CN105929849A - 一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法 - Google Patents
一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105929849A CN105929849A CN201610272043.4A CN201610272043A CN105929849A CN 105929849 A CN105929849 A CN 105929849A CN 201610272043 A CN201610272043 A CN 201610272043A CN 105929849 A CN105929849 A CN 105929849A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- target
- mobile robot
- wheeled mobile
- robot
- theta
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 title abstract 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title abstract 2
- 230000032361 posttranscriptional gene silencing Effects 0.000 claims description 13
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009017 pursuit movement Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/12—Target-seeking control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法。首先,建立轮式移动机器人运动学模型,通过外部传感器获取目标的相对位置,并建立虚拟跟踪目标。然后,设计线速度及角速度控制器,通过李雅普诺夫稳定性理论及LaSalle不变原理证明本发明所设计的控制器能使得虚拟目标轨迹收敛至实际目标,代表轮式移动机器人跟踪上目标。本发明所涉及的跟踪控制方法能够使得轮式移动机器人系统渐近稳定,机器人有效地跟踪上目标,仿真及实验结果验证了本发明所提出的控制方法的合理性。
Description
技术领域
本发明涉及轮式移动机器人伺服控制领域,尤其是一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法。
背景技术
轮式移动机器人在物料自动搬运、特殊人群服务、抢险救灾,以及危险地域探索等方面的应用具有不可比拟的优势,已广泛地应用于工业、农业、服务业、国防和宇宙探索等领域,对人类社会的生产和生活产生了积极而深远的影响。例如,美国国家宇航局研制的“好奇号”火星探测车成功登陆火星,为人类探测外星生命打下坚实的基础。近年来,针对轮式移动机器人的控制研究产生诸多分支,其中一个重要的分支就是视觉伺服控制的研究。随着各类传感器的发展,特别是视觉传感器,为轮式移动机器人视觉伺服控制研究提供了更为广阔的应用空间。
根据摄像机安装位置的不同,机器人视觉伺服系统分为eye-to-hand(固定摄像机)系统及eye-in-hand(手眼)系统。eye-to-hand系统的摄像机安装在机器人本体之外,通过摄像机获得目标及机器人的控制位姿来控制机器人跟踪目标,此类系统不易出现目标丢失的现象,但机器人的运动容易造成目标的遮挡。eye-in-hand系统的摄像机安装于机器人本体上,由机器人运动带动摄像机运动,此类系统对于防止目标遮挡有较强的优势,但又容易出现目标丢失的情况。因此,如何更好地解决以上两种问题是轮式移动机器人目标跟踪控制研究的难点。
综上所述,研究如何令轮式移动机器人在已知环境下,不出现目标丢失和目标遮挡且快速有效地跟踪上目标,对于轮式移动机器人的智能化、自主化,都具有重要的理论价值和实际意义。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术存在的缺陷,本发明旨在提供一种解决轮式移动机器人目标跟踪控制问题的基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法。
技术方案:一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,具体包括如下步骤:
(1)对轮式移动机器人进行分析,建立轮式移动机器人非完整运动学模型;
(2)利用单目摄像头获取目标对机器人本体的相对位置差ρ和相对姿态差α;
(3)建立虚拟跟踪目标并根据步骤(2)中所得的ρ和α,与步骤(1)中的运动学模型结合,设计机器人的线速度v与角速度ω;
(4)将步骤(3)中设计的线速度v与角速度ω代入李雅普诺夫函数,若李雅普诺夫函数收敛至零,则验证了所设计的线速度v和角速度ω使得系统渐近稳定,且机器人已准确地跟踪上目标若李雅普诺夫函数未收敛至零,则返回步骤(3)重新设计机器人的线速度v与角速度ω。
进一步的,步骤(1)中所述轮式移动机器人非完整运动学模型具体为:
其中(x,y)是机器人在世界坐标系下的坐标,θ是机器人在世界坐标系下的航向角。
进一步的,步骤(2)中所述获取目标对机器人本体的相对位置差ρ和相对姿态差α具体为:
其中,(xb,yb)为目标在世界坐标系下的坐标,为目标在机器人本体笛卡尔坐标系下的坐标且
进一步的,步骤(3)中所述虚拟跟踪目标在世界坐标系下的坐标为(xc,yc),满足:
进一步的,步骤(3)中所述机器人的线速度v与角速度ω为:
其中,vmax、ωmax分别为最大线速度和角速度,kv、kω∈(0,1]分别为线速度和角速度控制增益,ρ*和ρ分别为机器人本体与目标之间的期望距离和实际距离,α为目标在机器人本体笛卡尔坐标系下的偏向角。
进一步的,在步骤(3)中,附加如下条件:
kωωmaxρ*≥kvvmax
进一步的,步骤(4)中所述李雅普诺夫函数即:
有益效果:本发明通过在轮式移动机器人正前方ρ*处建立虚拟跟踪目标的方式,将虚拟目标与目标之间的误差作为反馈控制量,控制虚拟目标的轨迹收敛到目标解决了一类轮式移动机器人目标跟踪问题,相比于现有的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,本发明设计基于视觉的运动控制器结构简单,硬件要求低,控制精度高,较好地解决了目标丢失等问题。
附图说明
图1是本发明中轮式移动机器人运动学模型及其坐标系示意图;
图2是本发明中轮式移动机器人目标跟踪控制原理图;
图3是本发明中轮式移动机器人跟踪运动示意图;
图4是本发明中轮式移动机器人运动控制器的速度控制量;
图5是本发明中轮式移动机器人运动控制器的角速度控制量;
图6是本发明中轮式移动机器人的实际距离曲线图;
图7是本发明中轮式移动机器人的偏差角曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明:本发明适用于带有单目摄像头等外部传感器的轮式移动机器人控制系统,其运动学模型及坐标系建立如图1所示。系统由目标测距模块得到目标偏差,与期望跟踪距离结合设计运动控制器,控制轮式移动机器人持续跟踪目标。
如图2所示,一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,具体包括如下步骤:
(1)对轮式移动机器人进行分析,建立轮式移动机器人非完整运动学模型,具体为:
其中(x,y)是机器人在世界坐标系下的坐标,θ是机器人在世界坐标系下的航向角。
(2)利用单目摄像头获取目标对机器人本体的相对位置差ρ和相对姿态差α,具体为:
其中,(xb,yb)为目标在世界坐标系下的坐标,为目标在机器人本体笛卡尔坐标系下的坐标且则:
(3)建立虚拟跟踪目标虚拟跟踪目标在世界坐标系下的坐标为(xc,yc),满足:
根据步骤(2)中所得的ρ和α,与步骤(1)中的运动学模型结合,设计机器人的线速度v与角速度ω为:
其中,vmax、ωmax分别为最大线速度和角速度,kv、kω∈(0,1]分别为线速度和角速度控制增益,ρ*和ρ分别为机器人本体与目标之间的期望距离和实际距离,α为目标在机器人本体笛卡尔坐标系下的偏向角。
为了确保机器人能快速有效地跟踪上目标还需附加如下条件:
kωωmaxρ*≥kvvmax
(4)将步骤(3)中设计的线速度v与角速度ω代入李雅普诺夫函数,即:
对其求导得:
将控制器v、ω代入得:
其中均大于零且k2>k1。
因若(xc-xb)cosθ+(yc-yb)sinθ≤0,则
考虑(xc-xb)cosθ+(yc-yb)sinθ>0情形,下面分两种情况讨论:
情形1:
由可得从而有:
展开整理得:
将不等式右边整理为平方项和形式:
当时,有:
所以的最大不变集是{(xb,yb)},根据LaSalle不变原理,(xc,yc)的轨迹会收敛到(xb,yb)。
情形2:
由可得从而有:
展开整理得:
将不等式右边整理为平方项和形式:
当时,有:
所以的最大不变集是{(xb,yb)},根据LaSalle不变原理(拉萨尔不变原理),(xc,yc)的轨迹会收敛到(xb,yb)。
因此,(xc,yc)的轨迹最终会收敛到(xb,yb),(x,y)的轨迹会收敛到以(xb,yb)为中心、ρ*为半径的圆环上。轮式移动机器人最终会跟踪上目标且正对着目标即:
在控制器的作用下,李雅普诺夫函数最终收敛至零,证明所设计的线速度v和角速度ω能使得系统渐近稳定,故可知虚拟跟踪目标的轨迹最终收敛至目标代表轮式移动机器人最终跟踪上目标仿真实验结果如图3-图7所示。
综合以上稳定性分析,本发明设计的基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法是稳定的,且目标跟踪效果良好。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
(1)对轮式移动机器人进行分析,建立轮式移动机器人非完整运动学模型;
(2)利用单目摄像头获取目标对机器人本体的相对位置差ρ和相对姿态差α;
(3)建立虚拟跟踪目标并根据步骤(2)中所得的ρ和α,与步骤(1)中的运动学模型结合,设计机器人的线速度v与角速度ω;
(4)将步骤(3)中设计的线速度v与角速度ω代入李雅普诺夫函数,若李雅普诺夫函数收敛至零,则验证了所设计的线速度v和角速度ω使得系统渐近稳定,且机器人已准确地跟踪上目标若李雅普诺夫函数未收敛至零,则返回步骤(3)重新设计机器人的线速度v与角速度ω。
2.根据权利要求1所述的一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,其特征在于,步骤(1)中所述轮式移动机器人非完整运动学模型具体为:
其中(x,y)是机器人在世界坐标系下的坐标,θ是机器人在世界坐标系下的航向角。
3.根据权利要求1所述的一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,其特征在于,步骤(2)中所述获取目标对机器人本体的相对位置差ρ和相对姿态差α具体为:
其中,(xb,yb)为目标在世界坐标系下的坐标,为目标在机器人本体笛卡尔坐标系下的坐标且
4.根据权利要求1所述的一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,其特征在于,步骤(3)中所述虚拟跟踪目标在世界坐标系下的坐标为(xc,yc),满足:
5.根据权利要求1所述的一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,其特征在于,步骤(3)中所述机器人的线速度v与角速度ω为:
其中,vmax、ωmax分别为最大线速度和角速度,kv、kω∈(0,1]分别为线速度和角速度控制增益,ρ*和ρ分别为机器人本体与目标之间的期望距离和实际距离,α为目标在机器人本体笛卡尔坐标系下的偏向角。
6.根据权利要求1所述的一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,其特征在于,在步骤(3)中,附加如下条件:
kωωmaxρ*≥kvvmax。
7.根据权利要求1所述的一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法,其特征在于,步骤(4)中所述李雅普诺夫函数即:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610272043.4A CN105929849B (zh) | 2016-04-28 | 2016-04-28 | 一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610272043.4A CN105929849B (zh) | 2016-04-28 | 2016-04-28 | 一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105929849A true CN105929849A (zh) | 2016-09-07 |
CN105929849B CN105929849B (zh) | 2018-10-23 |
Family
ID=56837451
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201610272043.4A Active CN105929849B (zh) | 2016-04-28 | 2016-04-28 | 一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105929849B (zh) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106292290A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-01-04 | 浙江工业大学 | 一种轮式移动机器人点镇定滚动优化控制方法 |
CN107168064A (zh) * | 2017-06-20 | 2017-09-15 | 浙江工业大学 | 一种轮式移动舞台机器人在线优化镇定控制方法 |
CN107703973A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-02-16 | 广州视源电子科技股份有限公司 | 轨迹跟踪方法、装置 |
CN108829137A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-11-16 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种机器人目标追踪的避障方法及装置 |
CN109189060A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-11 | 博众精工科技股份有限公司 | 移动机器人的点镇定控制方法及装置 |
CN109597310A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-04-09 | 东南大学 | 一种基于扰动观测器的轮式移动机器人轨迹跟踪方法 |
CN109992009A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-07-09 | 清华大学 | 一种基于距离量测的移动目标环绕跟踪方法 |
CN113558522A (zh) * | 2020-04-29 | 2021-10-29 | 尚科宁家(中国)科技有限公司 | 应用于清洁机器人的行进控制方法以及清洁机器人 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101726296A (zh) * | 2009-12-22 | 2010-06-09 | 哈尔滨工业大学 | 空间机器人视觉测量、路径规划、gnc一体化仿真系统 |
CN102323827A (zh) * | 2011-05-06 | 2012-01-18 | 北京航空航天大学 | 具有力延时虚拟柔性曲杆的自主跟踪系统 |
CN102736626A (zh) * | 2012-05-11 | 2012-10-17 | 北京化工大学 | 基于视觉的移动小车位姿镇定控制方法 |
CN104317299A (zh) * | 2014-11-11 | 2015-01-28 | 东南大学 | 一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法 |
KR20150053605A (ko) * | 2013-11-08 | 2015-05-18 | 국방과학연구소 | 표적기동분석 성능 향상을 위한 자함 권고 기동 제어방법 |
-
2016
- 2016-04-28 CN CN201610272043.4A patent/CN105929849B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101726296A (zh) * | 2009-12-22 | 2010-06-09 | 哈尔滨工业大学 | 空间机器人视觉测量、路径规划、gnc一体化仿真系统 |
CN102323827A (zh) * | 2011-05-06 | 2012-01-18 | 北京航空航天大学 | 具有力延时虚拟柔性曲杆的自主跟踪系统 |
CN102736626A (zh) * | 2012-05-11 | 2012-10-17 | 北京化工大学 | 基于视觉的移动小车位姿镇定控制方法 |
KR20150053605A (ko) * | 2013-11-08 | 2015-05-18 | 국방과학연구소 | 표적기동분석 성능 향상을 위한 자함 권고 기동 제어방법 |
CN104317299A (zh) * | 2014-11-11 | 2015-01-28 | 东南大学 | 一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
张和平 等: "配置机械手的轮式移动机器人目标物体跟踪与抓取", 《常州大学学报(自然科学版)》 * |
张鑫: "移动机器人导航中的轨迹跟踪与群集运动控制研究", 《万方数据知识服务平台》 * |
肖大伟: "基于单目视觉的轮式移动机器人目标测距及跟踪研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106292290A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-01-04 | 浙江工业大学 | 一种轮式移动机器人点镇定滚动优化控制方法 |
CN106292290B (zh) * | 2016-09-28 | 2019-01-29 | 浙江工业大学 | 一种轮式移动机器人点镇定滚动优化控制方法 |
CN107168064B (zh) * | 2017-06-20 | 2020-08-04 | 浙江工业大学 | 一种轮式移动舞台机器人在线优化镇定控制方法 |
CN107168064A (zh) * | 2017-06-20 | 2017-09-15 | 浙江工业大学 | 一种轮式移动舞台机器人在线优化镇定控制方法 |
CN107703973A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-02-16 | 广州视源电子科技股份有限公司 | 轨迹跟踪方法、装置 |
CN108829137A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-11-16 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种机器人目标追踪的避障方法及装置 |
CN109189060B (zh) * | 2018-07-25 | 2021-01-12 | 博众精工科技股份有限公司 | 移动机器人的点镇定控制方法及装置 |
CN109189060A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-11 | 博众精工科技股份有限公司 | 移动机器人的点镇定控制方法及装置 |
US11247336B2 (en) | 2018-07-25 | 2022-02-15 | Bozhon Precision Industry Technology Co., Ltd. | Point stabilization control method and apparatus for a mobile robot |
CN109597310A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-04-09 | 东南大学 | 一种基于扰动观测器的轮式移动机器人轨迹跟踪方法 |
CN109597310B (zh) * | 2019-02-01 | 2021-09-07 | 东南大学 | 一种基于扰动观测器的轮式移动机器人轨迹跟踪方法 |
CN109992009A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-07-09 | 清华大学 | 一种基于距离量测的移动目标环绕跟踪方法 |
CN113558522A (zh) * | 2020-04-29 | 2021-10-29 | 尚科宁家(中国)科技有限公司 | 应用于清洁机器人的行进控制方法以及清洁机器人 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105929849B (zh) | 2018-10-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105929849A (zh) | 一种基于点镇定的轮式移动机器人目标跟踪控制方法 | |
CN106094835B (zh) | 前轮驱动车式移动机器人的动态编队控制方法 | |
CN104932506B (zh) | 基于快速终端滑模的轮式移动机器人轨迹跟踪方法 | |
CN105425819B (zh) | 一种无人机自动跟踪地面目标的制导方法 | |
Wang et al. | A hybrid visual servo controller for robust grasping by wheeled mobile robots | |
CN109176525A (zh) | 一种基于rbf的移动机械手自适应控制方法 | |
CN105159304A (zh) | 接近并跟踪空间非合作目标的有限时间容错控制方法 | |
Xie et al. | The obstacle avoidance planning of USV based on improved artificial potential field | |
CN103009389A (zh) | 一种冗余空间机械臂在轨抓捕的轨迹规划方法 | |
CN111522351B (zh) | 水下机器人三维编队及避障方法 | |
CN108381553A (zh) | 一种用于空间非合作目标捕获的相对导航近距离跟踪方法及系统 | |
CN107272677A (zh) | 一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法 | |
Ying et al. | Leader-follower formation control and obstacle avoidance of multi-robot based on artificial potential field | |
CN107966907A (zh) | 一种应用于冗余度机械臂的障碍物躲避解决方法 | |
Peng et al. | Leader-follower formation control of multiple nonholonomic robots based on backstepping | |
CN109760047A (zh) | 一种基于视觉传感器的舞台机器人预测控制方法 | |
CN111208830B (zh) | 一种轮式移动机器人三闭环编队轨迹跟踪控制方法 | |
CN111309002A (zh) | 一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统 | |
Lapierre et al. | Simulatneous path following and obstacle avoidance control of a unicycle-type robot | |
Inal et al. | A 3d dynamic model of a spherical wheeled self-balancing robot | |
CN108427429B (zh) | 一种考虑动态指向约束的航天器视轴机动控制方法 | |
Necsulescu et al. | Control of nonholonomic autonomous vehicles and their formations | |
Yuan et al. | Trajectory tracking control of a nonholonomic mobile robot | |
Li et al. | Adaptive neural network backstepping control method for aerial manipulator based on variable inertia parameter modeling | |
Alhelou et al. | Trajectory tracking for skid-steering mobile robots using sliding-mode control |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |