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第1章 绪论1

1.1 机器人视觉控制1

1.1.1 机器人视觉的基本概念1

1.1.2 机器人视觉控制的作用2

1.2 机器人视觉控制的研究内容4

1.2.1 摄像机标定4

1.2.2 视觉测量5

1.2.3 视觉控制的结构与算法6

1.3 机器人视觉系统的分类6

1.3.1 根据摄像机与机器人的相互位置分类7

1.3.2 根据摄像机数目分类8

1.3.3 根据是否自然测量分类8

1.3.4 根据控制模型分类9

1.4 视觉控制的发展现状与趋势10

1.4.1 视觉系统标定研究进展10

1.4.2 机器人的视觉测量研究进展14

1.4.3 机器人的视觉控制研究进展17

1.4.4 机器人视觉控制的应用现状20

1.4.5 机器人视觉测量与控制的发展趋势26

参考文献29

第2章 摄像机与视觉系统的标定35

2.1 摄像机模型35

2.1.1 小孔模型35

2.1.2 摄像机内参数模型36

2.1.3 摄像机外参数模型39

2.2 单目二维视觉测量的摄像机标定39

2.3 Faugeras的摄像机标定方法41

2.3.1 Faugeras摄像机标定的基本方法41

2.3.2 Faugeras摄像机标定的改进方法44

2.4 Tsai的摄像机标定方法47

2.4.1 位姿与焦距求取48

2.4.2 畸变矫正系数与焦距的精确求取50

2.5 手眼标定51

2.6 基于消失点的摄像机内参数自标定56

2.6.1 几何法57

2.6.2 解析法59

2.7 基于运动的摄像机自标定66

2.7.1 基于正交平移运动和旋转运动的摄像机自标定66

2.7.2 基于单参考点的摄像机自标定71

2.8 基于运动的立体视觉系统自标定80

2.8.1 相对测量视觉模型80

2.8.2 自标定原理与过程87

2.9 畸变校正与非线性模型摄像机的标定89

2.9.1 基于平面靶标的非线性模型摄像机标定89

2.9.2 基于平面靶标的大畸变非线性模型摄像机的标定95

2.10 结构光视觉的参数标定104

2.10.1 基于立体靶标的激光平面标定105

2.10.2 主动视觉法激光平面标定107

2.10.3 斜平面法结构光视觉传感器标定114

参考文献118

第3章 视觉测量120

3.1 视觉测量中的约束条件120

3.1.1 特征匹配约束120

3.1.2 不变性约束123

3.1.3 直线约束125

3.2 单目视觉位置测量126

3.3 立体视觉位置测量129

3.3.1 双目视觉129

3.3.2 结构光视觉131

3.4 基于PnP问题的位姿测量132

3.4.1 P3P的常用求解方法133

3.4.2 PnP问题的线性求解138

3.5 基于矩形目标约束的位姿测量146

3.5.1 基于立体视觉的位姿测量146

3.5.2 基于矩形的位姿测量147

3.5.3 基于P4P方法152

3.6 基于消失点的位姿测量152

3.6.1 基于消失点的单视点三维测量152

3.6.2 基于消失点的单视点仿射测量154

3.7 移动机器人的视觉定位159

3.7.1 基于单应性矩阵的视觉定位159

3.7.2 基于非特定参照物的视觉定位166

3.8 移动机器人的视觉全局定位172

3.8.1 基于非特定参照物的视觉全局定位173

3.8.2 视觉定位与里程计推算定位的信息融合176

3.9 基于天花板的视觉推算定位180

3.9.1 天花板的视觉特征180

3.9.2 视觉系统构成182

3.9.3 视觉推算定位183

3.9.4 实验与结果188

3.10 MEMS装配中的显微视觉测量190

3.10.1 显微视觉系统的构成190

3.10.2 显微视觉系统的自动调焦与视觉测量192

3.10.3 实验与结果195

参考文献198

第4章 视觉控制200

4.1 基于位置的视觉控制200

4.1.1 位置给定型机器人视觉控制200

4.1.2 机器人的位置视觉伺服控制202

4.1.3 基于位置的视觉控制的稳定性205

4.1.4 基于位置的自标定视觉控制207

4.1.5 基于位置视觉控制的特点208

4.2 基于图像的视觉控制209

4.2.1 基于图像特征的视觉控制209

4.2.2 基于图像的视觉伺服控制214

4.2.3 基于图像的视觉控制的稳定性215

4.2.4 基于图像的视觉控制的特点217

4.3 混合视觉伺服控制217

4.3.1 2.5D视觉伺服的结构218

4.3.2 2.5D视觉伺服的原理219

4.4 直接视觉控制226

4.4.1 直接视觉控制的结构227

4.4.2 visual-motor函数的实现228

4.5 基于姿态的视觉控制230

4.5.1 姿态测量231

4.5.2 基于姿态估计的视觉控制系统的结构与基本原理233

4.5.3 实验与结果237

4.6 基于图像雅可比矩阵的无标定视觉伺服控制241

4.6.1 动态牛顿法242

4.6.2 图像雅可比矩阵的估计243

4.7 基于极线约束的无标定摄像机的视觉控制246

4.7.1 基本原理246

4.7.2 视觉伺服控制247

4.7.3 实验与结果252

参考文献255

第5章 视觉控制的应用257

5.1 开放式机器人控制平台257

5.1.1 多层次结构的开放式机器人控制平台257

5.1.2 本地机器人的实时控制258

5.1.3 图形示教实验与结果259

5.2 具有焊缝识别与跟踪功能的自动埋弧焊机器人系统261

5.2.1 焊接小车与视觉系统261

5.2.2 结构光焊缝条纹图像的处理265

5.2.3 焊缝测量实验结果269

5.3 基于结构光的机器人弧焊混合视觉控制272

5.3.1 图像空间到机器人末端笛卡儿空间的雅可比矩阵272

5.3.2 混合视觉控制274

5.3.3 实验与结果276

5.4 薄板对接窄焊缝视觉跟踪系统277

5.4.1 视觉跟踪系统构成277

5.4.2 焊缝视觉测量279

5.4.3 焊缝跟踪控制280

5.4.4 实验与结果281

5.5 基于视觉系统自标定的机器人趋近与抓取282

5.5.1 机器人系统构成282

5.5.2 基于自标定的视觉控制系统原理283

5.5.3 实验与结果287

5.6 基于天花板的移动机器人导航与定位290

5.6.1 基于天花板自然路标的定位290

5.6.2 基于天花板的导航292

5.6.3 实验与结果293

5.7 打乒乓球机器人297

5.7.1 打乒乓球机器人系统构成298

5.7.2 并行处理的高速视觉系统300

5.7.3 乒乓球飞行轨迹测量302

5.7.4 后续飞行轨迹与击球参数预测304

5.7.5 机器人运动规划与控制306

5.7.6 实验与结果308

参考文献312