将视觉传感器与轮式移动机器人相结合,形成了移动机器人视觉系统。该系统能够发挥视觉传感器和移动机器人各自的优势,在航空航天、智能交通、家居服务等前沿高端领域得到了广泛的应用。移动机器人的视觉伺服控制主要是指,利用视觉传感器反馈的图像信息,控制移动机器人跟踪设定的轨迹或运动到指定的目标位姿处。该技术能够提高智能体对外界环境的学习和适应能力,并有效地提升其智能化水平和工作能力。随着计算机视觉、模式识别和自动控制等技术的快速发展,移动机器人的视觉伺服问题受到了国内外众多研究人员的广泛关注,成为了当今机器人与自动控制领域的研究热点之一。然而,视觉系统的主要问题是场景深度信息的缺失,此外移动机器人是一个典型的具有非完整运动约束的欠驱动设备,这些因素导致移动机器人视觉系统成为了一个具有不确定因素的非完整系统,从而为其高性能控制器设计带来了巨大的挑战。迄今为止,尽管对移动机器人视觉伺服技术的研究已取得了丰富的成果,但是对于该技术的实际应用而言,这些方法仍存在一些不足。首先摄像机内参数是保障视觉伺服任务得以完成的基础,然而现有标定方法精度不高而且操作复杂。其次已有的视觉镇定控制方法效率不高,会使移动机器人产生较冗余的运动路径。另外由于本质矩阵存在短基线退化的问题,导致其在视觉伺服中应用较少,因而难以将其优势发挥。而且现有的视觉伺服方法只能单独实现轨迹跟踪或镇定控制。最后当直接使用未标定摄像机开展视觉伺服任务时,现有依赖于摄像机内参数的方法难以使用。围绕已有方法存在的上述问题与不足,本文对移动机器人视觉伺服问题进行了深入的研究,进而有针对性地提出了一些有效的解决方法。本文的工作能够提高系统的精确性、灵活性和智能性,为其实际应用提供了良好的技术积累。论文整体工作概述如下:1)基于纯旋转运动的摄像机统一自标定方法。针对摄像机内参数的自标定问题,提出了一种对中心折反射摄像机与针孔摄像机均适用的方法。应用统一球形成像模型对这两类摄像机进行描述。然后证明了在摄像机纯旋转运动下,球面投影点之间的距离保持不变。进而根据该性质构造了具有统一形式的内参数约束方程组,之后提出了最优化目标函数并利用数值优化算法进行求解。仿真与实验结果验证了本方法在鲁棒性和标定精度等方面的优势。2)基于选择策略的移动机器人视觉伺服镇定控制。为了增加移动机器人视觉伺服系统的实用性,提出了一种可使机器人从不同初始位姿处高效到达指定位姿的方法。首先在视觉位姿估计的基础上,利用Lyapunov方法设计了视觉镇定控制律。之后对误差形式进行调整得到负向视觉镇定控制律,进而对上述两种控制律制定相应的选择策略。另外该策略与主动视觉结合,不仅使目标特征处于摄像机的视野内,而且保证了云台旋转角处于合理范围。文中给出了详实的仿真与实验结果。3)本质矩阵无短基线退化的视觉伺服方法。为了处理基于本质矩阵视觉伺服方法中出现的短基线退化问题,论文中基于多个本质矩阵提出了切换控制方法,将移动机器人镇定至期望位姿处。首先引入了系统中的三个本质矩阵,并设计了与其真实值相差固定比例因子的估计算法。之后设计了三阶段切换镇定控制律,处理了短基线退化问题并将移动机器人镇定至期望位姿。根据数学分析得到了系统误差快速收敛的性质。仿真与实验结果证明了此方法的有效性。4)同时跟踪与镇定的移动机器人视觉伺服。为了避免系统在不同视觉伺服任务之间频繁切换,文中提出了统一的跟踪与镇定视觉伺服方法,提高了系统的灵活性和实用性。论文中基于2.5维视觉伺服策略设计了复合的误差信号。之后通过引入辅助变量,设计了移动机器人的控制律。利用未知参数自适应控制律和Lyapunov方法,证明了所设计的同时跟踪与镇定控制律是渐近稳定的。大量的仿真与实验结果证明了该方法具有良好的性能。5)移动机器人无标定视觉镇定控制方法。当直接利用未标定的摄像机开展视觉伺服任务时,文中所提方法仍能将移动机器人镇定至期望位姿处。首先灵活地应用了基本矩阵和射影单应矩阵,使移动机器人旋转至朝向期望位置处,并计算出了摄像机的内参数。之后设计了相应的控制律使机器人以直线轨迹运动至期望位置处,继而使其旋转至期望朝向。根据严格的数学分析,得到了系统误差的指数收敛性质。之后给出了仿真与实验结果以表明本方法的有效性。