智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及方法。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由智能空間和移動(dòng)機(jī)器人組成，其中智能空間包括監(jiān)控主機(jī)、分布式視覺(jué)系統(tǒng)和基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。所述方法先進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人位姿信息獲取；然后進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人控制偏差e的獲??；最后進(jìn)行基于RBF辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人多目標(biāo)的自調(diào)整PID運(yùn)動(dòng)控制。本發(fā)明與現(xiàn)行的以車載視頻為主的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)相比，具有計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，運(yùn)動(dòng)控制更精確的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及方法
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能空間中移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建，尤其涉及到移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]移動(dòng)機(jī)器人的智能空間技術(shù)，就是把感知器件、執(zhí)行器件分布地安裝在機(jī)器人空間的相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)空間內(nèi)人和物的全面感知，從而幫助其在不確定環(huán)境中更加快捷、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的導(dǎo)航。而移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是指能根據(jù)其所探測(cè)到的環(huán)境信息以及自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)控制自身的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)快速、準(zhǔn)確地沿著待跟蹤路徑運(yùn)動(dòng)到預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)。因此智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，即是首先利用智能空間中全局視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)獲取移動(dòng)機(jī)器人的位姿信息，然后通過(guò)控制方法來(lái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)カ機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的路徑跟蹤。
[0003]運(yùn)動(dòng)控制是移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中的關(guān)鍵技術(shù)之一，以雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)為主的移動(dòng)機(jī)器人是ー類典型的非完整約束系統(tǒng)，具有較大的運(yùn)動(dòng)控制難度。目前常用的運(yùn)動(dòng)控制方法有滑模控制法和后退控制法。吳青云等基于非完整移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合力矩控制和反演設(shè)計(jì)，給出了ー種快速終端滑?？刂破鱗1]，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全局快速軌跡跟蹤，但滑?？刂品椒ù嬖诓豢杀苊獾摹岸墩瘛眴?wèn)題。賀乃寶等在假設(shè)系統(tǒng)模型不確定參數(shù)未知時(shí)，結(jié)合后退的遞推方法和魯棒控制技術(shù)，經(jīng)過(guò)多步遞推設(shè)計(jì)了輸出反饋控制器和參數(shù)自適應(yīng)控制律[2]。后退控制法的不足在于設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，且要求機(jī)器人提供充分大的加速度，但這在現(xiàn)實(shí)中是不可能的。中國(guó)專利號(hào)為201010013646.5的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了“ー種雙輪差動(dòng)式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法”，該控制方法主要以機(jī)器人的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在世界坐標(biāo)系Χ0Υ中建立本體坐標(biāo)系xoy，通過(guò)機(jī)器人轉(zhuǎn)角控制和跑位控制來(lái)進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)控制基于機(jī)器人當(dāng)前和目標(biāo)方向角差的多項(xiàng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)，跑位運(yùn)動(dòng)控制基于當(dāng)前位置和目標(biāo)位置的距離，以及以機(jī)器人方向和機(jī)器人與目標(biāo)連線夾角為變量的多項(xiàng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)。該控制策略存在以下不足:
[0004](1)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)雖然包括位置和方向，但兩者是同時(shí)進(jìn)行，而該專利是分別通過(guò)轉(zhuǎn)角和跑位控制來(lái)完成，這不利于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的連續(xù)性；
[0005](2)轉(zhuǎn)角和跑位控制是基于多項(xiàng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非完整的約束系統(tǒng)，利用有限的多項(xiàng)式很難精確構(gòu)建機(jī)器人轉(zhuǎn)角和跑位的運(yùn)動(dòng)控制模型；
[0006](3)即使利用多項(xiàng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，多項(xiàng)式次數(shù)及系數(shù)如何選取至關(guān)重要，但該專利未曾提到；
[0007](4)如何獲取機(jī)器人位置和跟蹤目標(biāo)位置是實(shí)現(xiàn)控制策略的關(guān)鍵，該專利也未曾提到。
[0008]中國(guó)專利號(hào)為CN201010240067.4的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了 “基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人跟蹤目標(biāo)的控制方法”，該方法以獲取的環(huán)境信息作為網(wǎng)絡(luò)輸入，機(jī)器人的左右電機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)輸出，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人的控制。該控制策略的不足在于:
[0009](1)若將機(jī)器人整個(gè)控制作為黑箱問(wèn)題來(lái)處理，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性建模，這對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的層數(shù)、各層的節(jié)點(diǎn)數(shù)要求比較高，該專利未曾提到如何選??；
[0010](2)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的非線性建摸，需要較精確的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，而這又需要大量的學(xué)習(xí)樣本，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而言很難獲得完備的學(xué)習(xí)樣本，該專利也未曾提到如何獲取樣本數(shù)據(jù)；
[0011](3)該控制策略雖然利用視覺(jué)傳感器來(lái)獲得環(huán)境信息，但采用的是ー種車載攝像頭，不是針對(duì)全局視覺(jué)系統(tǒng)下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究。與全局視覺(jué)系統(tǒng)相比，車載攝像頭的處理數(shù)據(jù)更大，很難達(dá)到機(jī)器人的實(shí)時(shí)性要求；此外車載攝像頭獲得的是局部環(huán)境信息，機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)全局的路徑跟蹤，運(yùn)動(dòng)控制精度不高。
[0012]總之，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，目前基于智能空間中的傳感器設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及方法設(shè)計(jì)還很少。此外，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制還是ー個(gè)多目標(biāo)控制問(wèn)題，而且其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往因避障需要而不斷進(jìn)行自身姿態(tài)的調(diào)整，因此，如何設(shè)計(jì)ー種能進(jìn)行多目標(biāo)控制，且能根據(jù)環(huán)境變化而進(jìn)行自調(diào)整的控制方法顯得尤為重要。
[0013][1]吳青云，_茂德，賀昱曜.移動(dòng)機(jī)器人的快速終端滑模軌跡跟蹤控制[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2007，29 (12):2127 - 2130.[0014][2]賀乃寶,姜長(zhǎng)生,高倩.一類不確定非線性系統(tǒng)基于Backstepping的自適應(yīng)跟蹤控制[J].哈爾濱エ業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41 (5):169 - 171.
【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于為了解決智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，構(gòu)建了移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)而提供了一種移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法。
[0016]本發(fā)明的智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由智能空間和移動(dòng)機(jī)器人組成，其中智能空間包括監(jiān)控主機(jī)、分布式視覺(jué)系統(tǒng)和基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分布式視覺(jué)系統(tǒng)由多個(gè)CCD攝像機(jī)分別通過(guò)萬(wàn)向支架垂直安裝在室內(nèi)頂棚上構(gòu)成，多個(gè)C⑶攝像機(jī)(3)再分別通過(guò)視頻線與插在監(jiān)控主機(jī)的PCI插槽內(nèi)的多路圖像采集卡相連；基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由盲節(jié)點(diǎn)和Zigbee網(wǎng)關(guān)組成，盲節(jié)點(diǎn)安裝在移動(dòng)機(jī)器人的微控制器上，Zigbee網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS232串ロ與監(jiān)控主機(jī)連接。
[0017]所述盲節(jié)點(diǎn)為采用帶有硬件定位引擎型號(hào)為CC2431的芯片。
[0018]智能空間中移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法，先進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人位姿信息獲??；然后進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人控制偏差e的獲?。蛔詈筮M(jìn)行基于RBF辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人多目標(biāo)的自調(diào)整PID運(yùn)動(dòng)控制。
[0019]所述移動(dòng)機(jī)器人位姿信息獲取，采用視覺(jué)方法，包括移動(dòng)機(jī)器人的位置和航向角的定位；
[0020]移動(dòng)機(jī)器人的位置定位方法采用如下步驟:
[0021](1)利用CCD攝像機(jī)采集含有移動(dòng)機(jī)器人的彩色圖像；
[0022](2)基于彩色像素矢量的歐氏距離，結(jié)合背景圖像，對(duì)步驟⑴中獲得的彩色圖像進(jìn)行閾值分割，從而獲得差分ニ值圖像；[0023](3)運(yùn)用開(kāi)運(yùn)算對(duì)ニ值圖像進(jìn)行消噪處理，從而獲得精確的含有移動(dòng)機(jī)器人的ニ值圖像；
[0024](4)對(duì)含有移動(dòng)機(jī)器人的ニ值圖像進(jìn)行逐行掃描，當(dāng)所掃描的當(dāng)前行線段與前一行線段相鄰，則合成連通區(qū)域；否則，初始化新的連通區(qū)域；
[0025](5)根據(jù)步驟(4)各連通區(qū)域的像素坐標(biāo)，從而獲得各移動(dòng)機(jī)器人的位置坐標(biāo)。
[0026]移動(dòng)機(jī)器人的航向角的定位方法采用如下步驟:
[0027]1)利用CCD攝像機(jī)采集貼有方向和標(biāo)識(shí)的T型顏色塊的移動(dòng)機(jī)器人的彩色圖像；
[0028]2)將移動(dòng)機(jī)器人的彩色圖像從RGB顔色空間轉(zhuǎn)換到HIS顔色空間；
[0029]3)根據(jù)預(yù)設(shè)定的Η和S閾值，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的Τ型顏色塊進(jìn)行圖像分割；
[0030]4)運(yùn)用開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算對(duì)分割后圖像進(jìn)行平滑處理；
[0031]5)對(duì)Τ型的標(biāo)識(shí)圖像進(jìn)行線性擬合，獲得標(biāo)識(shí)顏色塊的斜率，并換算到角度，最后再根據(jù)方向顔色塊進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的最終航向角確定。
[0032]所述移動(dòng)機(jī)器人控制偏差e的獲取，包括移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)向距離ed和航向偏角e θ的獲??；側(cè)向距離edi當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人的中心坐標(biāo)Ρ。，到待跟蹤路徑上參考機(jī)器人中心點(diǎn)己處切線的垂直距離d;航向偏角ee是當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前方向角Θ。，與待跟蹤路徑上參考機(jī)器人中心點(diǎn)已處切線方向Θ r的角度差Θ。
[0033]所述基于RBF辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人多目標(biāo)的自調(diào)整PID運(yùn)動(dòng)控制的方法，包括如下步驟:
[0034](1)移動(dòng)機(jī)器人速度調(diào)整控制量Λ V的PID控制，包括如下步驟:
[0035]a.求取移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)向距離ed ；
[0036]b.求取移動(dòng)機(jī)器人的航向偏角e0 ；
[0037]c.建立如下k時(shí)刻速度調(diào)整控制量Λ V (k)的PID控制:
[0038]Δ V (k) = Δ V (k~l)
[0039]+Kp d (k) (ed (k) _ed (k_l)) +Ki d (k) ed (k) +Kd—d (k) (ed (k) _2ed (k_l) +ed (k_2))
[0040]+Kp a (k) (e 9 (k) _e θ (k_l)) +KL θ (k) e θ (k) +Kd— θ (k) (e θ (k) _2e θ (k_l) +e θ (k_l))
[0041]式中，Kp d(k)、もd(k)、Kd d(k)分別為k時(shí)刻側(cè)向距離PID控制器比例、積分、微分系數(shù)，移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)向距離ed，航向偏角ee ；
[0042]Κρ θ (k)為e (k)、Kd e (k)分別為k時(shí)刻航向偏角PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)；
[0043](2)基于RBF辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行k時(shí)刻側(cè)向距離PID控制器的PID參數(shù)(Kp d (k)、d(k)、Kdd(k))自調(diào)整，包括如下步驟:
[0044]a.Kp d (k) = Kp d (k_l) + λ p—d Δ Kp d (k)；
[0045]b.Ki d (k) = Ki d (k-1) + 入しd Δ d (k)；
[0046]c.Kd—d (k) = Kd—d (k-1) + 入 d—d Δ Kd d (k)；
[0047]式中，λp d、λ i d、λ d d 分別為 Kp d(k)、Ki d(k)、Kd d(k)的學(xué)習(xí)率，為正常數(shù)；ΛΚρd (k)、Λ も d (k)、Δ Kd d (k)分別為 Kp d (k)、も d (k)、Kd d (k)在線調(diào)整值；
[0048]d.Δ Kp d (k) = ed (k) Jd (ed (k) _ed (k_l))；
[0049]e.Δ Ki d (k) = Tsed (k) Jded (k)；
【權(quán)利要求】
1.ー種智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在干:由智能空間和移動(dòng)機(jī)器人(7)組成，其中智能空間包括監(jiān)控主機(jī)(5)、分布式視覺(jué)系統(tǒng)和基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分布式視覺(jué)系統(tǒng)由多個(gè)(XD攝像機(jī)(3)分別通過(guò)萬(wàn)向支架(2)垂直安裝在室內(nèi)頂棚(1)上構(gòu)成，多個(gè)(XD攝像機(jī)(3)再分別通過(guò)視頻線與插在監(jiān)控主機(jī)(5)的PCI插槽內(nèi)的多路圖像采集卡(4)相連；基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由盲節(jié)點(diǎn)(8)和Zigbee網(wǎng)關(guān)(6)組成，盲節(jié)點(diǎn)(8)安裝在移動(dòng)機(jī)器人(7)的微控制器(10)上，Zigbee網(wǎng)關(guān)(6)通過(guò)RS232串ロ與監(jiān)控主機(jī)(5)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能空間中移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述盲節(jié)點(diǎn)(8)為采用帶有硬件定位引擎型號(hào)為CC2431的芯片。
3.—種如權(quán)利要求1所述的智能空間中移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于先進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人位姿信息獲??；然后進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人控制偏差e的獲?。蛔詈筮M(jìn)行基于RBF辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人多目標(biāo)的自調(diào)整PID運(yùn)動(dòng)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能空間中移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述移動(dòng)機(jī)器人(7)位姿信息獲取，采用視覺(jué)方法，包括移動(dòng)機(jī)器人(7)的位置和航向角的定位； 移動(dòng)機(jī)器人(7)的位置定位 方法采用如下步驟: (1)利用CCD攝像機(jī)(3)采集含有移動(dòng)機(jī)器人(7)的彩色圖像； (2)基于彩色像素矢量的歐氏距離，結(jié)合背景圖像，對(duì)步驟(1)中獲得的彩色圖像進(jìn)行閾值分割，從而獲得差分ニ值圖像； (3)運(yùn)用開(kāi)運(yùn)算對(duì)ニ值圖像進(jìn)行消噪處理，從而獲得精確的含有移動(dòng)機(jī)器人(7)的ニ值圖像； (4)對(duì)含有移動(dòng)機(jī)器人(7)的ニ值圖像進(jìn)行逐行掃描，若所掃描的當(dāng)前行線段與前一行線段相鄰，則合成連通區(qū)域；否則，初始化新的連通區(qū)域； (5)根據(jù)步驟(4)各連通區(qū)域的像素坐標(biāo)，從而獲得各移動(dòng)機(jī)器人(7)的位置坐標(biāo)。 移動(dòng)機(jī)器人(7)的航向角的定位方法采用如下步驟: 1)利用CCD攝像機(jī)(3)采集貼有方向和標(biāo)識(shí)的T型顏色塊的移動(dòng)機(jī)器人(7)的彩色圖像； 2)將移動(dòng)機(jī)器人(7)的彩色圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HIS顏色空間； 3)根據(jù)預(yù)設(shè)定的Η和S閾值，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人(7)的Τ型顏色塊進(jìn)行圖像分割； 4)運(yùn)用開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算對(duì)分割后圖像進(jìn)行平滑處理； 5)對(duì)Τ型的標(biāo)識(shí)圖像進(jìn)行線性擬合，獲得標(biāo)識(shí)顏色塊的斜率，并換算到角度，最后再根據(jù)方向顔色塊進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人(7)的最終航向角確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能空間中移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述移動(dòng)機(jī)器人控制偏差e的獲取，包括移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)向距離ed和航向偏角ee的獲??；側(cè)向距離％是當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人(23)的中心坐標(biāo)P。，到待跟蹤路徑(9)上參考機(jī)器人(24)中心點(diǎn)已處切線的垂直距離d ;航向偏角ee是當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人(23)的當(dāng)前方向角Θ。，與待跟蹤路徑(9)上參考機(jī)器人(24)中心點(diǎn)已處切線方向的角度差Θ。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能空間中移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述基于RBF辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人(7)多目標(biāo)的自調(diào)整PID運(yùn)動(dòng)控制的方法，包括如下步驟: (1)移動(dòng)機(jī)器人(7)速度調(diào)整控制量ΛV的PID控制，包括如下步驟: a.求取移動(dòng)機(jī)器人(7)的側(cè)向距離ed； b.求取移動(dòng)機(jī)器人(7)的航向偏角e0； c.建立如下k時(shí)刻速度調(diào)整控制量Λv(k)的PID控制:
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK103454919SQ201310361519
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】袁明新, 申?duì)D, 江亞峰, 趙榮, 孫小肖, 劉萍 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)