一種具有立體視覺的球形機器人及其運動控制方法與流程
2023-05-10 07:41:16 3
本發明涉及一種機器人設計方法，具體涉及一種具有立體視覺的球形機器人及其運動控制方法，屬於智能產品技術領域。
背景技術：
球形機器人是指一類將運動機構、傳感器、控制器等內置於一個球殼內部、利用球殼作為滾動行走裝置的移動機器人，與輪式、履帶式等移動機器人相比，球形機器人的特點在於：運動靈活，能夠穿過孔徑略大於其直徑的曲折通道；具有類似不倒翁的特性，行走過程中與障礙物或其他的運動機構發生碰撞也會在經過短暫的不規則運動後恢復穩態；當發生從高處跌落等危險情況時，仍然可以繼續工作，不存在翻仰問題，因此，球形機器人在野外作業、反恐及災難救援和社會服務等領域具有廣闊的應用前景；至今，研究人員對球形機器人的機構設計、運動學/動力學建模、運動控制等方面己經開展了大量的研究工作；但是，受限於全封閉球殼和特殊的滾動行走方式，現有球形機器人往往缺少外部測量傳感器(如雷射傳感器、視覺相機等)，其環境感知能力較弱，難以準確地獲得球形機器人的位置、速度等運動參數，因而運動控制方法主要採用遠程遙控或開環控制，存在控制精度不高、累計誤差較大且抗幹擾能力較差等問題。
技術實現要素：
（一）要解決的技術問題
為解決上述問題，本發明提出了一種具有立體視覺的球形機器人及其運動控制方法，採用延時環節對視覺反饋通道的時延進行建模，建立具有視覺反饋的球形機器人運動控制模型，通過運動仿真試驗，研究機器人重擺質量、視覺反饋延時對其運動控制性能的影響，並驗證系統設計的可行性。
（二）技術方案
本發明的具有立體視覺的球形機器人及其運動控制方法，包括以下步驟：
第一步：提出了一種可搭載立體視覺的球形機器人機構，所搭載的立體視覺在球形機器人行走過程中不隨球殼轉動，且沒有球殼的遮擋，能夠穩定地獲取清晰的環境圖像，極大地增強了球形機器人的環境感知能力；
第二步：利用模型解禍、線性化以及狀態反饋等方法，建立具有視覺反饋的運動控制模型，並進行運動仿真，運動仿真結果表明：重擺質量的大小對內環控制性能具有顯著地影響，隨著重擺質量增大，內環控制性能顯著得到改善；視覺反饋延時的大小對第一角速度的影響較小，而第二對角速度的影響比較大；當視覺反饋延時超過一定範圍後，第二角速度的響應曲線發散，會導致外環路徑跟蹤控制失敗，系統不穩定；
第三步：通過分析重擺質量和視覺反饋延時對機器人運動控制性能的影響，明確了機器人兩個重要設計參數，即重擺質量約為15kg和視覺反饋延時要小於50ms；研究結果為機器人的優化設計和樣機研製提供了理論基礎；
第四步：提出的具有視覺反饋的球形機器人運動控制策略，以具有視覺感知的精確運動參數估計為前提，能夠更有效地實現球形機器人的路徑跟蹤等運動控制，為自主球形機器人的研究提供了新的思路。
（三）有益效果
與現有技術相比，本發明的具有立體視覺的球形機器人及其運動控制方法，採用延時環節對視覺反饋通道的時延進行建模，建立具有視覺反饋的球形機器人運動控制模型，通過運動仿真試驗，研究機器人重擺質量、視覺反饋延時對其運動控制性能的影響，並驗證系統設計的可行性。
具體實施方式
一種具有立體視覺的球形機器人及其運動控制方法，包括以下步驟：
第一步：提出了一種可搭載立體視覺的球形機器人機構，所搭載的立體視覺在球形機器人行走過程中不隨球殼轉動，且沒有球殼的遮擋，能夠穩定地獲取清晰的環境圖像，極大地增強了球形機器人的環境感知能力；
第二步：利用模型解禍、線性化以及狀態反饋等方法，建立具有視覺反饋的運動控制模型，並進行運動仿真，運動仿真結果表明：重擺質量的大小對內環控制性能具有顯著地影響，隨著重擺質量增大，內環控制性能顯著得到改善；視覺反饋延時的大小對第一角速度的影響較小，而第二對角速度的影響比較大；當視覺反饋延時超過一定範圍後，第二角速度的響應曲線發散，會導致外環路徑跟蹤控制失敗，系統不穩定；
第三步：通過分析重擺質量和視覺反饋延時對機器人運動控制性能的影響，明確了機器人兩個重要設計參數，即重擺質量約為15kg和視覺反饋延時要小於50ms；研究結果為機器人的優化設計和樣機研製提供了理論基礎；
第四步：提出的具有視覺反饋的球形機器人運動控制策略，以具有視覺感知的精確運動參數估計為前提，能夠更有效地實現球形機器人的路徑跟蹤等運動控制，為自主球形機器人的研究提供了新的思路。
上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的構思和範圍進行限定。在不脫離本發明設計構思的前提下，本領域普通人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本發明的保護範圍，本發明請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。