CN108037661A

CN108037661A - 用于摄像机器人的运动轨迹设计方法

Info

Publication number: CN108037661A
Application number: CN201711235901.9A
Authority: CN
Inventors: 徐欣; 杨流海; 巢俊; 熊素兰; 褚轶; 冯兵; 朱登明
Original assignee: TAICANG INSTITUTE OF COMPUTING TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES; PRODUCTIVITY PROMOTION CENTER OF JIANGSU PROVINCE
Current assignee: TAICANG INSTITUTE OF COMPUTING TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES; PRODUCTIVITY PROMOTION CENTER OF JIANGSU PROVINCE
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-05-15

Abstract

本发明公开了用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，包括以下步骤：S1：建立机器人客户端，在机器人客户端进行收发数据模块的初始化和参数配置，基于XML的数据格式实现数据的实时通讯；S2：建立PC服务器端，基于UDP通讯，以机器人发送数据相同的时间周期接收机器人数据并发送反馈数据；S3：设定控制点，根据实际拍摄镜头的要求，控制机器人运动到对应的空间位置，将机器人各轴的数据记录到本地缓存区间；S4：基于三次样条曲线对控制点数据进行插值采样计算；S5：将步骤S4采样完的数据进行打包，按照预先设置的数据格式，基于UDP通讯按照通讯周期发送给机器人客户端。

Description

用于摄像机器人的运动轨迹设计方法

技术领域

本发明涉及机器人技术和影视拍摄技术交叉领域，特别是涉及用于摄像机器人的运动轨迹设计方法。

背景技术

工业机器人由机械本体，控制器，伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作，自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。它对提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。

运用于影视拍摄中的摄影机器人，是在机器人本体末端安装云台来承载摄像机，通过控制机器人在空间中的运动，完成不同镜头的拍摄。因此机器人在运动过程中机械臂抖动频率的要求将非常严格，这就对机械臂的运动规划提出的较高的要求。

运动规划就是在给定的两个位置之间为机器人找到一条符合约束条件的路径。这个约束条件可以是无碰撞、时间最短、机械功最小等。常用的运动规划方法有：网格搜索、几何算法、基于回报的算法、人工势场法、基采样的算法、轨迹优化等。

机器人数据的发送和获取都依赖于网络传输，网络的稳定性在很大程度上会影响数据传输的稳定性。其次由于是应用于影视拍摄领域，机器人的机械臂上会安装云台来承载摄像机，拍摄轨迹的多样性和复杂性就要求机器人对其运动轨迹进行规划和优化，以达到预期的拍摄效果。目前机器人的轨迹规划大多数为点到点的线性运动，这种运动规划方式缺少对机器人运动速度、加速度的整体规划，这会导致机器人启停时由于惯性作用而产生运动的不稳定，反应到拍摄中就是拍摄画面的抖动，同时对于运动复杂的轨迹，关键点之间也没有一定的平滑算法，会导致拍摄画面的不流畅。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的用于摄像机器人的运动轨迹设计方法。

技术方案：本发明所述的用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，包括以下步骤：

S1：建立机器人客户端，在机器人客户端进行收发数据模块的初始化和参数配置，基于XML的数据格式实现数据的实时通讯；

S2：建立PC服务器端，基于UDP通讯，以机器人发送数据相同的时间周期接收机器人数据并发送反馈数据；

S3：设定控制点，根据实际拍摄镜头的要求，控制机器人运动到对应的空间位置，将机器人各轴的数据记录到本地缓存区间；

S4：基于三次样条曲线对控制点数据进行插值采样计算；

S5：将步骤S4采样完的数据进行打包，按照预先设置的数据格式，基于UDP通讯按照通讯周期发送给机器人客户端。

进一步，所述步骤S1中，机器人客户端在预先设置好的通讯周期内，不间断地发送当前位置的机器人各个轴的角度数据、机器人系统时间数据和延迟数据包的数量。

进一步，所述步骤S2中，PC服务器端还增加了数据异常处理程序模块，所述数据异常处理程序模块根据预先配置的XML数据中的标志节点按顺序提取完整的数据包：如果出现数据不完整的情况，在通讯周期允许的时间内再次接收机器人的数据包，拼接数据包；如果超出通讯周期允许的时间，则不完整数据暂时存放在缓冲区，等待下一个通讯周期，并重新对数据进行查找和提取。这样能够很好地解决通讯过程中出现的网络时延和数据不完整的情况，提高实时通讯的可靠性和稳定性。

进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S4.1：定义控制点集合为{P₀,P₁,P₂,……,P_n}，P_i为第i个控制点；

S4.2：定义曲线方程组：

c₀、c₁、c₂和c₃均为曲线参数，t为采样点，归一化处理后取值范围为0～1；

S4.3：依照不同区间段曲线连接处平滑和切线平滑的原则构建方程组初始条件：

其中，τ为曲线平滑因子；

S4.4：将式(2)带入式(1)进行求解，得到式(3)：

S4.5：简化式(3)中的方程组：

S4.6：构建矩阵表达式的各系数：

S4.7：整个曲线方程的矩阵表达式为：

S4.8：重复步骤S4.2到S4.7，计算完整的轨迹曲线；

S4.9：根据通讯时间周期对步骤S4.8得到的轨迹曲线进行采样。

进一步，所述步骤S4.3中，τ的取值范围为0.2-0.5。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)基于样条曲线算法，引入起止状态的边界条件，使得整个运动过程的启停状态平稳；

2)对各个曲线段之间的运动进行平滑处理，使得机器人的整个运动过程稳定平滑且连续；

3)引入曲线平滑因子，方便对曲线的整体平滑程度进行调整。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中方法对应的系统的框图；

图2为本发明具体实施方式中发送数据的示意图；

图3为本发明具体实施方式中接收数据的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图，对本发明的技术方案做进一步的介绍。

本具体实施方式公开了用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，包括以下步骤：

S1：建立机器人客户端，在机器人客户端进行收发数据模块的初始化和参数配置，基于XML的数据格式实现数据的实时通讯，如图2和图3所示。机器人客户端在预先设置好的通讯周期内，不间断地发送当前位置的机器人各个轴的角度数据、机器人系统时间数据和延迟数据包的数量。

S2：建立PC服务器端，基于UDP通讯，以机器人发送数据相同的时间周期接收机器人数据并发送反馈数据。为了避免网络变化时延和机器人发送数据不完整的问题，PC服务器端还增加了数据异常处理程序模块，所述数据异常处理程序模块根据预先配置的XML数据中的标志节点按顺序提取完整的数据包：如果出现数据不完整的情况，在通讯周期允许的时间内再次接收机器人的数据包，拼接数据包；如果超出通讯周期允许的时间，则不完整数据暂时存放在缓冲区，等待下一个通讯周期，并重新对数据进行查找和提取。这样能够很好地解决通讯过程中出现的网络时延和数据不完整的情况，提高实时通讯的可靠性和稳定性。

S3：设定控制点，根据实际拍摄镜头的要求，控制机器人运动到对应的空间位置，将机器人各轴的数据记录到本地缓存区间。

S4：基于三次样条曲线对控制点数据进行插值采样计算。

步骤S4具体包括以下步骤：

S4.2：定义曲线方程组：

其中，τ为曲线平滑因子，τ的取值范围为0.2-0.5。

S4.4：将式(2)带入式(1)进行求解，得到式(3)：

S4.5：简化式(3)中的方程组：

S4.6：构建矩阵表达式的各系数：

S4.7：整个曲线方程的矩阵表达式为：

S4.8：重复步骤S4.2到S4.7，计算完整的轨迹曲线；

此外，为了满足影视拍摄的使用要求，在PC服务器端的界面上设计多个功能按钮，包括建立机器人通讯、轨迹导入和导出、轨迹重复、轨迹重复速度控制等功能按钮，为影视拍摄中轨迹重复拍摄和后期影视特效制作提供实现可能。

轨迹数据的导入和导出是指当需要机器人运动的某一预设轨迹数据时，通过此功能按钮，实现将轨迹数据在缓冲区的保存，并以文本文件的形式保存到指定的磁盘目录下。轨迹重复则是指机器人按照预先设置的若干控制点按照轨迹规划的结果进行运动，重复执行次数任意。在重复运动时时，机器人的运动速度可以根据实际使用情况进行调整。

图1给出了方法所对应的系统的框图。

Claims

1.用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S4：基于三次样条曲线对控制点数据进行插值采样计算；

2.根据权利要求1所述的用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，机器人客户端在预先设置好的通讯周期内，不间断地发送当前位置的机器人各个轴的角度数据、机器人系统时间数据和延迟数据包的数量。

3.根据权利要求1所述的用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，PC服务器端还增加了数据异常处理程序模块，所述数据异常处理程序模块根据预先配置的XML数据中的标志节点按顺序提取完整的数据包：如果出现数据不完整的情况，在通讯周期允许的时间内再次接收机器人的数据包，拼接数据包；如果超出通讯周期允许的时间，则不完整数据暂时存放在缓冲区，等待下一个通讯周期，并重新对数据进行查找和提取。

4.根据权利要求1所述的用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：

S4.2：定义曲线方程组：

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其中，τ为曲线平滑因子；

S4.4：将式(2)带入式(1)进行求解，得到式(3)：

S4.5：简化式(3)中的方程组：

S4.6：构建矩阵表达式的各系数：

S4.7：整个曲线方程的矩阵表达式为：

S4.8：重复步骤S4.2到S4.7，计算完整的轨迹曲线；

5.根据权利要求4所述的用于摄像机器人的运动轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤S4.3中，τ的取值范围为0.2-0.5。