一种用于乒乓球机器人的击球动作产生方法技术

本发明专利技术公开了一种用于乒乓球机器人的击球动作产生方法，其步骤包括：步骤1、通过滚动优化方法估计乒乓球飞行过程中的空气阻力系数和旋转角速度并将其作为飞行参数；步骤2、基于乒乓球的飞行参数预测击球点；步骤3、基于所述击球点，通过有约束优化的方法得到乒乓球机器人的击球动作。本发明专利技术能够实时估计环境的空气阻力系数和乒乓球的旋转角速度，用于预测乒乓球的击球点，从而提高机器人击球的精准度和成功率。成功率。成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于乒乓球机器人的击球动作产生方法


[0001]本专利技术公开了一种用于乒乓球机器人的击球动作产生方法，属于机器人


技术介绍

[0002]乒乓球作为我国的国球，在国民运动中占据着举足轻重的地位。除了人与人之间对打外，随着计算机、自动控制等学科的兴起，人与机器人对打也逐渐成为了现实，大大增强了乒乓球运动的趣味性。同时，人与机器人对打克服了高水平运动员的数量限制，能够在大众运动这一层面上实现业余选手与高手之间的竞技。因此，有关乒乓球机器人的研究迫在眉睫。
[0003]旋转是乒乓球这项运动的精髓，对旋转球的有效处理是实现人机对打的关键。为了能准确获得旋转球在空中飞行的参数，球旋转速度和空气阻力系数的实时估计是至关重要的一步。只有基于准确的飞行参数，才能准确地预测球的飞行轨迹，从而控制机器人末端准确地打到球。除此以外，球拍的姿态、速度精准控制也是确保回球能飞到期望落点的关键。在给定期望落点、期望过网高度区间后，动作产生方法据此输出球拍的姿态和速度。
[0004]现有方法虽能实现轨迹预测和球拍姿态、速度解算，但是仍然存在一定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于乒乓球机器人的击球动作产生方法，其特征是，所述方法包括：步骤1、基于滚动优化的思想估计乒乓球飞行过程中的空气阻力系数和旋转角速度，并作为飞行参数；步骤2、基于乒乓球的飞行参数预测击球点；步骤3、基于所述击球点，通过有约束优化的方法得到乒乓球机器人的击球动作。2.根据权利要求1中所述的击球动作产生方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1，根据空气动力学和牛顿第二定律，利用式(1)得到乒乓球的飞行轨迹模型：式(1)中，V(k)＝[v
x
(k),v
y
(k),v
z
(k)]为第k个采样时刻乒乓球的线速度，v
x
(k),v
y
(k),v
z
(k)分别表示线速度V(k)在x轴、y轴和z轴上的分量，v
x
(k+1),v
y
(k+1),v
z
(k+1)分别表示第k+1个采样时刻乒乓球的线速度V(k+1)在x轴、y轴和z轴上的分量，x(k),y(k),z(k)分别表示第k个采样时刻乒乓球的位置矢量在x轴、y轴和z轴上的分量，x(k+1),y(k+1),z(k+1)分别表示第k+1个采样时刻乒乓球的位置矢量在x轴、y轴和z轴上的分量，ω
x
,ω
y
,ω
z
分别表示旋转角速度ω在x轴、y轴和z轴上的分量；T
s
为采样间隔；g表示重力加速度，C
d
表示空气阻力系数，C
m
表示马格努斯力系数；k
d
表示C
d
与球性质参数相乘的空气阻力中间系数，k
m
表示C
m
与球性质参数相乘的马格努斯力中间系数，并有：努斯力中间系数，并有：式(2)和式(3)中，m
b
表示乒乓球的质量，C
d
表示空气阻力系数，C
m
表示马格努斯力系数，ρ表示空气密度，A表示乒乓球的横截面积，r表示乒乓球的半径；步骤1.2，对乒乓球轨迹进行采样：a、按照采样间隔T
s
，利用双目相机获取乒乓球在飞行过程中第k个采样时刻的位置矢量P(k)，且P(k)＝[x(k),y(k),z(k)]；b、判断y(k)∈[Δ1,+∞]是否成立，若成立，记录P(k)到缓冲区中，并将k+1赋值给k，返回步骤a，否则，对缓冲区中前k
‑
1个采样时刻的位置坐标P(1),P(2),P(3)
…
P(k
‑
1)进行切比雪夫多项式拟合，得到当前采样时刻下拟合后的乒乓球位置坐标P
f
(1),P
f
(2),P
f
(3)
…
P
f
(k
‑
1)，其中，P
f
(1)＝[x
f
(1),y
f
(1),z
f
(1)]，P
f
(2)＝[x
f
(2),y
f
(2),z
f
(2)]，P
f
(k
‑
1)＝[x
f
(k
‑
1),y
f
(k
‑
1),z
f
(k
‑
1)]表示拟合过的第1，第2，第k
‑
1个采样时刻乒乓球的位置矢量，x
f
(1),y
f
(1),z
f
(1)表示拟合过的第1个采样时刻乒乓球的位置矢量在x轴、y轴、z轴上的分量，x
f
(2),y
f
(2),z
f
(2)表示拟合过的第2个采样时刻乒乓球的位置矢量在x轴、y轴、z轴上的分量，x
f
(k
‑
1),y
f
(k
‑
1),z
f
(k
‑
1)表示拟合过的第k
‑
1个采样时刻乒乓球的位置矢量在x轴、y轴、z
轴上的分量，Δ1表示y轴方向上拟合开始阈值；步骤1.3，对乒乓球的飞行参数u＝[k
d
,ω
x
,ω
y
,ω
z
]进行在线估计：a、初始化估计次数的计数器m＝1和预测步长N
p
；定义变量i；b、根据空气的物理性质，令C
d
∈[0,1]，令ω
x
,ω
y
,ω
z
∈[ω
min
,ω
max
]，其中，ω
min
,ω
max
分别表示预设的角速度分量下限和上限，并利用式(4)和式(5)求解飞行参数u的初值分别表示预设的角速度分量下限和上限，并利用式(4)和式(5)求解飞行参数u的初值分别表示预设的角速度分量下限和上限，并利用式(4)和式(5)求解飞行参数u的初值式(4)和式(5)中，为一与V(m)有关的中间变量，表示系数k
d
的第m
‑
1次估计值，V(m)＝[v
x
(m),v
y
(m),v
z
(m)]表示第m个采样时刻乒乓球的线速度；且令表示ω
x
的第m
‑
1次估计值，表示ω
y
的第m
‑
1次估计值，表示ω
z
的第m
‑
1次估计值，且1次估计值，且1次估计值，且x
f
(m+2),x
f
(m+1),x
f
(m)分别表示拟合后的第m+2,第m+1,第m个采样时刻乒乓球的位置矢量在x轴上的分量，y
f
(m+2),y
f
(m+1),y
f
(m)分别表示拟合后的第m+2,第m+1,第m个采样时刻乒乓球的位置矢量在y轴上的分量，z
f
(m+2),z
f
(m+1),z
f
(m)分别表示拟合后的第m+2,第m+1,第m个采样时刻乒乓球的位置矢量在z轴上的分量；v
x
(m)，v
x
(m+1)表示第m,第m+1个采样时刻球的速度矢量在x轴上的分量；v
y
(m),v
y
(m+1)表示第m,第m+1个采样时刻球的速度矢量在y轴上的分量；v
z
(m),v
z
(m+1)表示第m,第m+1个采样时刻乒乓球的速度矢量在z轴上的分量；c、判断m+N
p
是否等于缓冲区的元素个数，若成立，执行步骤h；若不成立，则将m赋值给i，令第i个预测时刻乒乓球的状态值为x
p
(i)＝[x
p
(i),y
p
(i),z
p
(i),v
xp
(i),v
yp
(i),v
zp
(i)]，其中，x
p
(i)、y
p
(i)、z
p
(i)分别表示乒乓球在第i个预测时刻的位置矢量在x轴、y轴、z轴的分量；v
xp
(i),v
yp
(i),v
zp
(i)分别表示乒乓球在第i个预测时刻速度矢量在x轴、y轴、z轴的分量；将x
f
(i)赋值给x
p
(i)，将y
f
(i)赋值给y
p
(i)，将z
f
(i)赋值给z
p
(i)，将赋值给v
xp
(i)，将赋值给v
yp
(i)，将赋值给v
zp
(i)；
d、判断i是否小于等于m+N
p
，若成立，利用式(6)得到第i+1个预测时刻乒乓球的状态值，若不成立，进入步骤f；式(6)中，x
p
(i+1)、y
p
(i+1)、z
p
(i+1)分别表示乒乓球在第i+1个预测时刻的位置矢量在x轴、y轴、z轴的分量；v
xp
(i+1),v
yp
(i+1),v
zp
(i+1)分别表示乒乓球在第i+1个预测时刻速度矢量在x轴、y轴、z轴的分量；V
p
(i)＝[v
xp
(i),v
yp
(i),v
zp
(i)]表示第i个预测时刻乒乓球的线速度矢量；e、将i+1赋值给i后，返回步骤d；f、利用Nelder Mead Simplex算法求解式(7)所示的优化问题，并得到第m次飞行参数u的估计结果的估计结果式(7)中，表示加权阵为Q的二次型；表示系数k
d
的第m次估计值，表示ω
x
的第m次估计值，表示ω
y
的第m次估计值，表示ω
z
的第m次估计值；P
p
(m)＝[x
p
(m+1)y
p
(m+1)z
p
(m+1),x
p
(m+2),y
p
(m+2),z
p
(m+2)
…
x
p
(m+N
p
),y
p
(m+N
p
),z
p
(m+N
p
)]表示步骤d中N
p
个预测时刻的球位置矢量，x
p
(m+2),y
p
(m+2),z
p
(m+2)表示乒乓球...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋博，张海波，王昱欣，张文，孙智涌，张强，贺琪欲，
申请(专利权)人：上海创屹科技有限公司，
类型：发明
国别省市：