一种冰壶擦冰机器人运动控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种冰壶擦冰机器人运动控制系统及其控制方法。所述底盘(1)设置四个驱动轮(9)，所述底盘(1)的尾端通过支架连接擦冰模块(14)，所述的底盘(1)上设置前置摄像头(2)、后置摄像头(3)、激光雷达(4)、惯性传感器(5)、电控单元(6)、无线通信模块(7)及电源模块(8)。本发明专利技术使用冰壶擦冰机器人代替运动员擦冰，还能避免运动员在关键局因心理压力大而产生的失误操作，且不同形态、不同擦冰策略的机器人在赛场上相互对抗，将大大增加冰壶比赛的竞技性、趣味性以及观赏性。

A motion control system and its control method of ice bottle robot

【技术实现步骤摘要】
一种冰壶擦冰机器人运动控制系统及其控制方法
本专利技术属于机器人
；具体涉及一种冰壶擦冰机器人运动控制系统及其控制方法。
技术介绍
冰壶是一种冰上团体性竞技体育项目，比赛充满了博弈与技巧，是冬奥会比赛项目，并设有世锦赛。每场比赛由2队进行投壶对抗。每次投壶由一名运动员进行冰壶投掷，并在投掷出手后由两名本方运动员在冰壶滑行轨迹前方进行快速左右擦冰，确保冰壶能准确到达目标位置。冰壶场地是一个长44.5米、宽4.32米的冰道。冰道的一端有一个半径为1.83米的圆作为球员的发球区，被称作本垒。冰道的另一端有4个半径分别为0.15米、0.61米、1.22米和1.83米的同心圆，是冰壶投掷的目标位置，被称为营垒。在本垒和营垒之间，两端各有一条蓝色的实线，分别被称为“前卫线”和“后卫线”。在投掷冰壶时，必须在冰壶到达“前卫线”前完成出手，且出手后未能超过“后卫线”就停止的冰壶为无效壶。冰道的表面并不光滑，上附着有许多呈露状、直径不到3mm的小冰粒。由于小冰粒的存在，冰壶在投掷出手后的滑行轨迹受运动员擦冰的影响。擦冰是指使用冰刷在冰壶滑行路径前方的冰面来回擦拭的过程，原理是通过摩擦生热使小冰粒融化，从而减小冰壶摩擦，使冰壶滑行距离更远，也能使冰壶的滑行方向发生改变，从而使冰壶更准确的落位到目标位置。在冰壶比赛中，擦冰分为决策和执行两个步骤：决策是指当冰壶投掷出手后，队长通过观察冰壶的滑行趋势并结合冰壶投掷的目标位置来决策如何擦冰，并发出“Hurry”、“Hard”、“Whoa”等指令指导队员擦冰；执行则是指运动员在收到指令后，根据经验使用不同的力度及擦拭频率来完成擦冰。在上述过程中，由于擦冰指令十分模糊，并不能具体指导运动员擦冰力度和擦拭频率，使得擦冰动作很难达到预期的效果。
技术实现思路
本专利技术提供一种冰壶擦冰机器人运动控制系统及其控制方法，用以解决上述问题，在决策阶段，机器人能通过采集冰壶的运动信息，预测冰壶的滑行轨迹，并通过对比预测轨迹和期望轨迹，产生准确的擦冰指令；在执行阶段，机器人的擦冰动作完全依赖控制指令，具有很好的一致性，能够准确完成擦冰动作。此外，使用冰壶擦冰机器人代替运动员擦冰，还能避免运动员在关键局因心理压力大而产生的失误操作，且不同形态、不同擦冰策略的机器人在赛场上相互对抗，将大大增加冰壶比赛的竞技性、趣味性以及观赏性；冰壶比赛也会因为机器人的加入增加更多的话题，有利于冰壶运动的推广。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种冰壶擦冰机器人运动控制系统，所述控制系统包括底盘1、前置摄像头2、后置摄像头3、激光雷达4、惯性传感器5、电控单元6、无线通信模块7、擦冰模块14、电源模块8及四个驱动轮9，所述底盘1设置四个驱动轮9，所述底盘1的尾端通过支架连接擦冰模块14，所述的底盘1上设置前置摄像头2、后置摄像头3、激光雷达4、惯性传感器5、电控单元6、无线通信模块7及电源模块8。进一步的，每个所述驱动轮9均与一个光电码盘10和一个驱动电机11相连接，所述驱动电机11通过光电码盘10与驱动轮9相连接；所述底盘1的尾端设置支架Ⅰ12和支架Ⅱ13，所述支架Ⅰ12和支架Ⅱ13呈十字设置，所述支架Ⅱ13的底端与擦冰模块14相连接；所述底盘1的首端设置前置摄像头2，所述前置摄像头2的左侧设置激光雷达4，所述前置摄像头2的右侧设置惯性传感器5，所述激光雷达4的后端设置电控单元6，所述电控单元6上设置无线通信模块7，所述底盘1的尾端设置后置摄像头3，所述后置摄像头3与前置摄像头2之间设置电源模块8。进一步的，所述前置摄像头2、后置摄像头3、激光雷达4、惯性传感器5、光电码盘10及无线通信模块7均将信号传输至电控单元6，所述电控单元6将控制信号传输至底盘1与擦冰模块14，所述电源模块8为前置摄像头2、后置摄像头3、激光雷达4、惯性传感器5、光电码盘10、无线通信模块7、电控单元6、底盘1与擦冰模块14供电。一种冰壶擦冰机器人运动控制系统的控制方法，包括如下步骤：步骤1：建立冰壶运动模型；步骤2：预测冰壶运动轨迹；步骤3：规划冰壶擦冰机器人运动的期望轨迹；步骤4：控制冰壶擦冰机器人跟踪期望轨迹。进一步的，所述步骤1具体为：对冰壶受力圆环上一点进行受力分析：vcx，i＝Vcx-ωcRcsin(φci)vcy，i＝Vcy+ωcRccos(φci)τci＝fcy，ixci-fcx，iycixci＝Rccos(φci)yci＝Rcsin(φci)式中，Vcx、Vcy为冰壶质心沿坐标系x、y方向的速度分量；ωc为冰壶自身的转速；Rc为冰壶与冰道接触圆环的半径；mc为冰壶质量；g为重力加速度；N为冰壶与冰道接触点数量；φci为第i个点在冰壶上的角位置；vcx，i、vcy，i为第i个点在x、y方向的速度分量；fcx，i、fcy，i为第i个点在x、y方向所受力；τci为第i个点所受力矩；μi为摩擦系数；xci、yci为第i个点的位置信息；结合以上受力分析，建立整个冰壶的运动模型：式中，Vcx(k)、Vcy(k)为当前时刻冰壶质心在x、y方向的速度分量；Vcx(k-1)、Vcy(k-1)为前一时刻冰壶质心在x、y方向的速度分量；Fcx(k)、Fcy(k)为当前时刻冰壶质心所受力在x、y方向的分量；ωc(k)为当前时刻冰壶旋转角速度；ωc(k-1)为前一时刻冰壶旋转角速度；Tc(k)为当前时刻冰壶所受力矩；Δt为系统采样时间间隔；rc为冰壶的半径，获得冰壶的位置信息：Xc(k)＝Xc(k-1)+Vcx(k)ΔtYc(k)＝Yc(k-1)+Vcy(k)Δt式中，Xc(k)、Yc(k)为冰壶当前时刻在坐标系中位置信息；Xc(k-1)、Yc(k-1)为冰壶前一时刻在坐标系中位置信息。进一步的，所述步骤2具体为：首先根据步骤1中的冰壶运动模型，建立冰壶运动模型的状态方程：xk＝Axk-1+Buk-1+ωk式中，xk＝[vcxvcyωcxcyc]T为状态量；为输入量；过程噪声ωk～N(0，Qk)，引入观测方程：zk＝Hxk+vk式中，zk为测量值；H＝I为单位矩阵；观测噪声vk～N(0，Rk)，结合以上方程，建立冰壶运动的卡尔曼滤波方程：式中，为第k-1步获得的先验状态估计；为根据第k步测量值zk得到的后验状态估计；Q、R为Qk、Rk取定值后的结果。获得冰壶的预测运动轨迹：Xc_pre＝[vcx_prevcy_preωc_prexc_preyc_pre]T式中，vcx_pre、vcy_pre为预测轨迹中冰壶质心在x、y方向的速度分量；ωc_pre为预测轨迹中冰壶自身的转速(规定逆时针方向为正)；xc_p本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冰壶擦冰机器人运动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括底盘(1)、前置摄像头(2)、后置摄像头(3)、激光雷达(4)、惯性传感器(5)、电控单元(6)、无线通信模块(7)、擦冰模块(14)、电源模块(8)及四个驱动轮(9)，所述底盘(1)设置四个驱动轮(9)，所述底盘(1)的尾端通过支架连接擦冰模块(14)，所述的底盘(1)上设置前置摄像头(2)、后置摄像头(3)、激光雷达(4)、惯性传感器(5)、电控单元(6)、无线通信模块(7)及电源模块(8)；/n每个所述驱动轮(9)均与一个光电码盘(10)和一个驱动电机(11)相连接，所述驱动电机(11)通过光电码盘(10)与驱动轮(9)相连接；/n所述底盘(1)的尾端设置支架Ⅰ(12)和支架Ⅱ(13)，所述支架Ⅰ(12)和支架Ⅱ(13)呈十字设置，所述支架Ⅱ(13)的底端与擦冰模块(14)相连接；/n所述底盘(1)的首端设置前置摄像头(2)，所述前置摄像头(2)的左侧设置激光雷达(4)，所述前置摄像头(2)的右侧设置惯性传感器(5)，所述激光雷达(4)的后端设置电控单元(6)，所述电控单元(6)上设置无线通信模块(7)，所述底盘(1)的尾端设置后置摄像头(3)，所述后置摄像头(3)与前置摄像头(2)之间设置电源模块(8)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种冰壶擦冰机器人运动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括底盘(1)、前置摄像头(2)、后置摄像头(3)、激光雷达(4)、惯性传感器(5)、电控单元(6)、无线通信模块(7)、擦冰模块(14)、电源模块(8)及四个驱动轮(9)，所述底盘(1)设置四个驱动轮(9)，所述底盘(1)的尾端通过支架连接擦冰模块(14)，所述的底盘(1)上设置前置摄像头(2)、后置摄像头(3)、激光雷达(4)、惯性传感器(5)、电控单元(6)、无线通信模块(7)及电源模块(8)；
每个所述驱动轮(9)均与一个光电码盘(10)和一个驱动电机(11)相连接，所述驱动电机(11)通过光电码盘(10)与驱动轮(9)相连接；
所述底盘(1)的尾端设置支架Ⅰ(12)和支架Ⅱ(13)，所述支架Ⅰ(12)和支架Ⅱ(13)呈十字设置，所述支架Ⅱ(13)的底端与擦冰模块(14)相连接；
所述底盘(1)的首端设置前置摄像头(2)，所述前置摄像头(2)的左侧设置激光雷达(4)，所述前置摄像头(2)的右侧设置惯性传感器(5)，所述激光雷达(4)的后端设置电控单元(6)，所述电控单元(6)上设置无线通信模块(7)，所述底盘(1)的尾端设置后置摄像头(3)，所述后置摄像头(3)与前置摄像头(2)之间设置电源模块(8)。


2.根据权利要求1所述一种冰壶擦冰机器人运动控制系统，其特征在于，所述前置摄像头(2)、后置摄像头(3)、激光雷达(4)、惯性传感器(5)、光电码盘(10)及无线通信模块(7)均将信号传输至电控单元(6)，所述电控单元(6)将控制信号传输至底盘(1)与擦冰模块(14)，
所述电源模块(8)为前置摄像头(2)、后置摄像头(3)、激光雷达(4)、惯性传感器(5)、光电码盘(10)、无线通信模块(7)、电控单元(6)、底盘(1)与擦冰模块(14)供电。


3.根据权利要求1所述一种冰壶擦冰机器人运动控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：建立冰壶运动模型；
步骤2：预测冰壶运动轨迹；
步骤3：规划冰壶擦冰机器人运动的期望轨迹；
步骤4：控制冰壶擦冰机器人跟踪期望轨迹。


4.根据权利要求3所述一种冰壶擦冰机器人运动控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：对冰壶受力圆环上一点进行受力分析：
vcx，i＝Vcx-ωcRcsin(φci)
vcy，i＝Vcy+ωcRccos(φci)






τci＝fcy，ixci-fcx，iyci
xci＝Rccos(φci)
yci＝Rcsin(φci)
式中，Vcx、Vcy为冰壶质心沿坐标系x、y方向的速度分量；ωc为冰壶自身的转；Rc为冰壶与冰道接触圆环的半径；mc为冰壶质量；g为重力加速度；N为冰壶与冰道接触点数量；φci为第i个点在冰壶上的角位置；vcx，i、vcy，i为第i个点在x、y方向的速度分量；fcx，i、fcy，i为第i个点在x、y方向所受力；τci为第i个点所受力矩；μi为摩擦系数；xci、yci为第i个点的位置信息；
结合以上受力分析，建立整个冰壶的运动模型：









式中，Vcx(k)、Vcy(k)为当前时刻冰壶质心在x、y方向的速度分量；Vcx(k-1)、Vcy(k-1)为前一时刻冰壶质心在x、y方向的速度分量；Fcx(k)、Fcy(k)为当前时刻冰壶质心所受力在x、y方向的分量；ωc(k)为当前时刻冰壶旋转角速度；ωc(k-1)为前一时刻冰壶旋转角速度；Tc(k)为当前时刻冰壶所受力矩；Δt为系统采样时间间隔；rc为冰壶的半径；
获得冰壶的位置信息：
Xc(k)＝Xc(k-1)+Vcx(k)Δt
Yc(k)＝Yc(k-1)+Vcy(k)Δt
式中，Xc(k)、Yc(k)为冰壶当前时刻在坐标系中位置信息；Xc(k-1)、Yc(k-1)为冰壶前一时刻在坐标系中位置信息。


5.根据权利要求3所述一种冰壶擦冰机器人运动控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：首先根据步骤1中的冰壶运动模型，建立冰壶运动模型的状态方程：
xk＝Axk-1+Buk-1+ωk
式中，xk＝[vcxvcyωcxcyc]T为状态量；



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【专利技术属性】
技术研发人员：赵林辉，吴贤强，陈超，金晶，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23