板球系统中的运动分割反馈控制研究

【摘要】板球系统是一个典型的多变量、不确定、强耦合的非线性欠驱动动力学系统，是球杆系统的二维扩展,一直被国内外许多学者作为研究非线性控制系统的实验平台。本论文针对非线性欠驱动系统运动控制问题，以板球系统为实验平台，综合运用机器视觉中的运动分割算法、模糊滑模算法研究欠驱动系统的输出跟踪控制问题。论文的主要研究内容如下：1．采用基于能量守恒的欧拉－拉格朗日动力学方程，详细地推导了板球系统的数学模型，并给出了系统的自由度、运动学及动力学相关研究结论；考虑到系统的复杂性，也为了方便对系统控制器的分析设计，对系统模型做了简化处理，提出了板球系统的一般动力学模型、忽略所有摩擦力的简化模型、输入输出解耦模型。2．针对基于视觉伺服的板球系统中摄像机自标定问题，提出基于图像几何静矩的机器视觉基础矩阵估计算法实现了基础矩阵精确估计，并在此基础上分别运用两种算法进行摄像机自标定：一是在摄像机两次平移的基础上，运用基础矩阵分解方程求解摄像机内参数；二是在摄像机三次平移的基础上，运用Kruppa方程进行摄像机自标定。3．为了检测板球系统中小球的运动，提出基于SURF的三帧鲁棒图像配准算法以提高连续视频帧配准和跳帧图像配准的实时性和鲁棒性；运用基于背景差分法的差分相与算法分割出处于慢速运动中的小球，同时解决了“双影”和“空洞”现象；基于Harris角点检测和背景差分法的差分相与的金字塔光流法在精确地分割出运动目标的同时，大大减少了计算量并提高了系统的抗噪能力；基于SURF和背景差分相与的金字塔光流法较大程度地消除了外界环境变化对图像的干扰，提高了系统的抗噪能力。4．针对球板系统中存在的高度非线性、参数不确定及欠驱动等特点，提出了基于干扰观测器的Terminal滑模控制方案。该方案利用干扰观测器对系统的各种干扰和不确定性参数进行估计以降低Terminal滑模控制中的抖振现象，从而实现了对控制指令的鲁棒输出跟踪，并保证系统轨迹误差在有限时间内收敛到非常小的区域；通过Lyapunov理论严格证明了控制系统的稳定性；仿真结果表明基于干扰观测器的Terminal滑模控制能有效地改进球板系统的轨迹跟踪性能。5．提出了一种自适应模糊滑模控制方案。根据系统的数学模型设计等效滑模控制律；为了消除等效滑模控制的抖振现象，利用自适应模糊控制方法模糊逼近等效滑模控制系数以实现小球期望运动的鲁棒跟踪，保证轨迹误差在有限时间内收敛于零；通过Lyapunov理论严格证明了控制系统的稳定性；仿真结果表明自适应模糊滑模控制能有效地改进球板系统的轨迹跟踪性能。综上所述，本论文针对板球系统中的运动分割控制策略进行了深入的理论和实验研究，研究结果证明了所提控制策略的有效性、可行性，从而为运动分割控制系统的工程应用提供了可供参考的实验研究依据。
【作者】陶兆胜；
【导师】屠大维；
【作者基本信息】上海大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】板球系统；摄像机自标定；运动跟踪检测；Terminal滑模；干扰观测器；自适应模糊滑模控制；

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