一种具有立体视觉的球形机器人及其运动控制方法技术领域
本发明涉及一种机器人设计方法，具体涉及一种具有立体视觉的球形机器人及其运动控制方法，属于智能产品技术领域。
背景技术
球形机器人是指一类将运动机构、传感器、控制器等内置于一个球壳内部、利用球壳作为滚动行走装置的移动机器人，与轮式、履带式等移动机器人相比，球形机器人的特点在于：运动灵活，能够穿过孔径略大于其直径的曲折通道；具有类似不倒翁的特性，行走过程中与障碍物或其他的运动机构发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态；当发生从高处跌落等危险情况时，仍然可以继续工作，不存在翻仰问题，因此，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；至今，研究人员对球形机器人的机构设计、运动学/动力学建模、运动控制等方面己经开展了大量的研究工作；但是，受限于全封闭球壳和特殊的滚动行走方式，现有球形机器人往往缺少外部测量传感器(如激光传感器、视觉相机等)，其环境感知能力较弱，难以准确地获得球形机器人的位置、速度等运动参数，因而运动控制方法主要采用远程遥控或开环控制，存在控制精度不高、累计误差较大且抗干扰能力较差等问题。
发明内容
（一）要解决的技术问题
为解决上述问题，本发明提出了一种具有立体视觉的球形机器人及其运动控制方法，采用延时环节对视觉反馈通道的时延进行建模，建立具有视觉反馈的球形机器人运动控制模型，通过运动仿真试验，研究机器人重摆质量、视觉反馈延时对其运动控制性能的影响，并验证系统设计的可行性。
（二）技术方案
本发明的具有立体视觉的球形机器人及其运动控制方法，包括以下步骤：
第一步：提出了一种可搭载立体视觉的球形机器人机构，所搭载的立体视觉在球形机器人行走过程中不随球壳转动，且没有球壳的遮挡，能够稳定地获取清晰的环境图像，极大地增强了球形机器人的环境感知能力；
第二步：利用模型解祸、线性化以及状态反馈等方法，建立具有视觉反馈的运动控制模型，并进行运动仿真，运动仿真结果表明：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；视觉反馈延时的大小对第一角速度的影响较小，而第二对角速度的影响比较大；当视觉反馈延时超过一定范围后，第二角速度的响应曲线发散，会导致外环路径跟踪控制失败，系统不稳定；
第三步：通过分析重摆质量和视觉反馈延时对机器人运动控制性能的影响，明确了机器人两个重要设计参数，即重摆质量约为15kg和视觉反馈延时要小于50ms；研究结果为机器人的优化设计和样机研制提供了理论基础；
第四步：提出的具有视觉反馈的球形机器人运动控制策略，以具有视觉感知的精确运动参数估计为前提，能够更有效地实现球形机器人的路径跟踪等运动控制，为自主球形机器人的研究提供了新的思路。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明的具有立体视觉的球形机器人及其运动控制方法，采用延时环节对视觉反馈通道的时延进行建模，建立具有视觉反馈的球形机器人运动控制模型，通过运动仿真试验，研究机器人重摆质量、视觉反馈延时对其运动控制性能的影响，并验证系统设计的可行性。
具体实施方式
一种具有立体视觉的球形机器人及其运动控制方法，包括以下步骤：
第一步：提出了一种可搭载立体视觉的球形机器人机构，所搭载的立体视觉在球形机器人行走过程中不随球壳转动，且没有球壳的遮挡，能够稳定地获取清晰的环境图像，极大地增强了球形机器人的环境感知能力；
第二步：利用模型解祸、线性化以及状态反馈等方法，建立具有视觉反馈的运动控制模型，并进行运动仿真，运动仿真结果表明：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；视觉反馈延时的大小对第一角速度的影响较小，而第二对角速度的影响比较大；当视觉反馈延时超过一定范围后，第二角速度的响应曲线发散，会导致外环路径跟踪控制失败，系统不稳定；
第三步：通过分析重摆质量和视觉反馈延时对机器人运动控制性能的影响，明确了机器人两个重要设计参数，即重摆质量约为15kg和视觉反馈延时要小于50ms；研究结果为机器人的优化设计和样机研制提供了理论基础；
第四步：提出的具有视觉反馈的球形机器人运动控制策略，以具有视觉感知的精确运动参数估计为前提，能够更有效地实现球形机器人的路径跟踪等运动控制，为自主球形机器人的研究提供了新的思路。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。