[发明专利]一种冰壶投掷机器人运动控制系统及其滚动时域优化方法

说明书

本发明公开了一种冰壶投掷机器人运动控制系统及其滚动时域优化方法，包括以下步骤：步骤一：建立冰壶投掷机器人的运动方程；步骤二：确定滚动时域优化控制的性能指标及约束条件；步骤三：根据冰壶投掷机器人的运动方程和滚动时域优化控制的性能指标及约束条件，设计MPC控制器并求解优化问题，得到应施加在冰壶投掷机器人左右车轮上的驱动力矩u＝[T₁T₂]^T；步骤四：针对步骤三中得到的应施加在冰壶投掷机器人左右车轮上的期望驱动力矩u＝[T₁T₂]^T，设计电机控制器，控制左右车轮的电机实现期望驱动力矩的输出。本发明适用范围广、精度高、理论成熟，填补了该领域的空缺，非常具有实用意义。

技术领域

本发明涉及一种冰壶投掷机器人运动控制系统及其滚动时域优化方法，属于机器人技术领域。

背景技术

冰壶是以队为单位在冰上进行的一种投掷性竞赛项目，同时也是冬奥会比赛项目，并设有冰壶世锦赛。冰壶比赛时，每场由两支球队进行对抗竞赛，每队由4名球员组成。比赛共进行10局。每名球员均有两个冰壶，有两次掷球机会。在一名队员掷冰壶时，由两名本方队员手持毛刷在冰壶滑行的前方快速左右擦刷冰面使冰壶能准确到达营垒中心。

球员在投掷冰壶时，身体下蹲，使身体跪式向前滑行，同时手持冰壶从本垒中心推球向前，至前卫线时，放开冰壶使其自行以直线或弧线轨道滑向营垒中心。掷球队员在力求将冰壶滑向营垒中心的同时，也可用冰壶将对方的冰壶撞出营垒或将场上本方的冰壶撞向营垒中心。当双方队员掷完所有冰壶后，以场地上冰壶距离营垒中心的远近决定胜负。

由冰壶规则可知，冰壶距离营垒中心越近则得分越高。掷球队员要完成这一任务，投掷冰壶时需要满足一定的出手速度和角度要求。运动员需要大量的训练才能达到上述要求。跟其他运动不同的是，冰壶运动的场地条件十分苛刻，专业冰壶也十分昂贵。因此专业运动员稀缺，高水平冰壶运动只有在冬奥会、冰壶世锦赛才能观赏到。如果使用机器人代替运动员投掷冰壶，通过合适的控制算法使冰壶的出手速度及角度满足要求，将降低对训练场馆及专业掷球运动员的需求。同时机器人对抗也增加了冰壶比赛的观赏性、降低了入门门槛，有利于冰壶运动的推广。

发明内容

本发明提出了一种冰壶投掷机器人运动控制系统及其滚动时域优化方法，基于滚动时域优化实现冰壶投掷机器人运动轨迹的自主规划和运动状态的自主控制，能够将冰壶从本垒中心运送至前卫线，并按照预定的出手速度和角度将冰壶掷出。

本发明通过以下技术方案实现：一种冰壶投掷机器人运动控制系统，包括小车底盘、惯性传感器、光电码盘、摄像头、电控单元、机械手、无线通信模块和电源模块，其中，

所述小车底盘包括小车支架、万向轮、驱动轮及驱动电机，用于承载并受所述电控单元带动所述惯性传感器、光电码盘、摄像头、电控单元、机械手、无线通信模块和电源模块运动；

所述惯性传感器用于获取小车的角速度、加速度信息，并传输至所述电控单元；

所述光电码盘用于获取小车的车轮角速度信息，并传输至所述电控单元；

所述摄像头用于获取冰壶场地边界信息及标志点像素坐标，并传输至所述电控单元；

所述电控单元内置有执行滚动时域优化控制方法的程序，用于融合所述惯性传感器、光电码盘、摄像头和无线通信模块传入的信息，自主规划小车轨迹并控制小车以准确的速度及角度到达前卫线并释放冰壶；

所述机械手用于受所述电控单元控制抓取和投掷冰壶；

所述无线通信模块用于和外部通信，接收冰壶出手速度和角度的期望值信息，并传输至电控单元；

所述电源模块用于给所述小车底盘、惯性传感器、光电码盘、摄像头、电控单元、机械手和无线通信模块供能。