[发明专利]一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法

说明书

本发明涉及一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，用于以摄像头作为单一传感器的滚球系统，该滚球系统包括滚球、目标点、平板、摄像头和控制机构，控制机构采用多闭环串级控制方案对滚球的运动进行控制，多闭环串级控制方案以通过摄像头实时获取的数据信息作为反馈，对滚球的运动进行调整，多闭环串级控制方案包括，当滚球与目标点的距离大于预设的第一距离时，采用基于速度环和加速度环的双闭环串级控制，速度环以滚球在平板上的速度作为反馈信号，加速度环以滚球在平板上的加速度作为反馈信号。与现有技术相比，本发明滚球系统运动控制方法易于实施，控制效果好，能够使滚球快速、精确、稳定地到达平板上的目标点。

技术领域

本发明涉及滚球系统运动控制领域，尤其是涉及一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法。

背景技术

滚球控制系统是一个典型的多变量、非线性控制系统，它通过摄像头或其他传感器采集球的位置、速度等信息，使用特定的滚球运动控制算法来控制执行机构的运行，通过倾斜平板的方式，实现对滚球运动目标和运动速度的控制，从而实现滚球的定位控制以及轨迹跟踪。滚球控制系统是一个研究智能控制算法的典型实验平台，其研究内容涉及图像处理、智能控制、运动控制等，对滚球系统控制方法的研究具有深远的意义。

滚球系统运动控制方法研究始于上世纪八十年代末期，学者们将滚球系统作为验证控制算法的一种平台。滚球系统运动控制方法的研究可以分为两个阶段，第一阶段是在Simulink环境下建立数学模型，进行仿真；第二阶段则是研发滚球控制系统实验平台，在实验平台上验证控制算法。国内，清华大学模糊控制教研组提出了T-S多变量模糊控制方案，开发了基于视觉的滚球控制系统仿真平台；吉林大学的田彦涛教授及其研究生设计了基于扩展卡尔曼滤波的状态观测器，对滚球控制系统中摩擦力状态进行了在线实时估计。国外，美国伦斯勒理工学院通过使用电阻屏来检测滚球的位置，建立系统简化的线性系统模型，设计状态反馈控制器对系统进行控制，取得了一定的效果。

目前的滚球系统大多都依赖于电阻屏或加速度计提供除图像之外的额外反馈，从而建立在此基础上的运动控制算法能够取得一定的效果。但在只有视觉反馈机构的滚球系统中，由于驱动机构与传动机构滞后，以及摩擦不均匀、平板不满足绝对平整等干扰因素的影响，一般的运动控制算法不能够满足对滚球系统进行运动控制的要求。另外，目前的滚球控制系统大多只能够前往固定的预设目标点，或只有固定的一些运动模式，不具有灵活性与机动性，无法实时的按照人们的意愿跟踪动态的目标点。因此，有必要设计一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，将其应用在只有视觉反馈机构的滚球控制系统上，取得较好的运动控制效果。

公开号为CN109062115A的发明公开了一种基于双闭环控制的滚球控制方法，控制系统通过基于位置环和速度环的双闭环实现对滚球在方板上的定点和轨迹运动的控制；所述的位置环以摄像头检测滚球在方板上的位置信息作为反馈信号；速度环的反馈信号来自对所述位置信息的处理；控制系统的执行机构为2个控制方板姿态的电动推杆；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；方板由万向节和所述的2个电动推杆支撑；摄像头固定在方板的正上方；控制系统为基于MCU的控制系统；摄像头与MCU相连；电机受控于MCU。摄像头采用能直接输出目标位置坐标的openmv模块型摄像头。

该滚球控制方法全程通过基于位置环和速度环的双闭环对滚球运动进行控制，没有考虑到滚球的提速，并且该控制方法没有考虑到滚球运动过程中的一些意外情况，稳定性得不到保证。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种灵活性高、机动性高以及控制精度高、稳定性高的基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：