一种考虑未知控制方向的地面机器人控制系统及控制方法与流程

本发明涉及控制技术领域，具体涉及一种地面移动机器人的控制系统及控制方法。

背景技术

现如今，地面移动机器人越来越智能且多样化，移动机器人可以执行很多复杂的任务。使用者通常会在机器人执行任务时控制机器人的移动。然而目前市面上的地面移动机器人，一般未考虑机器人的控制方向，这可能会导致机器人控制南辕北辙。例如：现有的机器人控制技术包括传统pid控制、模糊pid控制、滑模变结构控制和神经网络控制等。这些技术虽然能基本达到控制效果，但由于未考虑到控制输入的方向，往往达不到良好的控制性能。

在实际控制中，采样时间、控制输入与执行器的数学关系和控制电压的正负均会影响到控制输入的方向或增益。若不考虑这些未知控制系数，则会导致控制性能不高。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种考虑未知控制方向的地面机器人控制系统，能够解决地面机器人的控制方向未知(即控制输入正负极的方向和/或控制输入增益的大小不确定)的问题，能使地面机器人的运动达到良好、准确的控制性能。

本发明的另一目的在于提供一种相应的控制方法。

技术方案：为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种地面机器人控制系统，包括地面控制站、地面机器人和定位追踪设备，定位追踪设备捕捉地面机器人的三维位置，并将定位信息发送至地面控制站；地面控制站将定位信息变换为地面机器人位置和姿态，并根据用户设置的地面机器人的行动轨迹和地面机器人的位置和姿态，计算出地面机器人下一步的控制目标，传送给地面机器人；地面机器人根据地面控制站发送的数据计算下一刻运动速度和角速度，并变换为pwm波输出，驱动机器人移动到目标点。

为了提高人机交互性能，该控制系统还可以包括用户设备，例如手机或平板电脑等智能移动终端，所述用户设备无线连接至地面控制站，用于供用户设定地面机器人行动轨迹，并将行动轨迹发送至地面控制站。

根据上述地面机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤：

定位追踪设备捕捉地面机器人的三维位置，将定位信息发送至地面控制站；

地面控制站将定位信息变换为地面机器人位置和姿态；

地面控制站根据用户设置的地面机器人的行动轨迹，以及地面机器人的位置和姿态，计算出地面机器人下一步的控制目标；

地面控制站将下一步控制目标和当前位置、姿态传给地面机器人；

地面机器人根据地面控制站发送的数据，运行考虑未知控制方向的控制算法，计算出下一刻运动速度和角速度，变换为pwm波输出，驱动机器人移动到目标点。

其中，所述考虑未知控制方向的控制算法形式如下：

x为地面机器人当前时刻位置，b为未知控制系数，u(t)为控制输入，计算公式如下：

u(t)＝n0(k)(x-x0)

n0(k)＝k²sin(k)

其中，x0为地面机器人要到达的目标点，k为中间量，γ为正数，n0为一类nussbaum函数，满足如下条件：

sup(*),inf(*)分别表示上限和下限。

作为优选，地面控制站将下一步控制目标和当前位置、姿态传给地面机器人时，还将校验信息传送给地面机器人，所述校验信息包括跟踪标志位和通讯标志位，地面机器人接收到地面控制站发送的数据后，先根据两个标志位进行数据校验，两个标志位都为1，则校验成功，再将校验后的控制目标和位置信息作为控制算法的输入。

进一步地，地面机器人计算出下一刻运动速度和角速度后，将速度和角速度信息变换为左右两轮速度，再将左右两轮速度变换为编码器pwm波输出，传入执行器，驱动机器人移动到目标点。

有益效果：本发明提出一种考虑未知控制方向的地面机器人控制系统及控制方法，地面机器人通过外部传入的控制目标和当前位置，利用考虑位置控制方向的控制算法计算出下一刻的速度和角速度，并转换为pwm波输出，实现对机器人的控制。该系统使用nussbaum-type函数有效地解决未知控制方向的问题，提高对机器人的控制性能。

附图说明

图1为根据本发明实施例的地面机器人的控制系统结构图；

图2为根据本发明实施例的地面机器人的硬件结构示意图；

图3为根据本发明实施例的控制方法整体流程图；

图4为根据本发明实施例的的使用控制系统进行控制的具体操作步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图1，一种地面机器人控制系统，包括地面控制站、地面机器人和定位追踪设备，定位追踪设备捕捉地面机器人的三维位置，并将定位信息发送至地面控制站；地面控制站将定位信息变换为地面机器人位置和姿态，并根据用户设置的地面机器人的行动轨迹和地面机器人的位置和姿态，计算出地面机器人下一步的控制目标，传送给地面机器人；地面机器人根据地面控制站发送的数据计算下一刻运动速度和角速度，并变换为pwm波输出，驱动机器人移动到目标点。

为了提高人机交互性能，该控制系统还可以包括用户设备，例如手机或平板电脑等智能移动终端，用户设备无线连接至地面控制站，用于供用户设定地面机器人行动轨迹，并将行动轨迹发送至地面控制站。

在一个实施例中，定位追踪设备基于图像来计算位置信息，图像捕捉功能由摄像头完成，而计算功能集成到地面控制站中完成。实施例中使用12个摄像头，分为三列，每列平均放置四个摄像头，放置于地面机器人移动范围上方。

地面机器人为两轮地面机器人，可以旋转、任意方向前进。参照图2，它包含嵌入式控制器、无线通信系统、执行系统、存储系统、电源系统等硬件结构。其中，嵌入式控制器是核心，用于控制机器人的运动；无线通信系统负责机器人与控制站进行通信，执行系统负责执行控制器的指令，使机器人运动至指定位置；存储系统负责储存数据，电源系统负责给机器人供电。

参照图3，根据上述地面机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤100、摄像头得到图像，将图像传送至地面控制站，地面控制站对图像进行处理，得到地面机器人的三维位置和姿态。

步骤102、地面控制站根据用户设置的地面机器人的行动轨迹，以及地面机器人的位置和姿态，计算出地面机器人下一步的控制目标。

行动轨迹离散后的一组点将作为机器人的控制目标。程序通过将控制目标和机器人当前的位置坐标点连接成直线段，并将该线段与原点的夹角和机器人的角度作对比，得到机器人到达该控制目标所需要转动的角度和前进的距离，作为下一步控制目标。

步骤104、地面控制站将下一步控制目标和当前位置、姿态传给地面机器人，并校验信息传送给地面机器人。

校验信息包括跟踪标志位和通讯标志位，跟踪标志位是为了观察摄像头是否检测到地面机器人，通讯标志位是为了检测地面机器人和地面控制站的通讯是否正常。这两个标志位在地面控制站和地面机器人都有设置，因为二者都需要知道摄像头是否跟踪到机器人以及它们之间的通讯状态。

步骤106、地面机器人接收地面控制站传入的数据，根据是否跟踪到地面机器人和通讯是否正常两个标志位做数据校验，保证数据的准确性。

若两个标志位都取1，分别表示跟踪到机器人以及已经建立通讯，取0分别表示没有跟踪到机器人以及没有建立通讯。如果有一个标志位为0，则舍弃收到的数据，等待下次传入。

地面机器人得到校验后目标点x0和机器人当前位置x。

步骤108、根据目标点x0和当前位置x，地面机器人的控制器运行考虑未知控制方向的控制算法，计算出下一刻运动速度和角速度。

地面移动机器人从计算机控制角度上来说为离散系统，若只考虑控制机器人位置，则系统动力学模型如下：

x为地面机器人当前时刻位置，b为未知控制系数。控制输入与每一时刻的机器人速度成线性关系，与采样时间、执行器的性能等有关，因而存在未知控制系数b，b≠0。

u(t)为控制输入，其计算方式如下：

u(t)＝n0(k)(x-x0)

n0(k)＝k²sin(k)

其中，x0为地面机器人要到达的目标点，γ为正数，k为中间量，n0为一类nussbaum函数，其需要满足如下条件：

sup(*),inf(*)分别表示上限和下限。该类函数可以有效地解决未知控制方向的问题。取则则c为常量。根据nussbaum的性质可以知道有界，因此最终机器人可到达目标点附近。

求并对其积分，再求n0(k)＝k²sin(k)，即可得到控制输入u(t)＝n0(k)(x-x0)。

两轮地面机器人可以旋转，因此有角度，可以在二维空间移动，因此有速度。对应的是两个执行机构，一个可以变角度的舵机，一个是可以变速度的电机。这里得到的是机器人下一步的速度和角速度。

步骤110、地面机器人将计算出的速度和角速度信息变换为左右两轮速度，再将左右两轮速度变换为编码器pwm波输出，驱动机器人移动到目标点。

速度和角速度通过机器人的基本运动公式变换成左右速度：

其中，vr为右轮速度，vl为左轮速度，vc为计算出的机器人下一步速度，ωc为计算出的角速度。

获取两轮速度后，通过编码器输出pwm波。编码器输出的pwm波，就直接作用于电机上，驱动机器人行动。

参照图4，该控制系统的使用过程包括三个阶段。首先进行标定，进行摄像头标定的作用是校准摄像头精度，从而建立空间三维坐标系，进行刚体标定的作用是将机器人化作坐标系中的一个点，从而可以准确捕获机器人的位置和姿态信息。然后用户设置机器人的行动轨迹，最后是程序的下载与运行。以下详述具体过程。

步骤200、建立空间坐标系。打开地面控制站和摄像头系统电源，打开地面控制站上的标定软件，移除摄像头视野内的所有杂点，移除所有智能体，使用定位杆进行空间精度的整定。各个摄像头的精度都达到1000mm之后，建立空间坐标系。

步骤202、标定原点。将标定尺放在需要标定的原点，并将长边对准地面控制站，在标定软件中标定原点的位置。完成后保存和导出坐标系标定文件。

步骤204、在刚刚标定完成的坐标系中进行地面机器人刚体的标定。

步骤206、标定过程中，摄像头将会自动识别机器人中的定位系统传送出的信号，标记为点，选中这些点，进行刚体选择和设置。随后，选择所有点中的最高点设置为导航点，并对该点进行降高度处理。所有刚体标定完成后，导出标定文件。

步骤208、地面站控制端：在地面控制站的matlab软件中打开server工程文件，载入刚刚标定好的坐标系标定文件和刚体标定文件，设置好地面控制站的ip地址，设置好行动轨迹。或者使用用户设备设定地面机器人行动轨迹，将行动轨迹发送至地面控制站。

步骤210、地面机器人端：在地面控制站的matlab软件中打开client工程文件，启动机器人电源，设置好地面机器人的ip地址，将地面控制站与地面机器人进行链接。

步骤212、在client工程文件中，打开机器人控制模块，将考虑未知控制方向的控制算法程序以matlab程序的形式下载到机器人中。

步骤214、依次启动并运行server、client，此时server与机器人上的无线通信系统将会通过wifi进行连接。

步骤216、摄像头实时捕捉地面机器人的定位信息，传送给地面控制站。

步骤218、地面控制站将收到的信息变换为坐标和姿态信息，并结合预先设置好的行动轨迹进行处理和计算，得到实时控制目标。

步骤220、地面控制站通过wi-fi协议将该实时控制目标传送给地面机器人。

步骤222、地面机器人接收该控制目标，进行数据校验。

步骤224、地面机器人将校验后的控制目标和位置信息作为控制算法的输入，输出机器人下一时刻的位置信息，进而求得地面机器人的速度和角速度。

步骤226、地面机器人将速度和角速度信息变换为左右两轮速度，再将左右两轮速度变换为pwm波输出，传入机器人的执行器。

步骤228、地面机器人将以给定的左轮速度和右轮速度进行运动。

用户可以在地面控制站或用户设备上观察地面机器人的移动轨迹和控制效果。