具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法

摘要

本发明公开了具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法，包括球形机器人本体，及安装于球形机器人本体上的控制系统，及与控制系统进行无线通信的上位机；所述控制系统包括核心控制系统，及与核心控制系统电连接的执行系统、传感器系统、图像处理系统和电源供电系统，及与核心控制系统通过无线传输的通信系统；所述执行系统、传感器系统、通信系统和图像处理系统分别与电源供电系统电连接；本发明的具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法，对惯性测量单元数据进行处理，实现了准确的姿态信息采集；实现了对球形机器人的速度和姿态进行控制，实现了机器人的直线运动和圆弧转弯运动。

说明书

技术领域

本发明涉及具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

移动机器人在太空探索中、复杂作业以及野外探险中起着越来越重要的作用代替着人类进行危险的工作；目前来说随着移动机器人的发展，其主要的运动方式分为两种：一种是靠轮子和履带式的移动机器人，如遥控车；另一种为仿生的移动机器人，如仿生猫和蛇形机器人；这些机器人对环境都有很强的适应能力，但是其同时存在自由度多，控制复杂，运动缓慢等不足；随着人类的发展以及对未知事物探索过程的深化，机器人需要在更多恶劣的环境中代替人类工作，这样就需要机器人具有更好的自我保护能力和对环境的探知能力，在这个背景下，球形机器人应运而生；然而球形机器人要自主地完成路径规划、避障、目标跟踪和预定的作业任务，需要实时地掌握关于其所在外部环境的知识，并确定其在环境中的正确位置；因此，为了能够获取准确的位置，设置了具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统，并提出了其运动控制方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法，对惯性测量单元数据进行处理，实现了准确的姿态信息采集；实现了对球形机器人的速度和姿态进行控制，实现了机器人的直线运动和圆弧转弯运动，并通过设置视觉相机，增强了球形机器人的环境感知能力。

本发明的具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统，包括球形机器人本体，及安装于球形机器人本体上的控制系统，及与控制系统进行无线通信的上位机；所述控制系统包括核心控制系统，及与核心控制系统电连接的执行系统、传感器系统、图像处理系统和电源供电系统，及与核心控制系统通过无线传输的通信系统；所述执行系统、传感器系统、通信系统和图像处理系统分别与电源供电系统电连接；

所述核心控制系统包括嵌入式ARM处理器，及与嵌入式ARM处理器电连接的外围电路；

所述执行系统由长轴直流无刷电机、短轴直流无刷电机、长轴减速器、短轴减速器、长轴直流驱动器和短轴直流驱动器构成；所述长轴直流驱动器和短轴直流驱动器分别通过CAN总线与嵌入式ARM处理器电连接；所述长轴直流无刷电机和短轴直流无刷电机分别通过长轴直流驱动器和短轴直流驱动器与嵌入式ARM处理器电连接；所述长轴直流无刷电机和短轴直流无刷电机分别与长轴减速器和短轴减速器电连接；

所述传感器系统包括惯性测量单元、光电编码器和视觉相机；所述惯性测量单元通过RS232串口总线与嵌入式ARM处理器电连接；所述惯性测量单元由包括三轴陀螺仪、三轴角加速度计和卡尔曼滤波器；所述三轴陀螺仪和三轴角加速度计通过卡尔曼滤波器与嵌入式ARM处理器电连接；所述长轴直流无刷电机和短轴直流无刷电机分别通过光电编码器与嵌入式ARM处理器电连接；所述视觉相机与图像处理系统电连接；

所述图像处理系统通过RS232串口总线与嵌入式ARM处理器电连接；所述图像处理系统包括i7-2600处理器，及与i7-2600处理器电连接的存储单元；

所述通信系统包括红外遥控装置和无线通信装置；所述红外遥控装置通过红外遥控通信与嵌入式ARM处理器进行通信；所述无线通信装置通过无线通信与嵌入式ARM处理器进行通信；

所述电源供电系统包括24V/10A锂电池、电源稳压模块、电压转换模块和无线继电器开关；所述24V/10A锂电池通过无线继电器开关和电源稳压模块与电压转换模块电连接；所述电压转换模块其输入端与执行系统和电连接，其输出端分别与核心控制系统和传感器系统电连接，且其输出电压为5V。

进一步地，所述惯性测量单元通过IIC总线与上位机进行数据传输。

进一步地，所述核心控制系统通过外遥控装置与手持操作器进行通信。

进一步地，所述核心控制系统通过无线通信装置与上位机进行通信。

本发明的具有视觉反馈的球形机器人的运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，球形机器人速度控制，

第一步，通过上位机机内安装的管理系统设置球形机器人目标速度和PID控制器相关参数，对加入重摆抑振的球形机器人的速度进行控制操作；设置机器人目标速度为0.5m/s；

第二步，核心控制系统通过惯性测量装置和光电编码器采集球形机器人的速度信息，控制器PID算法再利用速度信息控制长轴直流无刷电机输出量，用来调整球形机器人的速度；

第三步，记录数据，并将球形机器人速度信息等相关数据通过无线通信模块发送给上位机进行数据记录及显示；

步骤二，球形机器人姿态控制，

第一步，通过上位机的管理系统设置球形机器人目标姿态角度和PID控制器相关参数，设置目标姿态角度θ=20°；

第二步，核心控制系统通过惯性测量装置采集球形机器人的姿态信息，控制器PID算法再利用姿态角信息计算短轴直流无刷电机输出量，用来调整球形机器人的姿态；

第三步，记录数据，并将球形机器人姿态角度等相关数据通过无线通信模块发送给上位机管理软件进行数据记录；

步骤三，直线运动，将球形机器人放在平坦的地面上，通过红外遥控发送控制指令，驱动球形机器人进行直线运动；根据球形机器人在运动过程中惯性测量单元以及光电编码返回数据；

步骤四，圆弧转弯运动，球形机器人进行圆弧转弯运动时，球形机器人其球壳的长轴的延长线与地面的交点为Q，球壳与地面的接触点为P，由此得出球形机器人进行圆弧转弯运动时的转弯半径为：ρ=R*tan θ；式中R为球形机器人半径，θ为球壳长轴与铅垂方向的夹角；在球形机器人进行圆弧转弯运动时，每隔一段距离进行定位标记，并进行多组操作得到球形机器人的运动路径，并根据采集数据绘制机器人运动轨迹曲线。

进一步地，所述步骤一中，球形机器人其速度控制精度为6%。

进一步地，所述步骤二中，球形机器人其姿态控制精度为2%。

进一步地，所述步骤三中，通过球形机器人直线运动轨迹与期望轨迹进行对比，球形机器人的运动轨迹基本稳定在一条直线上，根据采样数据可得，球形机器人偏离预定轨迹最大误差为0.06m，平均误差为0.03m。

进一步地，所述步骤四中，球形机器人在做圆弧转弯运动的过程当中，转弯半径最大误差为0.05m，球形机器人圆弧转弯运动精度为6%。

本发明与现有技术相比较，本发明的具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法，对惯性测量单元数据进行处理，实现了准确的姿态信息采集；实现了对球形机器人的速度和姿态进行控制，实现了机器人的直线运动和圆弧转弯运动，并通过设置视觉相机，增强了球形机器人的环境感知能力。

附图说明

图1是本发明的具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法的整体结构示意框图。

图2是本发明的具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法的球形机器人圆周运动示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统，包括球形机器人本体，及安装于球形机器人本体上的控制系统，及与控制系统进行无线通信的上位机；所述控制系统包括核心控制系统，及与核心控制系统电连接的执行系统、传感器系统、图像处理系统和电源供电系统，及与核心控制系统通过无线传输的通信系统；所述执行系统、传感器系统、通信系统和图像处理系统分别与电源供电系统电连接；

所述核心控制系统包括嵌入式ARM处理器，及与嵌入式ARM处理器电连接的外围电路；

所述执行系统由长轴直流无刷电机、短轴直流无刷电机、长轴减速器、短轴减速器、长轴直流驱动器和短轴直流驱动器构成；所述长轴直流驱动器和短轴直流驱动器分别通过CAN总线与嵌入式ARM处理器电连接；所述长轴直流无刷电机和短轴直流无刷电机分别通过长轴直流驱动器和短轴直流驱动器与嵌入式ARM处理器电连接；所述长轴直流无刷电机和短轴直流无刷电机分别与长轴减速器和短轴减速器电连接；

所述传感器系统包括惯性测量单元、光电编码器和视觉相机；所述惯性测量单元通过RS232串口总线与嵌入式ARM处理器电连接；所述惯性测量单元由包括三轴陀螺仪、三轴角加速度计和卡尔曼滤波器；所述三轴陀螺仪和三轴角加速度计通过卡尔曼滤波器与嵌入式ARM处理器电连接；所述长轴直流无刷电机和短轴直流无刷电机分别通过光电编码器与嵌入式ARM处理器电连接；所述视觉相机与图像处理系统电连接；

所述图像处理系统通过RS232串口总线与嵌入式ARM处理器电连接；所述图像处理系统包括i7-2600处理器，及与i7-2600处理器电连接的存储单元；

所述通信系统包括红外遥控装置和无线通信装置；所述红外遥控装置通过红外遥控通信与嵌入式ARM处理器进行通信；所述无线通信装置通过无线通信与嵌入式ARM处理器进行通信；

所述电源供电系统包括24V/10A锂电池、电源稳压模块、电压转换模块和无线继电器开关；所述24V/10A锂电池通过无线继电器开关和电源稳压模块与电压转换模块电连接；所述电压转换模块其输入端与执行系统和电连接，其输出端分别与核心控制系统和传感器系统电连接，且其输出电压为5V。

所述惯性测量单元通过IIC总线与上位机进行数据传输。

所述核心控制系统通过外遥控装置与手持操作器进行通信。

所述核心控制系统通过无线通信装置与上位机进行通信。

本发明的具有视觉反馈的球形机器人的运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，球形机器人速度控制，

第一步，通过上位机机内安装的管理系统设置球形机器人目标速度和PID控制器相关参数，对加入重摆抑振的球形机器人的速度进行控制操作；设置机器人目标速度为0.5m/s；

第二步，核心控制系统通过惯性测量装置和光电编码器采集球形机器人的速度信息，控制器PID算法再利用速度信息控制长轴直流无刷电机输出量，用来调整球形机器人的速度；

第三步，记录数据，并将球形机器人速度信息等相关数据通过无线通信模块发送给上位机进行数据记录及显示；

步骤二，球形机器人姿态控制，

第一步，通过上位机的管理系统设置球形机器人目标姿态角度和PID控制器相关参数，设置目标姿态角度θ=20°；

第二步，核心控制系统通过惯性测量装置采集球形机器人的姿态信息，控制器PID算法再利用姿态角信息计算短轴直流无刷电机输出量，用来调整球形机器人的姿态；

第三步，记录数据，并将球形机器人姿态角度等相关数据通过无线通信模块发送给上位机管理软件进行数据记录；

步骤三，直线运动，将球形机器人放在平坦的地面上，通过红外遥控发送控制指令，驱动球形机器人进行直线运动；根据球形机器人在运动过程中惯性测量单元以及光电编码返回数据；

步骤四，圆弧转弯运动，球形机器人进行圆弧转弯运动时，如图2所示，球形机器人其球壳的长轴的延长线与地面的交点为Q，球壳与地面的接触点为P，由此得出球形机器人进行圆弧转弯运动时的转弯半径为：ρ=R*tan θ；式中R为球形机器人半径，θ为球壳长轴与铅垂方向的夹角；在球形机器人进行圆弧转弯运动时，每隔一段距离进行定位标记，并进行多组操作得到球形机器人的运动路径，并根据采集数据绘制机器人运动轨迹曲线。

所述步骤一中，球形机器人其速度控制精度为6%。

所述步骤二中，球形机器人其姿态控制精度为2%。

所述步骤三中，通过球形机器人直线运动轨迹与期望轨迹进行对比，球形机器人的运动轨迹基本稳定在一条直线上，根据采样数据可得，球形机器人偏离预定轨迹最大误差为0.06m，平均误差为0.03m。

所述步骤四中，球形机器人在做圆弧转弯运动的过程当中，转弯半径最大误差为0.05m，球形机器人圆弧转弯运动精度为6%。

本发明的具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法，对惯性测量单元数据进行处理，实现了准确的姿态信息采集；实现了对球形机器人的速度和姿态进行控制，实现了机器人的直线运动和圆弧转弯运动；并通过设置视觉相机，增强了球形机器人的环境感知能力。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。