隨著攝像設(shè)備性能價(jià)格比和計(jì)算機(jī)信息處理速度的提高,以及有關(guān)理論的日益完善,視覺伺服已具備實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)條件,相關(guān)的技術(shù)問題也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。 

所謂機(jī)器視覺,美國制造工程師協(xié)會(huì)機(jī)器視覺分會(huì)和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)的自動(dòng)化視覺分會(huì)給出的定義是:“機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像,以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。” 

機(jī)器視覺作為與人眼類似的機(jī)器仿生系統(tǒng),從廣義角度凡是通過光學(xué)裝置獲取真實(shí)物體的信息以及對(duì)相關(guān)信息的處理與執(zhí)行都是機(jī)器視覺,這就包括了可見視覺以及非可見視覺,甚至包括人類視覺不能直接觀察到的、物體內(nèi)部信息的獲取與處理等。 

視覺伺服的定義 

人類對(duì)于外部的信息獲取大部分是通過眼睛獲得的,千百年來人類一直夢(mèng)想著能夠制造出智能機(jī)器,這種智能機(jī)器首先具有人眼的功能,可以對(duì)外部世界進(jìn)行認(rèn)識(shí)和理解。人腦中有很多組織參與了視覺信息的處理,因而能夠輕易的處理許多視覺問題,可是視覺認(rèn)知作為一個(gè)過程,人類卻知道的很少,從而造成了對(duì)智能機(jī)器的夢(mèng)想一直難以實(shí)現(xiàn)。隨著照相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn),具有視覺功能的智能機(jī)器開始被人類制造出來,逐步形成了機(jī)器視覺學(xué)科和產(chǎn)業(yè)。所謂機(jī)器視覺,美國制造工程師協(xié)會(huì)機(jī)器視覺分會(huì)和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)的自動(dòng)化視覺分會(huì)給出的定義是: 

“機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像,以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。” 

機(jī)器視覺作為與人眼類似的機(jī)器仿生系統(tǒng),從廣義角度凡是通過光學(xué)裝置獲取真實(shí)物體的信息以及對(duì)相關(guān)信息的處理與執(zhí)行都是機(jī)器視覺,這就包括了可見視覺以及非可見視覺,甚至包括人類視覺不能直接觀察到的、物體內(nèi)部信息的獲取與處理等。 

機(jī)器人視覺發(fā)展歷程 

上個(gè)世紀(jì)60年代,由于機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們開始研究具有視覺功能的機(jī)器人。但在這些研究中,機(jī)器人的視覺與機(jī)器人的動(dòng)作,嚴(yán)格上講是開環(huán)的。機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通過圖像處理,得到目標(biāo)位姿,然后根據(jù)目標(biāo)位姿,計(jì)算出機(jī)器運(yùn)動(dòng)的位姿,在整個(gè)過程中,視覺系統(tǒng)一次性地“提供”信息,然后就不參與過程了。在1973年,有人將視覺系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng),在這一時(shí)期把這一過程稱作視覺反饋（visualfeedback）。直到1979年,hill和park提出了“視覺伺服”（visualservo）概念。很明顯,視覺反饋的含義只是從視覺信息中提取反饋信號(hào),而視覺伺服則是包括了從視覺信號(hào)處理,到機(jī)器人控制的全過程,所以視覺伺服比視覺反饋能更全面地反映機(jī)器人視覺和控制的有關(guān)研究內(nèi)容。 

上個(gè)世紀(jì)80年以來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和攝像設(shè)備的發(fā)展,機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的技術(shù)問題吸引了眾多研究人員的注意。在過去的幾年里,機(jī)器人視覺伺服無論是在理論上還是在應(yīng)用方面都取得了很大進(jìn)展。在許多學(xué)術(shù)會(huì)議上,視覺伺服技術(shù)經(jīng)常列為會(huì)議的一個(gè)專題。視覺伺服已逐漸發(fā)展為跨機(jī)器人、自動(dòng)控制和圖像處理等技術(shù)領(lǐng)域的一門獨(dú)立技術(shù)。 

機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)分類 

目前,機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)有以下幾種分類方式:

按照攝像機(jī)的數(shù)目的不同,可分為單目視覺伺服系統(tǒng)、雙目視覺伺服系統(tǒng)以及多目視覺伺服系統(tǒng) 

單目視覺系統(tǒng)只能得到二維平面圖像,無法直接得到目標(biāo)的深度信息;多目視覺伺服系統(tǒng)可以獲取目標(biāo)多方向的圖像,得到的信息豐富,但圖像的信息處理量大,且攝像機(jī)越多越難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前的視覺伺服系統(tǒng)主要采用雙目視覺。 

按照攝像機(jī)放置位置的不同,可以分為手眼系統(tǒng)（eyeinhand）和固定攝像機(jī)系統(tǒng)（eyetohand或standalone） 

在理論上手眼系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制,但對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定誤差和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差敏感;固定攝像機(jī)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差不敏感,但同等情況下得到的目標(biāo)位姿信息的精度不如手眼系統(tǒng),所以控制精度相對(duì)也低。 

按照機(jī)器人的空間位置或圖像特征,視覺伺服系統(tǒng)分為基于位置的視覺伺服系統(tǒng)和基于圖像的視覺伺服系統(tǒng) 

在基于位置的視覺伺服系統(tǒng)中,對(duì)圖像進(jìn)行處理后計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于攝像機(jī)和機(jī)器人的位姿,所以這就要求對(duì)攝像機(jī)、目標(biāo)和機(jī)器人的模型進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)精度影響控制精度,這是這種方法的難點(diǎn)。控制時(shí)將需要變化的位姿轉(zhuǎn)化成機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,由關(guān)節(jié)控制器來控制機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)中,控制誤差信息來自于目標(biāo)圖像特征與期望圖像特征之間的差異。對(duì)于這種控制方法,關(guān)鍵的問題是如何建立反映圖像差異變化與機(jī)器手位姿速度變化之間關(guān)系的圖像雅可比矩陣;另外一個(gè)問題是,圖像是二維的,計(jì)算圖像雅可比矩陣需要估計(jì)目標(biāo)深度（三維信息）,而深度估計(jì)一直是計(jì)算機(jī)視覺中的難點(diǎn)。 

雅可比矩陣的計(jì)算方法有公式推導(dǎo)法、標(biāo)定法、估計(jì)方法以及學(xué)習(xí)方法等,前者可以根據(jù)模型推導(dǎo)或標(biāo)定得到,后者可以在線估計(jì),學(xué)習(xí)方法主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。 

按照采用閉環(huán)關(guān)節(jié)控制器的機(jī)器人,視覺伺服系統(tǒng)分為動(dòng)態(tài)觀察-移動(dòng)系統(tǒng)和直接視覺伺服 

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