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基于视觉反馈的自动对准系统关键技术研究

李勤文  
【摘要】:近年来,随着高速数据处理器的发展,对准系统已越来越广泛的用于大型物体的吊装和搬运工作,如集装箱的吊装,物料的装载及弹药的运送等。通过对目标空间位置的测量,自动调整移动部件进行对准,克服了传统的利用人工观察并指挥操纵的半自动对准方式效率低下的缺点,使得系统即使在与对准目标非常接近,工作空间狭小及周围有其他设备遮挡的情况下也能较好的完成对准任务。为了提高对准系统的自动化和智能化水平,本文针对导弹吊装对准系统中相关的测量及路径规划等关键技术进行了研究,论文的主要研究工作及成果如下:首先,阐述了本文基于视觉反馈的自动对准系统的相关流程及框架,介绍了视觉测量相关的数学表示方法及测量模型,以及机械臂运动学的D-H参数表示方法和基于齐次坐标变换矩阵的机械臂正、逆运动学模型。其次,针对对准测量系统中由于两测量相机分别对应一个合作目标点而导致的没有公共目标的问题,建立了视觉测量整体方案。提出了在不改变系统结构情况下的测量系统在线装调标定方案,包括光学测量装置光轴垂直度的装调,测量相机焦距的标定,激光测距数据的标定,两相机位姿关系的标定以及测量系统手眼关系的标定。重点解决了测量系统中两个非公共目标相机位姿关系的标定问题,基于DLT-LM算法提出了双相机在线标定方法。实验结果表明基于DLT-LM算法的双目相机标定方法求出的目标点距离均方差优于0.2mm。然后,介绍了非公共目标双目相机位姿测量方法。分析了只有两个合作目标点情况下的部件水平对准偏差测量问题,通过建立测量系统坐标系,利用坐标系间的转换关系构建两合作目标点成像方程之间的联系,结合双轴倾角仪及已标定的测量系统参数求得上下两部件间的水平对准偏差。建立了基于蒙特卡罗方法的测量系统误差分析模型,通过仿真和实验验证了对准系统上下两部件间的水平对准测量均方差优于1mm,满足导弹吊装对准系统的实际应用需求。最后,研究了基于动态运动原语的机器人运动路径规划和避障方法。在基于位置信息的视觉反馈系统中,动态运动原语方法能够根据位置反馈信息重新规划执行路径,即使在对准目标物体位置发生改变的情况下也能够完成对准任务。为了使机械臂能够自动避开对准过程中可能出现的移动障碍物,利用卡尔曼滤波和模型预测控制算法预估未来时刻机械臂末端与障碍物的相对状态,使系统达到更优的避障效果。


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