[發明專利]一種基于多閉環串級控制的滾球系統運動控制方法

有效

• 申請號: 201911001085.4
• 申請日: 2019-10-21
• 公開（公告）號: CN110716504B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 陳啟軍;石文博;鄧修齊;劉成菊;蔣磊
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G05B19/414
• 分類號: G05B19/414
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種基于多閉環串級控制的滾球系統運動控制方法，用于以攝像頭作為單一傳感器的滾球系統，該滾球系統包括滾球、目標點、平板、攝像頭和控制機構，控制機構采用多閉環串級控制方案對滾球的運動進行控制，多閉環串級控制方案以通過攝像頭實時獲取的數據信息作為反饋，對滾球的運動進行調整，多閉環串級控制方案包括，當滾球與目標點的距離大于預設的第一距離時，采用基于速度環和加速度環的雙閉環串級控制，速度環以滾球在平板上的速度作為反饋信號，加速度環以滾球在平板上的加速度作為反饋信號。與現有技術相比，本發明滾球系統運動控制方法易于實施，控制效果好，能夠使滾球快速、精確、穩定地到達平板上的目標點。

技術領域

本發明涉及滾球系統運動控制領域，尤其是涉及一種基于多閉環串級控制的滾球系統運動控制方法。

背景技術

滾球控制系統是一個典型的多變量、非線性控制系統，它通過攝像頭或其他傳感器采集球的位置、速度等信息，使用特定的滾球運動控制算法來控制執行機構的運行，通過傾斜平板的方式，實現對滾球運動目標和運動速度的控制，從而實現滾球的定位控制以及軌跡跟蹤。滾球控制系統是一個研究智能控制算法的典型實驗平臺，其研究內容涉及圖像處理、智能控制、運動控制等，對滾球系統控制方法的研究具有深遠的意義。

滾球系統運動控制方法研究始于上世紀八十年代末期，學者們將滾球系統作為驗證控制算法的一種平臺。滾球系統運動控制方法的研究可以分為兩個階段，第一階段是在Simulink環境下建立數學模型，進行仿真；第二階段則是研發滾球控制系統實驗平臺，在實驗平臺上驗證控制算法。國內，清華大學模糊控制教研組提出了T-S多變量模糊控制方案，開發了基于視覺的滾球控制系統仿真平臺；吉林大學的田彥濤教授及其研究生設計了基于擴展卡爾曼濾波的狀態觀測器，對滾球控制系統中摩擦力狀態進行了在線實時估計。國外，美國倫斯勒理工學院通過使用電阻屏來檢測滾球的位置，建立系統簡化的線性系統模型，設計狀態反饋控制器對系統進行控制，取得了一定的效果。

目前的滾球系統大多都依賴于電阻屏或加速度計提供除圖像之外的額外反饋，從而建立在此基礎上的運動控制算法能夠取得一定的效果。但在只有視覺反饋機構的滾球系統中，由于驅動機構與傳動機構滯后，以及摩擦不均勻、平板不滿足絕對平整等干擾因素的影響，一般的運動控制算法不能夠滿足對滾球系統進行運動控制的要求。另外，目前的滾球控制系統大多只能夠前往固定的預設目標點，或只有固定的一些運動模式，不具有靈活性與機動性，無法實時的按照人們的意愿跟蹤動態的目標點。因此，有必要設計一種基于多閉環串級控制的滾球系統運動控制方法，將其應用在只有視覺反饋機構的滾球控制系統上，取得較好的運動控制效果。

公開號為CN109062115A的發明公開了一種基于雙閉環控制的滾球控制方法，控制系統通過基于位置環和速度環的雙閉環實現對滾球在方板上的定點和軌跡運動的控制；所述的位置環以攝像頭檢測滾球在方板上的位置信息作為反饋信號；速度環的反饋信號來自對所述位置信息的處理；控制系統的執行機構為2個控制方板姿態的電動推桿；2個電動推桿由獨立的2個電機驅動；方板由萬向節和所述的2個電動推桿支撐；攝像頭固定在方板的正上方；控制系統為基于MCU的控制系統；攝像頭與MCU相連；電機受控于MCU。攝像頭采用能直接輸出目標位置坐標的openmv模塊型攝像頭。

該滾球控制方法全程通過基于位置環和速度環的雙閉環對滾球運動進行控制，沒有考慮到滾球的提速，并且該控制方法沒有考慮到滾球運動過程中的一些意外情況，穩定性得不到保證。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種靈活性高、機動性高以及控制精度高、穩定性高的基于多閉環串級控制的滾球系統運動控制方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：