基于實時視覺的乒乓球機(jī)器人標(biāo)定和軌跡跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)器人技術(shù)以其高度的智能性和應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊性，成為一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標(biāo)志。近年來，一種新型的乒乓球機(jī)器人因其在技術(shù)實現(xiàn)中的實時性和智能性的難度和挑戰(zhàn)，逐漸成為研究的熱點。結(jié)合國家863計劃“基于仿人高性能單元”重大研究課題的開展，本實驗室距今已成功研制開發(fā)了三代乒乓球機(jī)器人實體，立志趕超歐美日等發(fā)達(dá)國家的研究進(jìn)程。
　　 實時視覺系統(tǒng)，相當(dāng)于乒乓球機(jī)器人的眼睛，是所有關(guān)鍵技術(shù)中首要研發(fā)的重點。本論文基于三代

2、機(jī)器人的研制實例和框架結(jié)構(gòu)，重點闡述了實時視覺系統(tǒng)中不同功能模塊的設(shè)計技術(shù)要點。對機(jī)器人視覺系統(tǒng)在識別和跟蹤高速運動物體中所涉及的的圖像數(shù)據(jù)同步采集、運動目標(biāo)識別、單目和雙目攝像機(jī)標(biāo)定、乒乓球飛行軌跡的跟蹤和預(yù)測以及實時運動規(guī)劃等問題進(jìn)行了具體探索和創(chuàng)新。
　　 對多個攝像機(jī)的采集同步和曝光時間補(bǔ)償問題提出了解決方案；對高速運動物體成像導(dǎo)致的“運動模糊”現(xiàn)象進(jìn)行了快速濾波和識別；采用ROI動態(tài)預(yù)測算法提高了圖像處理和目標(biāo)跟蹤過程

3、的快速性；在基于“燈”、“影”、“攝像機(jī)”和“乒乓球”構(gòu)建的單目視覺模型上，采用空間的幾何約束關(guān)系，應(yīng)用小孔成像和透視原理，給出了一種最小二乘法優(yōu)化的單目視覺標(biāo)定方法，不僅標(biāo)定了攝像機(jī)的參數(shù)，同時也標(biāo)定了燈的參數(shù)；進(jìn)一步地，對雙目視覺下的乒乓球位置的三維空間定位方法和雙目攝像機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)行了研究。
　　 對乒乓球飛行軌預(yù)測中采用的運動學(xué)模型以及乒乓球碰撞的物理模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析：首先針對乒乓球軌跡跟蹤過程中存在的測量誤差和模型

4、誤差，提出了一種應(yīng)用于快速跟蹤的可變協(xié)方差的軌跡跟蹤方法，該方法既達(dá)到了跟蹤過程的實時性，也保證了跟蹤過程中的狀態(tài)收斂性和穩(wěn)定性；進(jìn)一步地，考慮到乒乓球運動中實際存在的非線性空氣阻力，在對乒乓球的飛行狀態(tài)進(jìn)行物理建模的基礎(chǔ)上，把空氣阻力項引入運動狀態(tài)方程，提出了一種在線估計“阻力因子”的擴(kuò)展Kalman濾波的軌跡跟蹤方法，從而更好地解決了乒乓球軌跡預(yù)測快速性和準(zhǔn)確性問題。此外，文章還分析了乒乓球的空氣動力學(xué)阻力模型和馬格努斯力的仿真情況