[發(fā)明專利]一種基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的足式機(jī)器人牽引控制方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710258142.1
• 申請(qǐng)日: 2017-04-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108153298B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許鵬;蘇波;姚其昌;黨睿娜;江磊;許威;蔣云峰;慕林棟;降晨星;鄧秦丹;康祖銘;楊超寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)北方車(chē)輛研究所
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02;G05D1/08;B62D57/032
• 代理公司: 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司專利中心 11011
• 代理人: 周恒

本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的足式機(jī)器人牽引控制方法及系統(tǒng)，構(gòu)建機(jī)器人目標(biāo)引力勢(shì)能場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)；根據(jù)勢(shì)能場(chǎng)計(jì)算目標(biāo)和障礙物虛擬力，并計(jì)算環(huán)境產(chǎn)生的虛擬合力；根據(jù)環(huán)境產(chǎn)生的虛擬合力，計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)；根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，計(jì)算機(jī)身位姿控制器的輸入。本發(fā)明采用改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)理論，克服了機(jī)器人在局部區(qū)域內(nèi)無(wú)法到達(dá)終點(diǎn)的缺陷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的足式機(jī)器人牽引控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

足式機(jī)器人目前主要靠遙控的方式進(jìn)行操作，無(wú)疑降低了機(jī)器人的工作效率，操控人員操控機(jī)器人時(shí)采用人眼作為視覺(jué)反饋，由于人眼視覺(jué)反饋無(wú)法轉(zhuǎn)化為精確的機(jī)器人位姿控制量，因此存在機(jī)器人反復(fù)進(jìn)行動(dòng)作調(diào)整的現(xiàn)象，大大造成了人員的操控疲勞，操控效率較低。

目前已經(jīng)開(kāi)展了足式機(jī)器人自主行走的研究，比較常見(jiàn)的路徑規(guī)劃算法為A*全局搜索算法和遺傳算法，其中，A*搜索算法受啟發(fā)函數(shù)選取的影響，很難找到全局最優(yōu)解；遺傳算法結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算任務(wù)艱巨。人工勢(shì)場(chǎng)是早期Khatib提出的機(jī)器人移動(dòng)軌跡規(guī)劃理論，被廣泛應(yīng)用于輪式機(jī)器人控制，用于提升機(jī)器人的作業(yè)效率，但傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)理論存在機(jī)器人在局部區(qū)域內(nèi)無(wú)法到達(dá)終點(diǎn)的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的足式機(jī)器人牽引控制方法及系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)理論存在機(jī)器人在局部區(qū)域內(nèi)無(wú)法到達(dá)終點(diǎn)的缺陷。

本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的足式機(jī)器人牽引控制方法，其改進(jìn)之處在于：

構(gòu)建機(jī)器人目標(biāo)引力勢(shì)能場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)；

根據(jù)勢(shì)能場(chǎng)計(jì)算牽引控制的目標(biāo)和障礙物虛擬力，并計(jì)算環(huán)境產(chǎn)生的虛擬合力；

根據(jù)環(huán)境產(chǎn)生的虛擬合力，計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)；

根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，計(jì)算機(jī)身位姿控制器的輸入。

進(jìn)一步地，在構(gòu)建機(jī)器人目標(biāo)引力勢(shì)能場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)之前，還包括提取機(jī)器人作業(yè)環(huán)境信息；所述作業(yè)環(huán)境信息通過(guò)機(jī)器人搭載的感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，包括障礙物的識(shí)別和目標(biāo)的識(shí)別。

進(jìn)一步地，所述構(gòu)建機(jī)器人目標(biāo)引力勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)，包括：

實(shí)時(shí)估計(jì)機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的位置；

依靠感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的位置信息；

實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人與目標(biāo)距離，并引入機(jī)器人距離目標(biāo)的安全距離閾值及引力場(chǎng)比例因子；

依據(jù)機(jī)器人與目標(biāo)實(shí)時(shí)距離和安全距離的關(guān)系，構(gòu)建機(jī)器人目標(biāo)勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)；

優(yōu)選的，采用機(jī)載慣性測(cè)量單元實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的平動(dòng)加速度，利用加速度二次積分的方法實(shí)時(shí)估計(jì)機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的位置；

優(yōu)選的，依靠機(jī)載感知系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，提取目標(biāo)特征信息和獲取目標(biāo)的深度信息，從而獲得目標(biāo)相對(duì)感知系統(tǒng)坐標(biāo)系下的位置p_c，根據(jù)機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的位置p，以及感知系統(tǒng)相對(duì)于機(jī)器人坐標(biāo)系的位置p_rc，進(jìn)而得到目標(biāo)在世界坐標(biāo)系下的位置p^*，p^*＝p_c+p+p_rc；

優(yōu)選的，所述機(jī)器人目標(biāo)勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)為：