仿海蟹机器人目标跟踪方法及运动规划研究

摘要

随着海洋开发的快速发展以及海洋强国战略的提出，针对浅滩环境的动植物观测、军事侦查、水文监控和水雷排爆等方面的研究日渐成为科研热点，因此对具备侦查和目标跟踪能力的两栖机器人需求日益增长。本文以生物海蟹作为原型，进行生物观测并对其进行结构和功能仿生和分析，研制出一种具备两栖作业能力的仿海蟹机器人，该机器人可实现在一定区域内对给定目标的搜索和跟踪。
　　本文设计了仿海蟹机器人本体结构。通过对海蟹的生理结构和运动特征进行观测和分析，结合机器人设计要求对生物海蟹的步行足和游泳足进行简化，设计了串并联混合形式的五连杆机构步行足和串联结构形式的三自由度游泳足。针对仿海蟹机器人的工作环境和任务需求，进行了仿海蟹机器人防水控制箱、双目视觉平台和机器人总体结构设计;建立了步行足的运动学模型，开展了步行足的正、逆运动学分析，最后利用MATLAB软件对步行足运动学和工作空间进行仿真验证。
　　对基于双目视觉的目标检测和定位跟踪方法进行了分析和研究。首先建立了双目摄像机模型并进行了双目相机的标定实验，获取其内、外参数。针对目标物的图像特征，开展了基于图像分割的的球形目标物检测与匹配方法与SURF特征点的目标物检测与匹配方法研究。由于SURF特征点在匹配时存在误匹配的问题，通过对匹配算法进行改进实现了误匹配点对的剔除和匹配精度的提高。针对目标物的定位与跟踪问题，采用了基于关键参考点测距的定位方法进行目标物定位，并进行了目标物定位实验以验证定位方法的有效性;采用了基于特征的目标跟踪方法并引入Kalman滤波器减少目标搜索区域并提高算法的计算速度。
　　对仿海蟹机器人的目标搜索与跟踪进行了运动规划研究。针对仿海蟹机器人定位问题，采用了视觉里程计与IMU融合定位算法以实现机器人在地图中的准确定位。为了实现机器人对期望轨迹的跟踪，设计一种自适应模糊PD控制器，得到每个步态周期的步态参数并根据该参数规划机器人的步态。同时，研究了机器人对静态目标和运动目标跟踪的控制策略与运动规划，研究了云台跟踪模式和机体跟踪模式的控制策略。
　　搭建了仿海蟹机器人的目标跟踪控制系统并开展了目标跟踪实验研究。设计了分层递阶智能控制系统并搭建仿海蟹机器人样机本体和实验平台，完成了仿海蟹机器人基本性能测试和目标搜索实验、静态目标与动态目标跟踪实验，并分析机体的运动稳定性和跟踪误差，验证了目标搜索和目标跟踪控制策略的合理性与有效性，最终实现机器人对目标的稳定跟踪。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景和意义

1．2基于视觉的多足机器人国内外研究现状

1．2．1基于视觉的多足机器人国外研究现状

1．2．2基于视觉的多足机器人国内研究现状

1．3基于视觉的目标检测与跟踪方法研究现状

1．4基于双目视觉的多足机器人目标跟踪的关键技术问题

1．5本文主要研究内容

第2章仿海蟹机器人总体结构方案研究

2．1生物蟹仿生学观测

2．2仿海蟹机器人结构设计

2．2．1步行足结构设计

2．2．2游泳足结构设计

2．2．3防水控制箱结构设计

2．2．4双目视觉平台机械结构设计

2．2．5机器人总体结构

2．3机器人步行足运动学分析

2．3．1步行足运动学建模与分析

2．3．2步行足运动学验证与工作空间分析

2．4本章小结

第3章仿海蟹机器人目标检测和定位跟踪方法研究

3．1双目摄像机模型与摄像机标定

3．1．1摄像机成像模型

3．1．2视觉测量中的坐标系转换关系

3．1．3双目摄像机标定实验

3．2双目视觉目标物特征检测与匹配方法研究

3．2．1基于图像分割的的球形目标物检测方法研究

3．2．2基于改进的SURF特征点的目标物检测与匹配方法研究

3．2．3目标物特征检测与改进的匹配算法验证实验

3．3基于双目视觉的目标物定位方法研究

3．3．1基于关键参考点测距的目标物定位方法

3．3．2目标物关键参考点定位实验

3．4目标物特征跟踪与运动信息的采集和处理

3．4．1基于卡尔曼滤波的目标物运动参数估计

3．4．2目标搜索区域的确定与目标丢失的处理方法

3．4．3目标物模板更新与运动信息的处理

3．5本章小结

第4章仿海蟹机器人目标搜索与跟踪的运动规划

4．1仿海蟹机器人在地图中的定位方法研究

4．1．1基于双目视觉的视觉里程计设计

4．1．2融合视觉里程计与惯性传感器的机器人定位算法

4．2仿海蟹机器人目标搜索的运动规划

4．2．1仿海蟹机器人低冲击足端轨迹规划

4．2．2仿海蟹机器人全方位步态规划

4．2．3仿海蟹机器人目标搜索的轨迹跟踪控制

4．2．4仿海蟹机器人目标搜索的仿真和分析

4．3仿海蟹机器人目标跟踪的运动规划

4．3．1云台跟踪模式的目标跟踪运动控制

4．3．2机体跟踪模式的目标跟踪控制策略

4．3．3机体跟踪模式的目标跟踪的运动控制

4．4本章小结

第5章仿海蟹机器人目标跟踪控制系统设计与实验研究

5．1仿海蟹机器人目标跟踪控制系统设计与样机研制

5．1．1目标跟踪控制系统硬件结构设计

5．1．2仿海蟹机器人样机研制与实验平台搭建

5．2仿海蟹机器人目标搜索的运动控制实验

5．2．1机器人基本步态测试实验

5．2．2机器人的定位与目标搜索运动控制实验

5．3仿海蟹机器人静态与动态目标跟踪实验

5．3．1机体跟踪模式静态目标跟踪实验

5．3．2云台跟踪模式动态目标跟踪实验

5．3．3机体跟踪模式动态目标跟踪实验

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢