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乒乓球机器人控制系统及击打策略研究

作　者: 向瑞
导　师: 姜力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 乒乓球机器人 实时系统 视觉伺服 击球策略 轨迹预测
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


乒乓球机器人是一个典型的智能实时系统,它涵盖机器人研究领域智能控制、高速视觉伺服、人机交互以及机器学习等一系列核心技术,研究乒乓球机器人,可以有效地推动机器人技术发展,具有较高科研价值。结合国家863计划先进制造技术领域“仿人机器人高性能单元与系统”重点项目,本文研究了与乒乓球机器人控制系统及其击打策略,实现了与人简单对打乒乓球。首先设计了一个乒乓球机器人控制系统,该系统由嵌入式处理器和FPGA的组成,组建了基于Socket和LVDS的高速通信网络。在此硬件平台的基础上,移植了VxWorks实时操作系统,编写了嵌入式实时控制程序。该系统具有体积小、集成度高、实时性好、通讯速率快的特点。为了实现六自由度机械臂的控制,研究了仿人形快速手臂的位置运动学与速度运动学及电机控制方法。用D-H法解出了逆运动学的封闭解析解,提出了矢量积法和定义法相结合的求解雅可比矩阵的方法,解出了其速度运动学;研究了五次多项式轨迹规划算法和基于状态观测器的PD控制,完成了电机的位置控制。为了完成与人对打,研究了乒乓球机器人的击打策略。采用系统辨识的方法精确地预测了乒乓球的飞行轨迹,分析了乒乓球与球桌碰撞过程;设计了基于SNTP的简单对时协议,校正了对时误差,实现了视觉处理计算机与控制计算机间的毫秒级精度的时间校正;研究了球拍主动出力的击球过程,建立了球拍击球的物理模型,根据来球速度和预计落点求解出了球拍的出手速度及击球姿态,实现了主动击球;最后完成了乒乓球击打三要素,即击球时机、击打点、击打姿态和速度的选择,并提出了任务级的轨迹规划,实现了安全准确地击球。最后,对文中的关键部分进行了实验验证,验证了控制系统的性能,进行了关节的位置控制实验,分析了乒乓球轨迹预测的误差,给出了乒乓球机器人击球实验,测试了机器人单次击球的准确率,并进行了与人多回合的对打,验证了本文设计的控制系统的有效性和击球策略的正确性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-17
  1.1 课题研究的目的和意义  10
  1.2 乒乓球机器人研究现状  10-14
  1.3 乒乓球机器人控制策略概述  14-15
  1.4 本文主要研究的内容  15-16
  1.5 本章小结  16-17
第2章 乒乓球机器人控制系统设计  17-30
  2.1 引言  17
  2.2 乒乓球机器人性能指标和组成概述  17-20
    2.2.1 性能指标  18
    2.2.2 机械系统  18-19
    2.2.3 视觉系统  19
    2.2.4 控制系统  19-20
  2.3 控制系统硬件设计  20-23
    2.3.1 控制系统总体结构  20-21
    2.3.2 中央控制器体系结构  21-22
    2.3.3 控制系统通信结构  22-23
  2.4 软件系统设计  23-29
    2.4.1 软件系统架构选择  23-24
    2.4.2 VxWorks操作系统的移植  24-26
    2.4.3 嵌入式软件设计  26-28
    2.4.4 上位机程序设计  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章 乒乓球机械臂运动学分析及位置控制  30-44
  3.1 引言  30
  3.2 机械臂正逆运动学  30-36
    3.2.1 运动学参数的确定  30-32
    3.2.2 逆运动学求解  32-35
    3.2.3 视觉坐标系与基坐标系坐标转换  35-36
  3.3 雅可比矩阵计算  36-38
    3.3.1 雅可比矩阵求解  36-38
    3.3.2 奇异性分析  38
  3.4 关节空间轨迹规划  38-40
  3.5 电机控制算法  40-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章 乒乓球机器人击打策略研究  44-58
  4.1 引言  44
  4.2 乒乓球轨迹预测  44-48
    4.2.1 基于物理模型的轨迹预测  44-46
    4.2.2 基于最小二乘系统辨识的轨迹预测  46-47
    4.2.3 乒乓球与球桌碰撞模型  47-48
  4.3 时间同步  48-51
    4.3.1 SNTP对时原理  48-50
    4.3.2 SNTP对时误差分析  50-51
  4.4 姿态速度控制  51-54
  4.5 击球策略  54-57
    4.5.1 击打点选择  54-56
    4.5.2 任务层规划  56-57
  4.6 本章小结  57-58
第5章 实验与验证  58-68
  5.1 引言  58
  5.2 控制器性能实验  58-60
    5.2.1 系统计算速度  59
    5.2.2 通信及响应速度  59-60
  5.3 关节位置控制实验  60-62
    5.3.1 PD控制位置跟踪实验  60-61
    5.3.2 基于状态观测器的PD控制跟踪实验  61-62
  5.4 轨迹预测实验  62-64
    5.4.1 预测方法对比  62-63
    5.4.2 预测绝对误差分析  63-64
  5.5 乒乓球击打实验  64-67
    5.5.1 击球准确率验证  64-65
    5.5.2 与人对打实验  65-67
  5.6 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-72
攻读学位期间发表的学术论文  72-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 智能机器人
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