거리 및 특징점 불확실성을 고려한 매니퓰레이터의 강인 영상기반 비주얼 서보잉
Robust Image-based Visual Servoing of Manipulator Considering Depth and Feature points Uncertainties
- 주제(키워드) 강인 영상기반 비주얼 서보잉 , 적분 슬라이딩 모드 관측기 , 로봇 매니퓰레이터 , 거리 및 특징점 불확실성
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 좌동경
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000029660
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문에서는 거리 불확실성(depth uncertainties)과 특징점 불확실성(feature point uncertainties)이 있는 환경에서 5 자유도 매니퓰레이터의 위치 제어를 위한 강인한 영상기반 비주얼 서보잉 기법(image based visual servoing, IBVS)을 제안한다. IBVS는 구조화되지 않은 환경에서도 향상된 정확도와 강인함을 제공하기 때문에 로봇 시스템의 유연성과 활용도 측면에서 상당한 이점이 있다. 하지만 IBVS에서 이미지 자코비안(image Jacobian)을 구성하는 거리와 특징점 파라미터의 불확실성은 제어 성능에 큰 영향을 미친다. 기존의 연구에서는 두 가지 불확실성을 모두 고려하지 않아서 제어 성능이 부정확하거나 시스템이 불안정해질 수 있는 한계점이 있으므로 이를 해결하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 첫째로 거리와 특징점의 불확실성을 고려하여 특징점의 변화량과 카메라 속도의 관계를 모델링한다. 둘째, 앞서 유도한 모델을 바탕으로 적분 슬라이딩 모드 외란 관측기(integral sliding mode disturbance observer, ISMO)를 설계하여 거리와 특징점 불확실성을 추정한다. 셋째, 유한 시간 안정성을 보장하는 적분 슬라이딩 모드 제어기(integral sliding mode controller, ISMC)와 ISMO를 통해 추정한 불확실성을 결합하여 이미지 자코비안의 불확실성에 강인하고 거리와 특징점 불확실성을 보상할 수 있는 제어기를 설계한다. 최종적으로, 제안한 비주얼 서보 시스템의 안정성을 수학적으로 증명하고 기존의 기법과의 비교 실험을 수행하여 개선된 성능과 타당성을 검증한다.
more초록/요약
This paper proposes a robust image-based visual serovoing (IBVS) method for the position control of 5 degree-of-freedom (DOF) manipulator. Since image Jacobian that plays an important role in IBVS consists of the information of depth and feature points, the uncertainty of the image Jacobian arising from the uncertain depth and feature points greatly affects control performance. The existing methods, however, do not consider both of these uncertainties and thus the control performance may be inaccurate and the system can become even unstable. In order to solve these problems the relationship between the feature point variation and the camera speed is first modeled in this paper by considering the uncertainties in depth and feature points in the camera image. Second, an integral sliding mode disturbance observer (ISMO) for IBVS is designed on the basis of the derived feature point dynamics to estimate the uncertainties of depth and feature points. Third, the integral sliding mode control (ISMC) law that guarantees finite time stability and the ISMO that estimates the uncertainties are combined to have the robustness against the image Jacobian uncertainty by compensating for the depth and feature points uncertainties. Finally, the stability of the proposed visual servoing control system was mathematically proved and its validity has been verified by experiments using the actually implemented 5-DOF manipulator.
more목차
1. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 내용 4
1.3 논문 구성 5
2. 매니퓰레이터 기구학 및 이미지 자코비안 모델 6
2.1 단안 카메라가 부착된 5자유도 매니퓰레이터의 기구학 6
2.2 핀홀 카메라의 원근 투영 모델 8
2.3 거리와 특징점 불확실성을 고려한 이미지 자코비안 모델 9
3. 강인한 영상기반 비주얼 서보잉 알고리즘 13
3.1 적분 슬라이딩 모드 외란 관측기를 사용한 불확실성 추정 13
3.2 이미지 자코비안 불확실성에 강인한 적분 슬라이딩 모드 제어기 18
4. 실험 환경 설정 및 결과 24
4.1 실험 환경 24
4.2 실험 결과 27
5. 결론 및 향후 연구 방향 38
참고문헌 39
Abstract 42
