具有立体视觉的球形机器人及其运动控制方法研究

Spherical robots have wide applications in field operation,anti-terrorism, disaster rescue and social service. But the motion control of spherical robots has many drawbacks, such as low precision, large accumulated error,weak anti-interference capability and etc, which has become the key issue that hinders the development and application of spherical robots. One of the fundamental reasons is existing spherical robots usually lack exteroceptive sensors, such as laser range scanner, camera and etc, to sense their surroundings, making it hard to obtain precise motion parameters. This project will install a binocular stereo vision system on a spherical robot, and aim to study a new method for motion estimating and control of spherical robots with binocular stereo vision. The specific research contents and objectives of this project are: 1) Design a spherical robot that can equip a binocular stereo vision; 2) Propose a motion estimation method using binocular stereo vision for the designed robot; 3) Model the motion control with visual feedback of the designed robot. This project aims to enhance the capability of environment perception of spherical robots by using stereo vision, and implements the motion control strategy with external perception to improve the accuracy of the motion control of spherical robots. The results of this project will provide technical basis and theoretical support for the research of autonomous spherical robots, and of great significance to promote the development of spherical robots.

球形机器人在野外作业、反恐及灾难救援和社会服务等领域具有广阔的应用前景。但是目前球形机器人的运动控制存在控制精度不高、累计误差较大且抗干扰能力差等问题，已经成为阻碍其进一步应用和发展的关键问题，根本原因之一是，现有的球形机器人缺少外部测量传感器，其环境感知能力较弱，难以获得球形机器人准确的运动参数。本项目通过在球形机器人上搭建双目立体视觉，研究具有立体视觉的球形机器人运动参数估计和运动控制的新方法。具体研究内容和目标为：1）设计可搭载双目立体视觉的球形机器人机构；2）提出具有外部感知的球形机器人鲁棒运动参数估计方法；3）建立具有视觉反馈的球形机器人运动控制模型。本项目旨在利用立体视觉增强球形机器人的环境感知能力，实现具有外部感知的精确运动参数估计，从而提高球形机器人的运动控制精度。本项目的研究成果将为自主球形机器人的研究提供技术基础和理论支持，对推动球形机器人的发展具有重要意义。

球形机器人在野外作业、反恐及灾难救援和社会服务等领域具有广阔的应用前景。但是目前球形机器人的运动控制存在控制精度不高、累计误差较大且抗干扰能力差等问题，已经成为阻碍其进一步应用和发展的关键问题，根本原因之一是，现有的球形机器人缺少外部测量传感器，其环境感知能力较弱，难以获得球形机器人准确的运动参数。.本项目通过在球形机器人上搭建双目立体视觉，研究具有立体视觉的球形机器人运动参数估计和控制的新方法，其主要研究内容为：1）设计可搭载双目立体视觉的球形机器人机构；2）提出具有立体视觉的球形机器人运动参数估计方法；3）建立具有视觉反馈的球形机器人运动控制模型。.重要研究成果如下：完成了具有立体视觉的球形机器人机构设计、建立了球形机器人的动力学模型和运动控制模型；利用MATLAB Simulink和ADAMS搭建了球形机器人的联合仿真系统，研究了视觉反馈的延时对运动控制系统稳定性与控制精度的影响，明确了系统的各种设计约束；提出了基于立体视觉与惯性传感器的球形机器人运动参数估计方法；研制了具有立体视觉的球形机器人Visionbot样机，并开展了相关的实验研究。.研究结果表明：1、重摆质量的大小对内环控制性能具有显著地影响；随着重摆质量增大，内环控制性能显著得到改善；2、视觉反馈延时的大小对前进速度的影响较小，而对转弯速度的影响比较大当视觉反馈延时超过一定范围后，会导致外环路径跟踪控制失败，系统不稳定；3、利用立体视觉定位算法能够有效地解决由于滑动、参数不确定等引起的运动误差，能够实现球形机器人的鲁棒运动参数估计；4、从所研制的球形机器人样机Visionbot来看，由于球形机器人与路面的接触近似为单点接触，具有立体视觉反馈的球形机器人，其运动稳定性仍然较差。.本项目旨在利用立体视觉增强球形机器人的环境感知能力，实现具有外部感知的运动控制策略，从而提高球形机器人的运动控制精度。本项目的研究成果将为自主球形机器人的研究提供技术基础和理论支持，对推动球形机器人的发展具有重要意义。.通过本项目研究，培养了4名硕士研究生，发表了学术相关论文3篇，申请了专利4个。