亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        移動(dòng)式撿球機(jī)器人避障路徑視覺(jué)反饋控制方法

        2023-02-09 01:23:08閆慧君韓玉彬
        機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2023年1期
        關(guān)鍵詞:規(guī)劃方法

        閆慧君,韓玉彬

        (1.河南財(cái)政金融學(xué)院,河南鄭州 450046;2.河南理工大學(xué),河南焦作 454000)

        1 引言

        自人類進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),智慧地球理念頻繁提出,機(jī)器人技術(shù)作為行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)受到國(guó)家的重視[1]。在網(wǎng)球等球類的體育教學(xué)中,撿球教學(xué)環(huán)節(jié)中較為枯燥的過(guò)程,撿球機(jī)器人的出現(xiàn)成功將人工從該項(xiàng)環(huán)節(jié)中解脫出來(lái)[2]。至此,自主智能移動(dòng)機(jī)器人研究成為人們一時(shí)間熱議的話題之一。路徑規(guī)劃作為移動(dòng)式撿球機(jī)器人工作中重要的環(huán)節(jié),對(duì)其進(jìn)行必要的視覺(jué)反饋控制成為機(jī)器人研究領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。

        文獻(xiàn)[3]提出基于偽譜法的自由漂浮柔性空間機(jī)器人姿態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與反饋控制。該方法采用假設(shè)模態(tài)法對(duì)機(jī)器人柔性進(jìn)行表述,利用Lagrange方法建立動(dòng)力模型,依據(jù)規(guī)劃算法完成模型求解,并將結(jié)果輸入控制系統(tǒng)中;最后根據(jù)Pontryagin原理,對(duì)參考序列的移動(dòng)軌跡跟蹤問(wèn)題變換為兩點(diǎn)邊值問(wèn)題,使用Legendre偽譜法對(duì)其進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人避障路徑的控制。該方法由于未能在進(jìn)行反饋控制前,利用蟻群算法對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人的避障路徑進(jìn)行了規(guī)劃,所以該方法的抗干擾能力差。

        文獻(xiàn)[4]提出基于自適應(yīng)RBFNN噪聲估計(jì)的自抗擾控制在姿態(tài)控制中的應(yīng)用。

        該方法首根據(jù)自適應(yīng)徑向基函數(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償機(jī)器人外部干擾;利用狀態(tài)誤差反饋控制方法跟蹤機(jī)械臂姿態(tài);最后依據(jù)控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的反饋控制。該方法由于在補(bǔ)償函數(shù)時(shí)存在一定問(wèn)題,所以該方法的控制精度低。

        文獻(xiàn)[5]提出基于深度學(xué)習(xí)的單目視覺(jué)水下機(jī)器人目標(biāo)跟蹤方法研究。該方法利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析機(jī)器人移動(dòng)軌跡,獲取圖像深度信息估計(jì)數(shù)據(jù);再基于圖像估計(jì)數(shù)據(jù)值對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,實(shí)現(xiàn)控制。該方法由于在分析圖像時(shí)存在一定問(wèn)題,所以該方法的抗干擾能力差。

        該方法為解決上述機(jī)器人路徑視覺(jué)反饋控制方法中存在的問(wèn)題,提出移動(dòng)式撿球機(jī)器人避障路徑視覺(jué)反饋控制方法。

        2 路徑規(guī)劃

        針對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人工作環(huán)境等相關(guān)因素,基于蟻群算法,對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人的避障路徑進(jìn)行規(guī)劃[6]。

        2.1 算法描述

        為規(guī)劃撿球機(jī)器人的移動(dòng)避障路徑,將撿球機(jī)器人的出發(fā)位置設(shè)定為gbegin,各個(gè)球的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為食物隨機(jī)在訓(xùn)練場(chǎng)中分布。設(shè)定相關(guān)約束條件對(duì)撿球機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)約束。設(shè)定在訓(xùn)練場(chǎng)中,需撿球的位置坐標(biāo)點(diǎn)有n個(gè),螞蟻會(huì)依據(jù)信息素對(duì)球的位置進(jìn)行判定,獲取最佳路徑,然后進(jìn)行移動(dòng)完成任務(wù)。

        2.2 尋找最佳路徑

        移動(dòng)式撿球機(jī)器人的撿球路徑問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是組合的極小化問(wèn)題,路徑規(guī)劃過(guò)程具體流程如下:

        (1)蟻群初始化

        首先設(shè)定蟻群數(shù)量為m,概率的隨機(jī)數(shù)為Q0,訓(xùn)練場(chǎng)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量為N,揮發(fā)因子用ρ表示,計(jì)算次數(shù)為T(mén),距離啟發(fā)因子用β表示,轉(zhuǎn)角因子用γ標(biāo)記,信息素因子用α進(jìn)行表示,該算法評(píng)價(jià)函數(shù)的轉(zhuǎn)角權(quán)值為W1,距離權(quán)值為W2,訓(xùn)練場(chǎng)中各個(gè)球節(jié)點(diǎn)之間的距離為dij,可依據(jù)下式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算:

        式中:X、Y—球位置坐標(biāo)的兩個(gè)方向;i、j—訓(xùn)練場(chǎng)中第i個(gè)球的位置以及第j個(gè)球的位置。

        設(shè)定訓(xùn)練場(chǎng)中各個(gè)球的位置為訓(xùn)練節(jié)點(diǎn),賦予信息素τij(0)=C至場(chǎng)中所有節(jié)點(diǎn)路徑當(dāng)中,且τij(0)=(n,Lnn)?1,其中相鄰區(qū)域的路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)nn,訓(xùn)練場(chǎng)子區(qū)域中的網(wǎng)球個(gè)數(shù)為n。撿球機(jī)器人自起始點(diǎn)移動(dòng)到最近節(jié)點(diǎn),再由該節(jié)點(diǎn)出發(fā)移動(dòng)到剩余未到的其他節(jié)點(diǎn)中,直至回到出發(fā)位置。

        (2)構(gòu)造路徑

        將m只螞蟻均勻的分布在訓(xùn)練場(chǎng)節(jié)點(diǎn)n位置中,第k只螞蟻的移動(dòng)方向,需要依據(jù)場(chǎng)內(nèi)各個(gè)路徑的信息素值來(lái)確定。在第t時(shí)刻,螞蟻從i點(diǎn)移動(dòng)到j(luò)的轉(zhuǎn)移概率如下式所示:

        式中:—轉(zhuǎn)移概率標(biāo)記;τ—路徑的信息量標(biāo)記;η—啟發(fā)函數(shù)標(biāo)記,機(jī)器人移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)角度標(biāo)記成θ形式,信息素集合標(biāo)記成s。依據(jù)上述獲取的轉(zhuǎn)移概率構(gòu)造路徑。

        (3)信息素更新

        信息素在進(jìn)行更新時(shí),需要遵守局部信息素更新規(guī)則以及全局信息素更新規(guī)則[7]。螞蟻需要遍歷訓(xùn)練成內(nèi)所有球節(jié)點(diǎn),形成搜索路徑,搜索的節(jié)點(diǎn)編碼為?,在搜索路徑上釋放信息素。在所有螞蟻都完成遍歷評(píng)價(jià)最優(yōu)路徑。過(guò)程如下式所示:

        式中:Lgh—規(guī)劃后的最優(yōu)路徑。最后基于上述計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)時(shí)撿球機(jī)器人的路徑規(guī)劃。具體流程,如圖1所示。

        圖1 撿球機(jī)器人路徑規(guī)劃流程圖Fig.1 The Path Planning Flow Chart of the Ball Picking Robot

        3 視覺(jué)反饋控制

        基于上述規(guī)劃的撿球機(jī)器人路徑,對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人進(jìn)行避障路徑的視覺(jué)反饋控制[8]。

        3.1 構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型

        基于上述規(guī)劃的撿球機(jī)器人規(guī)劃的路徑,構(gòu)建機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。首先將移動(dòng)式機(jī)器人的左、右輪速度設(shè)定成vl和vr,旋轉(zhuǎn)角度用θ表示,平均速度設(shè)定成v,角速度標(biāo)記成ω,并通過(guò)計(jì)算獲取機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程,結(jié)果如下式所示:

        式中:p—撿球機(jī)器人廣義坐標(biāo);M(p)—慣性矩陣;p—移動(dòng)狀態(tài);T—約束力矩陣標(biāo)記成A(p);G(p)—重力影響矩陣;λ—移動(dòng)系數(shù);r—維的輸入矩陣標(biāo)記成τ;V(p,p)—離心率矩陣。過(guò)程中,對(duì)約束力矩陣進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如下式所示:

        式中:η—參數(shù)矩陣;vs—移動(dòng)速度。構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型如下式所示:

        式中:P—構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型;S(p)—零空間矩陣;vs(t)—零空間移動(dòng)速度。

        計(jì)算時(shí),需保證參數(shù)矩陣為已知數(shù)據(jù),從而保障機(jī)器人系統(tǒng)能被有效控制。

        3.2 控制策略

        視覺(jué)伺服控制技術(shù)是利用多個(gè)攝像機(jī)對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)地內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

        該技術(shù)基于機(jī)器人的控制系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)自由度,通過(guò)對(duì)各個(gè)球位置的追蹤,實(shí)現(xiàn)控制。過(guò)程中需要對(duì)采集視覺(jué)的信號(hào)特征,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的期望自由度,因此需讓采集信號(hào)特征達(dá)到期望值,及時(shí)完成控制任務(wù)。

        基于上述分析結(jié)果,制定撿球機(jī)器人的控制策略[9]。假設(shè)撿球機(jī)器人臂端基于左右輪位置處各裝載一個(gè)高清攝像機(jī),對(duì)準(zhǔn)前后左右各個(gè)方位的觀測(cè)對(duì)象。采集的圖像特征向量為s,攝像機(jī)期望視角圖特征向量為s?,依據(jù)二者,可獲取圖像的誤差向量,計(jì)算結(jié)果,如下式所示:

        式中:t—攝像機(jī)在的圖像誤差向量為e(t)。

        由于攝像機(jī)的移動(dòng)速度與撿球機(jī)器人的移動(dòng)速度是一致的Vc=(vc,ωc),將攝像機(jī)的瞬時(shí)線速度設(shè)定為vc,瞬時(shí)角速度為ωc,并由此計(jì)算圖像特征向量中,各個(gè)向量之間的關(guān)系,過(guò)程如下式所示:

        式中:特征向量s的交互矩陣為L(zhǎng)s,且Le=Ls,Vc—攝像機(jī)速度。若將Vc當(dāng)做撿球機(jī)器人控制器輸入值,且誤差隨指數(shù)規(guī)律減少,結(jié)合上式獲取攝像機(jī)移動(dòng)速度與誤差之間的關(guān)系,結(jié)果如下式所示:

        式中:λ—移動(dòng)系數(shù);Le—偽逆矩陣為L(zhǎng)e+e。

        由于撿球機(jī)器人與攝像機(jī)的移動(dòng)速度一致,由上至下進(jìn)行推導(dǎo)可將獲取攝像機(jī)速度Vc看作撿球機(jī)器人的控制指令,發(fā)送至機(jī)器人控制系統(tǒng)中,保證s?s?=0從而控制撿球機(jī)器人。

        3.3 控制器設(shè)計(jì)

        在視覺(jué)反饋控制系統(tǒng)中,控制器的反饋信號(hào)與輸入信號(hào)獲取方式都是來(lái)自于傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)。視覺(jué)傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)是由三維場(chǎng)景投影得來(lái)。高清攝像機(jī)的成像模型,如圖2所示。

        圖2 攝像機(jī)成像模型Fig.2 Camera Imaging Model

        依據(jù)圖2可知,三維訓(xùn)練場(chǎng)坐標(biāo)為A(Xw,Yw,Zw),a為二維坐標(biāo)中的坐標(biāo)點(diǎn)位置,坐標(biāo)值為(u,v)。首先將三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為攝像機(jī)坐標(biāo),過(guò)程如下式所示:

        式中:R—旋轉(zhuǎn)矩陣,坐標(biāo)系位置用(xc,yc,zc)表示,攝像機(jī)坐標(biāo)位置為(xw,yw,zw),平移矩陣用τ標(biāo)記。

        再將該坐標(biāo)點(diǎn)位置映射到二維平面上,獲取(x,y),通過(guò)計(jì)算攝像機(jī)坐標(biāo)位置與二維映射坐標(biāo)位置之間的關(guān)系,獲取圖像坐標(biāo)點(diǎn)a(u,v),結(jié)果如下式所示:

        式中:f?—關(guān)系系數(shù)為;cu,cv—光心坐標(biāo)為;pupv—攝像機(jī)焦比為。

        將上述獲取的圖像特征向量與雅克比矩陣相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人避障路徑的視覺(jué)反饋控制器的設(shè)計(jì)[10]。過(guò)程如下式所示:

        式中:Vc—視覺(jué)反饋控制器。最后基于設(shè)計(jì)的視覺(jué)反饋控制器完成對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人避障路徑的視覺(jué)反饋控制。

        4 實(shí)驗(yàn)

        為了驗(yàn)證上述視覺(jué)反饋控制方法的整體有效性,需要對(duì)此方法進(jìn)行測(cè)試。

        4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        分別采用移動(dòng)式撿球機(jī)器人避障路徑視覺(jué)反饋控制方法(方法1)、基于偽譜法的自由漂浮柔性空間機(jī)器人姿態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與反饋控制(方法2)、基于自適應(yīng)RBFNN噪聲估計(jì)的自抗擾控制在姿態(tài)控制中的應(yīng)用(方法3)進(jìn)行測(cè)試;

        (1)采用方法1、方法2以及方法3對(duì)撿球機(jī)器人避障路徑進(jìn)行視覺(jué)反饋控制,測(cè)試三種方法在控制過(guò)程中方向、位置誤差,測(cè)試結(jié)果,如圖3所示。

        圖3 不同方法視覺(jué)反饋控制誤差檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Different Methods of Visual Feedback Control Error Detection Results

        分析圖3可知,隨著撿球機(jī)器人跟蹤距離的不斷增長(zhǎng),三種視覺(jué)反饋控制方法的控制誤差均呈不同程度的上升趨勢(shì)。在進(jìn)行位置誤差檢測(cè)過(guò)程中,方法3在測(cè)試初期所檢測(cè)出的誤差與方法1的檢測(cè)結(jié)果相同,但隨著跟蹤距離的增加,該方法檢測(cè)出的位置誤差呈急速上升趨勢(shì)。方法2所檢測(cè)出的誤差雖然高于方法1,但是對(duì)比方法3來(lái)看,低于方法3。綜上所述,方法1在進(jìn)行視覺(jué)反饋控制時(shí)的控制誤差小。

        (2)撿球機(jī)器人在進(jìn)行工作時(shí),會(huì)不停的在訓(xùn)練場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行活動(dòng),采用方法1、方法2以及方法3進(jìn)行跟蹤控制時(shí),對(duì)撿球機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角控制量進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果,如圖4所示。

        圖4 視覺(jué)控制時(shí)不同方法的轉(zhuǎn)向角控制量測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test Results of Steering Angle Control Amount of Different Methods Under Visual Control

        分析圖4可知,在轉(zhuǎn)向角的檢測(cè)中,檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向角控制量與期望轉(zhuǎn)向角控制量越相近,說(shuō)明該方法控制時(shí)的控制精度越高。方法2與方法3檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向角控制量與期望轉(zhuǎn)向角控制量之間存在較大偏差,方法1檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向角控制量接近于期望轉(zhuǎn)向角控制量,說(shuō)明方法1在進(jìn)行撿球機(jī)器人視覺(jué)控制時(shí)的控制精度優(yōu)于其他兩種方法。綜上所述,方法1在進(jìn)行撿球機(jī)器人反饋控制時(shí)的控制精度高。

        (3)采用方法1、方法2 以及方法3 對(duì)角球機(jī)器人進(jìn)行反饋控制,測(cè)試三種方法在控制時(shí)的抗干擾能力,檢測(cè)結(jié)果,如圖5所示。

        分析圖5可知,檢測(cè)出的干擾值越低說(shuō)明控制方法的抗干擾能力越強(qiáng)。方法2在測(cè)試初期檢測(cè)出的干擾值與方法1相同,但是隨著跟蹤距離的不斷增加,該方法的干擾值呈急速上升趨勢(shì)。方法1檢測(cè)出的干擾值低于其他兩種方法,這主要是因?yàn)榉椒?在進(jìn)行反饋控制前利用蟻群算法對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人的避障路徑進(jìn)行了規(guī)劃,所以該方法在進(jìn)行跟蹤控制時(shí)的抗干擾能力強(qiáng)。

        圖5 不同方法的抗干擾能力測(cè)試結(jié)果Fig.5 Anti?Interference Ability Test Results of Different Methods

        5 結(jié)束語(yǔ)

        近年來(lái)機(jī)器人制造技術(shù)飛速發(fā)展,應(yīng)用范圍廣泛。針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人視覺(jué)反饋控制方法中存在的問(wèn)題,提出基于移動(dòng)式撿球機(jī)器人避障路徑視覺(jué)反饋控制方法。

        該方法首先利用蟻群算法對(duì)移動(dòng)式撿球機(jī)器人的避障路徑進(jìn)行了規(guī)劃;再通過(guò)構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型,利用控制策略,設(shè)計(jì)視覺(jué)反饋控制器,最后通過(guò)該控制器完成對(duì)撿球機(jī)器人避障路徑視覺(jué)反饋控制。該方法由于在構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型時(shí)存在一定問(wèn)題,今后會(huì)針對(duì)該缺陷繼續(xù)對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化。

        猜你喜歡
        規(guī)劃方法
        發(fā)揮人大在五年規(guī)劃編制中的積極作用
        學(xué)習(xí)方法
        規(guī)劃引領(lǐng)把握未來(lái)
        快遞業(yè)十三五規(guī)劃發(fā)布
        商周刊(2017年5期)2017-08-22 03:35:26
        可能是方法不對(duì)
        多管齊下落實(shí)規(guī)劃
        十三五規(guī)劃
        華東科技(2016年10期)2016-11-11 06:17:41
        用對(duì)方法才能瘦
        Coco薇(2016年2期)2016-03-22 02:42:52
        迎接“十三五”規(guī)劃
        四大方法 教你不再“坐以待病”!
        Coco薇(2015年1期)2015-08-13 02:47:34
        粉色蜜桃视频完整版免费观看在线| 91久久精品国产91久久| 色妞色视频一区二区三区四区| 国产精品麻豆欧美日韩ww| 天天干夜夜躁| 国产一区二区内射最近人| 亚洲乱码中文字幕三四区| 欧美激情综合色综合啪啪五月| 美女av一区二区三区| 国产一女三男3p免费视频| 白浆出来无码视频在线| 在线播放偷拍一区二区| 精品一二三四区中文字幕| 国产在线精品一区在线观看| 国模精品二区| 蜜桃av无码免费看永久| 日韩美女av一区二区| 日本真人添下面视频免费| 99精品国产一区二区三区不卡 | 一区在线播放| 一本大道加勒比东京热| 一区二区三区日本高清| 国产精品久久久久久久久久红粉| 变态 另类 欧美 大码 日韩| 亚洲成av人在线观看无堂无码| 亚洲一区二区三区精品久久| 亚洲精品视频1区2区| 中文人妻熟妇乱又伦精品| 91免费永久国产在线观看| 青青草免费在线视频导航| 日本不卡一区二区三区久久精品| 高潮内射双龙视频| 亚洲精品国产综合一线久久| 日本在线中文字幕一区| 人妻少妇精品中文字幕专区| 桃花色综合影院| 国产久视频国内精品999| 久久精品国产亚洲av调教| 午夜视频在线瓜伦| 国产无套护士在线观看| 一区二区三区在线视频免费观看|