,NIJMEIJER H.Tracking control of mobile robots:a case study in backstepping[J].Automatica,1997,33(7):1393–1399.[14]JIANG Z P,NIJMEIJER H.A recursive technique for tracking control of nonholonomic systems in chained form[J].IEEE Transactions on Automatic Control,1999,44(2):265–279.[15]AGUILAR M,SOUERES P,COURDESSES M,et al.Robust pathfollowing control with exponential stability for mobile robots[C] //Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Leuven:IEEE,1998,4:3279–3284.[16]DE WIT C C,KHENNOUF H,SAMSON C,et al.Nonlinear Control Design for Mobile Robots[M].Singapore:World Scientif i c,1993.[17]DEL RIO F D,JIM´ENEZ G,SEVILLANO J L,et al.Error adap tive tracking for mobile robots[C]//The 28th IEEE Annual Conference of the Industrial ElectronicsSociety].Sevilla,Spain:IEEE,2002,3: 2415–2420.[18]DIXON W E,DAWSON D M,ZHANG F,et al.Global exponential trackingcontrol of amobile robot systemvia a PEcondition[J].IEEE Transactions on,Systems,Man,andCybernetics,Part B:Cybernetics,2000,30(1):129–142.[19]LEE T C,SONG K T,LEE C H,et al.Tracking control of unicyclemodeled mobile robots using a saturation feedback controller[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2001,9(2):305–318.[20]DO K D,JIANG Z P,PAN J.Simultaneous tracking and stabilization of mobile robots:an adaptive approach[J].IEEE Transactions on Automatic Control,2004,49(7):1147–1151. [21]DO K D,JIANG Z P,PAN J.A global output-feedback controller for simultaneous tracking and stabilization of unicycle-type mobile robots[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation,2004, 20(3):589–594.[22]DIXON W E,DAWSON D M,ZERGEROGLU E.Tracking and regulation control of a mobile robot system with kinematic disturbances: a variable structure-likeapproach[J].Journal of Dynamic Systems, Measurement,and Control,2000,122:616. [23]DIXON W E,DAWSON D M,ZERGEROGLU E,et al.Robust tracking and regulation control for mobile robots[J].International Journal of Robust and NonlinearControl,2000,10:199–216.[24]BEHAL A,DAWSON D M,DIXON W E,et al.Tracking and regulation control of an underactuated surface vessel with nonintegrable dynamics[J].IEEE Transactions on Automatic Control,2002,47(3): 495–500.[25]BLOCH A,DRAKUNOV S.Stabilization and tracking in the nonholonomic integrator via sliding modes[J].Systems&Control Letters,1996,29(2):91–99.[26]MORIN P,SAMSON C.Practical stabilization of driftless systems on Lie groups:the transverse function approach[J].IEEE Transactions on Automatic Control,2003,48(9):1496–1508.[27]MORIN P,SAMSON C.Control of nonholonomic mobile robots based on the transverse function approach[J].IEEE Transactions on Robotics,2009,25(5):1058–1073.[28]LAPIERRE L,SOETANTO D,PASCOAL A.Nonsingular path following control of a unicycle in the presence of parametric modelling uncertainties[J].International Journal of Robust and Nonlinear Control,2006,16(10):485–503.[29]CORRADINI M L,ORLANDO G.Control of mobile robots with uncertainties in the dynamical model:a discrete time sliding mode approach with experimentalresults[J].Control Engineering Practice, 2002,10(1):23–34.。

机器人视觉伺服系统

机器人视觉伺服系统

机器人视觉伺服系统2014-2-18 15:28:29 浏览:112目前,在全世界的制造业中,工业机器人已经在生产中起到了越来越重要的作用。

为了使机器人能够胜任更复杂的工作,机器人不但要有更好的控制系统,还需要更多地感知环境的变化。

其中机器人视觉以其信息量大、信息完整成为最重要的机器人感知功能。

机器人视觉伺服系统是机器视觉和机器人控制的有机结合,是一个非线性、强耦合的复杂系统,其内容涉及图象处理、机器人运动学和动力学、控制理论等研究领域。

随着摄像设备性能价格比和计算机信息处理速度的提高,以及有关理论的日益完善,视觉伺服已具备实际应用的技术条件,相关的技术问题也成为当前研究的热点。

本文对机器人视觉伺服技术进行了综述,介绍了机器人视觉伺服系统的概念及发展历程和分类,重点介绍了基于位置的视觉伺服系统和基于图像的视觉伺服系统。

对机器人视觉所涉及的前沿问题做了概括,并指出了目前研究中所存在的问题及今后发展方向。

机器人视觉伺服系统视觉伺服的定义:人类对于外部的信息获取大部分是通过眼睛获得的,千百年来人类一直梦想着能够制造出智能机器,这种智能机器首先具有人眼的功能,可以对外部世界进行认识和理解。

人脑中有很多组织参与了视觉信息的处理,因而能够轻易的处理许多视觉问题,可是视觉认知作为一个过程,人类却知道的很少,从而造成了对智能机器的梦想一直难以实现。

随着照相机技术的发展和计算机技术的出现,具有视觉功能的智能机器开始被人类制造出来,逐步形成了机器视觉学科和产业。

所谓机器视觉,美国制造工程师协会(sme society of manufacturing engineers)机器视觉分会和美国机器人工业协会(ria robotic industries association) 的自动化视觉分会给出的定义是:“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像,以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置。

基于无模型自适应控制的视觉伺服

基于无模型自适应控制的视觉伺服

基于无模型自适应控制的视觉伺服
彭宗玉;黄开启;苏建华;王丽丽
【期刊名称】《计算机与现代化》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】传统的机器人视觉伺服控制技术需要已知机器人精确的动力学和运动学模型以及机器人的手-眼参数。

然而,由于机器人建模、手-眼标定等过程存在一定误差,因此很难精确获得视觉伺服控制模型,从而影响机器人视觉伺服系统的精度和收敛速度。

针对这一难题,本文提出一种基于无模型自适应控制方法(MFAC)的机器人视觉伺服技术。

利用视觉伺服系统的输入与输出数据,实现自适应视觉伺服控制,即通过MFAC在线估计机器人伺服控制器中的雅各比矩阵,并结合滑模控制器,实现机器人对目标的快速精确跟踪。

实验结果表明,本文提出的方法在系统参数变化引起的未知扰动情况下仍能保证伺服控制器平稳收敛,并且能够减小视觉跟踪误差。

【总页数】6页(P29-34)
【作者】彭宗玉;黄开启;苏建华;王丽丽
【作者单位】江西理工大学电气工程与自动化学院;中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.直线电机伺服系统的无模型自适应控制
2.模糊分层模型参考自适应控制方法在机器人视觉伺服中的应用
3.轧机液压伺服位置系统的无模型自适应控制
4.具有未知负载扰动的水井钻机电液伺服系统无模型自适应控制
5.伺服驱动系统无模型自适应控制
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非完整移动机器人的鲁棒镇定

Robust Stabilization of Nonholonomic Robots 作者: 盛艳波 杨芳
作者机构: 宁波工程学院,浙江宁波315211
出版物刊名: 宁波工程学院学报
页码: 81-85页
年卷期: 2012年 第4期
主题词: 非完整 移动机器人 鲁棒镇定
摘要:本文针对一类典型的不确定非完整运动学系统--两轮驱动的平面移动机器人,研究了其鲁棒镇定问题。

首先给出单目摄像机下的移动机器人的视觉模型,然后建立(2.0)型非完整移动机器人的运动学模型,在视觉参数未知的情形下,设计一种能使系统渐近稳定的控制器,并严格证明了闭环系统的稳定性,仿真结果验证了所设计控制器的有效性。

含驱动器动力学的移动机器人编队自适应控制_李艳东_朱玲_孙明


基金项目: 国家青年科学基金 (No.61100103) ; 齐齐哈尔大学青年教师科研启动支持计划项目 (No.2011k-M02) ; 黑龙江省教育厅科 学技术项目 (No.12511600) 。 作者简介: 李艳东 (1978—) , 男, 博士, 讲师, 主要研究领域为机器人控制, 智能控制, 非线性控制。 E-mail: liyandong1234@ 收稿日期: 2012-03-01 修回日期: 2012-05-03 文章编号: 1002-8331 (2014) 01-0235-05 CNKI 网络优先出版: 2012-06-15, /kcms/detail/11.2127.TP.20120615.1725.013.html
vvt为广义速度向量v和分别为移动机器人的线速度和角速度mq为系统惯性矩阵cqq?是与位置和速度有关的向心力和哥氏力矩阵b是仅与轮距r和轮半径r有关的非奇异矩阵d是包括有界的未建模动力学的未知扰动f为表面摩擦uurultur与ul是加在右轮和左轮电机的输入电压d是机器人后轴到前部的距离
Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
轴中点在笛卡尔坐标系中的坐标 , θ 为机器人的导向 角。驱动轮的间距为 2R , 驱动轮的直径为 2r 。 V = [v ω]T
v 和 ω 分别为移动机器人的线速度和 为广义速度向量, -角速度,M (q) 为系统惯性矩阵, C (q q̇ ) 是与位置和速 度有关的向心力和哥氏力矩阵,B 是仅与轮距 R 和轮 半径 r 有关的非奇异矩阵, τ d 是包括有界的未建模动力 u = [u r u l ]T , F 为表面摩擦, u r 与 u l 是加 学的未知为跟随者 j 定义了一个参考位姿, 则对 于图 1 描述的机器人编队, 由文献 [8]可知编队的运动学 偏差为: (1) (2)

基于图像的移动机器人视觉伺服


要是 I V B S研 究 。 以往 的 研 究 多 采 用 近 似 线 性 输 入 输 出反 馈 控 制 模 型 【,但 此 模 型 需 要 多处 近 似 处 理 ,为 此 本 文 4 J
提 出 了运 用极线几 何与三角 几何相结 合 的方 法 , 有效 克服 了过 多近似 的情况 , 更简便地 实现 了机器 人 由初始位 置
u i g a p r x ma e i p to t u i e rf e b c i h h s m a y a s m p i n s n n a p o i t n u — u p tln a e d a k wh c a n s u to s,t r e me h d o h e t o s c mbi i g nn
觉 技 术 因用 于 控 制 移 动 机 器 人 而 被 广 泛 研 究 。 于 视 觉 的 伺 服 策 略 是 采 用 相 机 所 观 察 的 特 征 来 控 制 机 器 人 移 动 的 基 种 灵 活 有 效 的方 法 。视 觉 伺 服 主 要 分 为 3种 :基 于 位 置 的视 觉 伺 J (oio . ae i a S ro B ) J ] P s inB sd Vs l e ,P VS¨ 、  ̄ t u v 基 于 图 像 的 视 觉 伺 H ( VS[4 混 合 控 制 视 觉 伺 服 J 期 的 研 究 主 要 是 基 于 位 置 的 视 觉 伺 服 研 究 ,近 年 来 主  ̄I B )- 和 3】 。早
基 于 图像 的 移 动 机 器 人 视 觉 伺 服
杨少 平 ,孔庆 生 ,陈 雄
( 旦 大 学 电子 工程 系 ,上 海 2 0 3 ) 复 0 4 3
摘 要 :为 了更 简 便 地 将 基 于 图像 的 视 觉 伺 服 运 用 于 移 动 机 器 人 ,避 免 采 用 近 似 线 性 输 入 输 出反 馈 控 制 模 型 中近 似 与假 设 的 情 况 ,提 出 了 3 种 使 用 极 线 几 何 与 三 角 几 何 相 结 合 的 方 法 ,此 类 方 法 不 需 要 预 先 知道 三 维 场 景 的 结 构 知 识 。 实 验 仿 真 结 果 证 明 了该 方 法 的 有 效 性 。 关 键 词 :基 于 图像 的视 觉 伺 服 ;移 动机 器 人 ;极 线 几 何

基于动态目标的机器人无标定视觉伺服系统仿真

a c r c . S t est e e gn e n p l a in rq i me t c ua y o i me t h n i e r g a p i t e u r i c o e n. Ke wo d :Vi a e v ;No - a ir t n;I g ;S s m i l t n y rs s l s ro u n c b ai l o ma e y t smu ai e o
基 于动 态 目标 的机 器 人无 标 定视 觉 伺服 系统 仿 真
赵喜锋 ,杜 向党,巩静静 ,白龙
( 西北 工业 大学航 海 学院 ,陕 西西安 70 7 ) 10 2
摘要 :机器人视觉伺服在智能控制领域有着广 泛的应用 。为了解 决摄 像机标定 影响机器人 视觉伺 服精度 的问题 ,研究
中图分类号 :T 2 P4 文献标识码 :A 文章编号 :10 3 8 (02 1 1 4 0 1— 8 1 2 1 )1 —16—
S m u a i n o m a e ba e b tViu lS r o S s e i l to f I g . s d Ro o s a e v y Fra bibliotek m一
种无标定的视觉伺服控制 系统 。采用 基于 图像 的视 觉伺 服方法 ,基 于机器人 仿真 工具箱 和视觉仿 真工 具箱 ,在 Maa/ tb l
Sm l k环境下建立 了图像 反馈机器人手眼视觉伺服系统 Sm l k模型 。仿真 结果表 明 :所构建 的机器 人视 觉伺 服系统对 i ui n i ui n 于正弦波动 目标 的跟踪定位 ,反 映较 快 、精度 较高 ,能较好 地满足工程应用要求 。 关键词 :视觉伺服 ;无标定 ;图像 ;系统仿真
机器人 视 觉伺 服 是 以实现 机 器人 的控 制 为 目
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Manuscript received July 1, 2010; accepted March 2, 2011 Supported by National Natural Science Foundation of China(60874002), Key Project of Shanghai Education Committee (09ZZ158), Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Government (S30501) 1. Control Science and Engineering Department, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P. R. China 2. School of Science, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016, P.R. China
Over the past ten years, the control of nonholonomic systems have formed an active area within the nonlinear control community. By the theorem of Brockett[1] , a nonholonomic system cannot be stabilized at a single equilibrium point by any continuous, time-invariant, statefeedback controller. To solve this problem, lots of methods have been considered[2−7] . In the control of nonholonomic mobile robots, it is usually assumed that the robot states are available and exactly reconstructed using proprioceptive and exteroceptive sensor measurements. Unfortunately, in real-world applications involving mobile robots, these assumptions often do not hold due to uncertainties in the kinematic and dynamic models, mechanical limitations and measurement noise. As a consequence, the estimation of the robot states from sensor measurements can be affected by these perturbations. An interesting approach to overcome this position measurement problem is to utilize a vision system to directly obtain the Cartesian position information required by the controller. Since the late 1980 s, much effort has been made into visual servoing and vision-based manipulations[8−11] . A significant issue with camera-based vision systems is the lack of depth information. From a review of literature, various approaches have been developed to address the lack of depth information inherent in vision systems. Chen et al.[12] developed a mobile robot visual servoing tracking controller when a monocular camera was onboard. In [13], asymptotic regulation of the position/orientation of a mobile robot with a monocular camera was achieved by exploiting homography-based visual servoing control strategies. However, the homography estimation and decomposition process were not a trivial issue. Wang et al.[14] investigated the dynamic feedback robust stabilization of nonholonomic mobile robots with uncalibrated monocular camera based on visual servoing feedback. The methods mentioned above are based on kinematics only and the nonlinear forces in robot dynamics are neglected. However, in practice, it is more realistic to formulate the nonholonomic system control problem at dynamic
level, where the torque and force are taken as the control inputs. Liu et al.[15] presented a new adaptive controller for image-based dynamic control of a robot manipulator using a fixed camera whose intrinsic and extrinsic parameters were not known. [16] proposed a new adaptive controller for image-based visual servoing of both point and line features using an uncalibrated eye-in-hand camera system. Dixon et al.[17] used feedback from an uncalibrated, fixed (ceilingmounted) camera to present an adaptive tracking controller for a mobile robot that compensated for the parametric uncertainties in the camera and the mobile robot dynamics. However, the development in [17] cannot be applied to the mobile robot stabilization problem due to restrictions on the mobile robot reference velocity (i.e., the reference linear velocity does not converge to zero). In this paper, the stabilization problem of a nonholonomic mobile robot (NMR) with uncertain dynamics and uncertain visual parameters is considered. Specifically, an adaptive sliding mode controller is proposed for the NMR, in which adaptive control techniques are used to compensate for the parametric uncertainties and sliding mode control is used to suppress the bounded disturbances. The controller guarantees the output of the dynamic subsystem (the input of the kinematic subsystem) to track some bounded auxiliary signals which subsequently drive the kinematic subsystem to achieve global asymptotic stabilization. The most interesting feature of this paper is that the problem is discussed in the image frame and the inertial frame, which make the problem easy and useful. This paper is organized as follows. In Section 1, based on the pin-hole camera model, the camera-object visual servo kinematic and dynamic models of an NMR are introduced. In Section 2, a kinematic stabilizing controller and a torque controller for the NMR are developed. In Section 3, the dynamic stability of the proposed controller is rigorously proved by the Lyapunov method. In Section 4, the controller s performance is illustrated through the simulation results. The last section presents a conclusion and outlines the future work.
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