一種陪跑機(jī)器人及其跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法
【專利摘要】一種陪跑機(jī)器人及其跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法，機(jī)器人包括運(yùn)動執(zhí)行器、Kinect傳感器、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站、上位機(jī)系統(tǒng)、電源模塊、轉(zhuǎn)串口模塊和嵌入式運(yùn)動控制器；Kinect傳感器通過數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站與上位機(jī)系統(tǒng)連接；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站通過轉(zhuǎn)串口模塊、嵌入式運(yùn)動控制器與運(yùn)動執(zhí)行器連接；電源模塊向Kinect傳感器、運(yùn)動嵌入式控制器和運(yùn)動執(zhí)行器供電；其中運(yùn)動執(zhí)行器包含底盤、三組全向輪和電機(jī)，三組全向輪固定在底盤上，全向輪組與組之間的距離相等，電機(jī)與嵌入式運(yùn)動控制器連接，電機(jī)驅(qū)動全向輪。本發(fā)明的陪跑機(jī)器人在底盤上設(shè)置三輪全向輪結(jié)構(gòu)，使得該陪跑機(jī)器人具有高靈活性，可快速往任意方向移動，如能夠縱向行駛、水平移動和自旋。
【專利說明】-種陪跑機(jī)器人及其跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自主移動機(jī)器人領(lǐng)域，更具體地，涉及一種陪跑機(jī)器人及其跟蹤控制 策略與運(yùn)動控制方法

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們生活質(zhì)量的提高，自主移動的機(jī)器人已經(jīng)可W代替人來完成普通的清潔 工作、貨物搬運(yùn)、兒童教育、家庭娛樂等各種事務(wù)，能靈活自主移動并能與人互動的機(jī)器人， 不僅是一項極具應(yīng)用前景的高新技術(shù)，也是當(dāng)前機(jī)器人行業(yè)的研究重點(diǎn)。
[0003]目前，自主跟蹤目標(biāo)物體的移動機(jī)器人發(fā)展正處于起步階段，還沒有得到大規(guī)模 的推廣。現(xiàn)有技術(shù)中，提供了H種跟隨機(jī)器人：跟隨機(jī)器人（1)通過Kinect傳感器采集深 度信息，動態(tài)地更新保存地圖，成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤和避障；跟隨機(jī)器人（2)利用Kinect傳 感器的目標(biāo)跟蹤算法，結(jié)合目標(biāo)的顏色和深度信息的方法減少跟蹤過程中顏色相近物體的 干擾；跟隨機(jī)器人（3)結(jié)合路徑跟隨算法，把人的行走路徑作為跟蹤的路徑，使陪跑機(jī)器人 沿著與被跟隨的人完全相同的路徑行走。
[0004] 跟隨機(jī)器人（1)、（2)考慮的跟蹤目標(biāo)為對普通物體的跟蹤，而非對人體的跟蹤。 在對人體進(jìn)行跟蹤的時候，由于人體的運(yùn)動具有任意性，跟隨機(jī)器人（1)、（2)無論是結(jié)構(gòu) 還是控制方法都不足W使移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對人體的快速跟隨；此外，跟隨機(jī)器人（1)、（2)、 (3)的平臺為均為兩輪差速結(jié)構(gòu)，兩輪差速結(jié)構(gòu)的移動機(jī)器人為非全向移動機(jī)器人，在移動 中的靈活度相對不足；同時，上述跟隨機(jī)器人（1)、（2)、（3)跟蹤目標(biāo)物體時的運(yùn)動速度較 慢，難W實(shí)現(xiàn)跟隨人體慢跑的功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的發(fā)明目的一是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高靈活性、可快速往任意 方向移動的陪跑機(jī)器人。
[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的二是根據(jù)發(fā)明目的一陪跑機(jī)器人，提供一種跟蹤控制策略與運(yùn) 動控制方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的一，采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 本陪跑機(jī)器人包括運(yùn)動執(zhí)行器、設(shè)置于運(yùn)動執(zhí)行器上方的Kinect傳感器、數(shù)據(jù)中 轉(zhuǎn)站、上位機(jī)系統(tǒng)、電源模塊、轉(zhuǎn)串口模塊和嵌入式運(yùn)動控制器；其中Kinect傳感器通過數(shù) 據(jù)中轉(zhuǎn)站與上位機(jī)系統(tǒng)連接；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站通過轉(zhuǎn)串口模塊與、嵌入式運(yùn)動控制器與運(yùn)動執(zhí) 行器連接；電源模塊向Kinect傳感器、嵌入式運(yùn)動控制器和運(yùn)動執(zhí)行器供電；運(yùn)動執(zhí)行器 包含底盤、H組全向輪和電機(jī)，H組全向輪固定在底盤上，全向輪組與組之間的距離相等， 電機(jī)與運(yùn)動控制器連接，電機(jī)驅(qū)動全向輪。
[0009] 為了使陪跑機(jī)器人的運(yùn)動控制更加精確，陪跑機(jī)器人還包括有測速模塊，測速模 塊的輸入端接運(yùn)動執(zhí)行器，測速模塊的輸出端接嵌入式運(yùn)動控制器；測速模塊為編碼器，編 碼器的轉(zhuǎn)動軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接。
[0010] 進(jìn)一步地，所述的電機(jī)為額定電壓為24V的電機(jī)。
[0011] 本發(fā)明的陪跑機(jī)器人中各部件需要四種電壓；24V、12V、5V、3. 3V。市場上電壓為 24V的電池只有蓄電池，該種電池比較重，為了降低陪跑機(jī)器人的負(fù)重，本發(fā)明的陪跑機(jī)器 人的電源由兩塊12V的裡電池串聯(lián)而成。
[0012] 同時為了降低穩(wěn)壓芯片的損耗和穩(wěn)壓芯片本身的功耗，本陪跑機(jī)器人采用逐級降 壓的方式為各個功能模塊供電，具體如下：
[0013] 電源模塊，包括順次連接的電源、第一電壓調(diào)節(jié)器、第二電壓調(diào)節(jié)器和第H電壓調(diào) 節(jié)器，電源向電機(jī)供電；第一電壓調(diào)節(jié)器的輸出端接Kinect傳感器，第二電壓調(diào)節(jié)器的輸 出端接測速模塊，第H電壓調(diào)節(jié)器的輸出端接嵌入式運(yùn)動控制器。
[0014] 進(jìn)一步地，電源模塊上設(shè)有電源指示燈。
[0015] 進(jìn)一步地，所述底盤包括六根等長的金屬條和正H角形狀鋼板；每兩根金屬條作 為一個金屬條組，各金屬條組內(nèi)的兩根金屬條平行放置，各金屬條組的一端分別固定在正 H角形狀鋼板的H條上，另一端固定有電機(jī)，每組金屬條之間的夾角為120度，全向輪設(shè)置 在電機(jī)的外側(cè)，電機(jī)驅(qū)動全向輪。
[0016] 為了避免因碰撞破壞電機(jī)轉(zhuǎn)軸和全向輪，所述全向輪的外側(cè)設(shè)置有一個方形的保 護(hù)槽。
[0017] 為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的二，采用的技術(shù)方案如下：
[0018] 一種陪跑機(jī)器人的跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法，包括W下步驟：
[0019] S1.Kinect傳感器采集一至兩名用戶的骨骼信息，并將骨骼信息輸送至上位機(jī)系 統(tǒng)，其中骨骼信息包括多峽骨骼峽，骨骼峽上包含多個骨骼點(diǎn)；
[0020] S2.上位機(jī)系統(tǒng)對采集的骨骼信息進(jìn)行讀取，遍歷所有骨骼峽上的骨骼點(diǎn)，對跟 蹤手勢進(jìn)行檢測，若檢測不到跟蹤手勢，跳至步驟S1;若檢測到跟蹤手勢，上位機(jī)系統(tǒng)控制 Kinect傳感器對檢測到跟蹤手勢的用戶進(jìn)行鎖定跟蹤，只采集該用戶的骨骼信息；
[0021] S3.上位機(jī)系統(tǒng)提取鎖定跟蹤的用戶骨骼信息中的肩部中也點(diǎn)坐標(biāo)和四元數(shù)，得 到當(dāng)前時刻用戶與陪跑機(jī)器人之間的相對距離和角度；使用基于跟隨領(lǐng)航者策略計算陪跑 機(jī)器人的期望速度，并將此期望速度通過轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送至嵌入式運(yùn)動控制器；
[0022]S4.嵌入式運(yùn)動控制器根據(jù)陪跑機(jī)器人的期望速度，對陪跑機(jī)器人實(shí)施運(yùn)動控制。
[0023] 進(jìn)一步地，所述步驟S3中的基于跟隨領(lǐng)航者策略具體如下：
[0024] 上位機(jī)系統(tǒng)獲得當(dāng)前時刻用戶相對于陪跑機(jī)器人的水平距離1,、縱向距離lyW及 兩者的相對角度0。定義0表示機(jī)器人的自旋角度，設(shè)用戶的狀態(tài)為（Vh，Viy，01)，陪跑機(jī) 器人的狀態(tài)為（V2y，V2y, 0 2)。其中
[00巧] 氏-0、二巧
[002引設(shè)人體角度e1= 0,則用戶狀態(tài)為（Vh，Viy，0)，陪跑機(jī)器人的狀態(tài)為 (V2x，i'2j，口）。在保證用戶和陪跑機(jī)器人在短時間內(nèi)速度變化較小的條件下，用戶相對于 陪跑機(jī)器人的距離和角度變化為：
[OOW] /、- = v'2_、- cos界一1:21, sin界一V|_、-，/,.. = v-'21.' cos口+ v'2.r sin(口一V| 1.',
[0028] <p-a).
[0029] 定義也d，/抑，腳）為陪跑機(jī)器人與用戶之間的期望位置，分別表示用戶相對于陪 跑機(jī)器人的水平距離、縱向距離W及角度的期望值。采用比例控制策略控制用戶相對于陪 跑機(jī)器人的距離和角度的變化量：

【權(quán)利要求】
1. 一種陪跑機(jī)器人，包括運(yùn)動執(zhí)行器、設(shè)置于運(yùn)動執(zhí)行器上方的Kinect傳感器、數(shù)據(jù) 中轉(zhuǎn)站、上位機(jī)系統(tǒng)、電源模塊、轉(zhuǎn)串口模塊和嵌入式運(yùn)動控制器；其中Kinect傳感器通過 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站與上位機(jī)系統(tǒng)連接；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站通過轉(zhuǎn)串口模塊、嵌入式運(yùn)動控制器與運(yùn)動執(zhí) 行器連接；電源模塊向Kinect傳感器、運(yùn)動嵌入式控制器和運(yùn)動執(zhí)行器供電；其特征在于： 其中運(yùn)動執(zhí)行器包含底盤、三組全向輪（2)和電機(jī)（1)，三組全向輪（2)固定在底盤上，全 向輪（2)組與組之間的距離相等，電機(jī)（1)與嵌入式運(yùn)動控制器連接，電機(jī)（1)驅(qū)動全向輪 ⑵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陪跑機(jī)器人，其特征在于：所述陪跑機(jī)器人還包括有測速模 塊，測速模塊的輸入端接運(yùn)動執(zhí)行器，測速模塊的輸出端接嵌入式運(yùn)動控制器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的陪跑機(jī)器人，其特征在于：所述測速模塊為編碼器（3)，編碼 器（3)的轉(zhuǎn)動軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)（1)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的陪跑機(jī)器人，其特征在于：所述電源模塊包括順次連接的電 源、第一電壓調(diào)節(jié)器、第二電壓調(diào)節(jié)器和第三電壓調(diào)節(jié)器；其中電源由兩塊12V的鋰電池串 聯(lián)而成，電源向電機(jī)（1)供電；第一電壓調(diào)節(jié)器的輸出端接Kinect傳感器，第二電壓調(diào)節(jié)器 的輸出端接測速模塊，第三電壓調(diào)節(jié)器的輸出端接嵌入式運(yùn)動控制器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的陪跑機(jī)器人，其特征在于：所述電源模塊上設(shè)有電源指示燈。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陪跑機(jī)器人，其特征在于：所述底盤包括六根等長的金 屬條和正三角形狀鋼板；每兩根金屬條作為一個金屬條組，各金屬條組內(nèi)的兩根金屬條平 行放置，各金屬條組的一端分別固定在正三角形狀鋼板的三條上，另一端固定有電機(jī)（1)， 每組金屬條之間的夾角為120度，全向輪（2)設(shè)置在電機(jī)（1)的外側(cè)，電機(jī)（1)驅(qū)動全向輪 (2)，全向輪（2)外側(cè)設(shè)置有方型保護(hù)槽。
7. -種權(quán)利要求1至6任一項所述的陪跑機(jī)器人的跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法，其 特征在于：包括以下步驟： 51. Kinect傳感器采集用戶的骨骼信息，并將骨骼信息輸送至上位機(jī)系統(tǒng)，其中骨骼 信息包括多幀骨骼幀，骨骼幀上包含多個骨骼點(diǎn)；
52. 上位機(jī)系統(tǒng)對采集的骨骼信息進(jìn)行讀取，遍歷所有骨骼幀上面的骨骼點(diǎn)，對跟蹤 手勢進(jìn)行檢測，若檢測不到跟蹤手勢，跳至步驟Sl ;若檢測到跟蹤手勢，上位機(jī)系統(tǒng)控制 Kinect傳感器對檢測到跟蹤手勢的用戶進(jìn)行鎖定跟蹤，采集該用戶的骨骼信息；
53. 上位機(jī)系統(tǒng)提取鎖定跟蹤的用戶骨骼信息中的肩部中心點(diǎn)坐標(biāo)和四元數(shù)，得到當(dāng) 前時刻用戶與陪跑機(jī)器人之間的相對距離和角度；使用基于跟隨領(lǐng)航者策略計算陪跑機(jī)器 人的期望速度，并將得到的期望速度通過轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送至嵌入式運(yùn)動控制器；
54. 嵌入式運(yùn)動控制器根據(jù)陪跑機(jī)器人期望速度，對陪跑機(jī)器人實(shí)施運(yùn)動控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的陪跑機(jī)器人的跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法，其特征在于： 所述步驟S3中的基于跟隨領(lǐng)航者策略具體如下： 上位機(jī)系統(tǒng)獲得當(dāng)前時刻用戶相對于陪跑機(jī)器人的水平距離Ix、縱向距離Iy以及兩者 的相對角度P，定義Θ表示機(jī)器人的自旋角度，設(shè)用戶的狀態(tài)為（Vlx，Vly，Q1),陪跑機(jī)器人 的狀態(tài)為（v 2x，v2y, θ2)，其中 θ2~θι=φ 假設(shè)人體角度Θ i = 0,則用戶狀態(tài)為（Vlx，Vly，0)，陪跑機(jī)器人的狀態(tài)為 Dy⑷，在保證用戶和陪跑機(jī)器人在短時間內(nèi)速度變化較小的條件下，用戶相對于 陪跑機(jī)器人的距離和角度變化為：
定義為陪跑機(jī)器人與用戶之間的期望位置，分別表示用戶相對于陪跑機(jī) 器人的水平距離、縱向距離以及角度的期望值； 采用比例控制策略控制用戶相對于陪跑機(jī)器人的距離和角度的變化量：
其中，kpl、kp2、kp3為比例控制系數(shù)，應(yīng)用比例控制器，使得I x - lxd，Iy - Iyd以及 ，-％，從而實(shí)現(xiàn)陪跑機(jī)器人跟隨人體的控制目標(biāo)； 聯(lián)立上述各式，整理可得陪跑機(jī)器人的期望速度：
上位機(jī)系統(tǒng)計算得到陪跑機(jī)器人的期望速度，將計算獲得的陪跑機(jī)器人的期望速度通 過轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送至嵌入式運(yùn)動控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的陪跑機(jī)器人的跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法，其特征在于： 所述步驟S4中的運(yùn)動控制具體如下： 首先對得到的期望速度進(jìn)行處理，具體如下： 運(yùn)動控制器得到的期望速度中縱向速度為Vy，水平速度為Vx，旋轉(zhuǎn)速度為ω，設(shè)Vl，v 2， V3分別是三個全向輪的速度，的方向與Vx方向相同，貝1J各個全向輪的速度可分解為：
V3 = Vx 設(shè)1為全向輪中心到陪跑機(jī)器人中心的距離，則I1 = I2 = I3 = 1，則各個全向輪在旋 轉(zhuǎn)速度上的分速度為Vi = A = ν3 = ω 1 ; 綜上，得各個全向輪的速度與陪跑機(jī)器人期望速度關(guān)系如下：
運(yùn)動控制器計算得到全向輪的運(yùn)動速度之后，控制相關(guān)全向輪的運(yùn)動。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的陪跑機(jī)器人的跟蹤控制策略與運(yùn)動控制方法，其特征在于： 所述跟蹤手勢檢測具體為：提取用戶骨骼信息中右手掌的高度信息和右肩膀的高度信息 進(jìn)行對比，如果右手掌的高度信息高于右肩膀的高度信息，則認(rèn)為檢測到了跟蹤手勢。
【文檔編號】G05D1/02GK104375504SQ201410466889
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】成慧, 李小錕, 黃志杰 申請人:中山大學(xué)