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乒乓球机器人的回球策略及智能控制方法研究
其他题名Study on the Striking Strategy and Intelligent Control for the Table Tennis Robot
苏虎
学位类型工学博士
导师徐德
2013-05-22
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词轨迹预测 回球速度 击球点选择 球拍运动控制 智能控制 打乒乓球机器人 Trajectory Prediction Outgoing Velocity Striking Position Selection Racket Motion Control Intelligent Control Table Tennis Robot
摘要机器人打乒乓球是机器人作业的一种较高形式,也是机器人领域的前沿课题和难题。目前国内外已有多家单位开展相关研究,研制的 原型样机基本实现了非旋转球的简单推挡动作。打乒乓球机器人系统是一个完整的系统,其涉及到高速运动物体的视觉定位、轨迹预测、运动规划和智能控制等众多问题。通过对机器人打乒乓球的研究,可以对系统的感知和控制问题进行深入探索,其研究成果也可以为具有相似理论和应用背景的领域提供参考依据。 本文以五自由打乒乓球机器人为背景,围绕机器人击球过程中的智能控制和回球策略展开研究,主要涉及乒乓球旋转速度测量、轨迹预测、球拍控制和击打策略等方面的问题。论文的主要工作包括如下几个方面: 第一,提出了旋转球的轨迹预测算法。在轨迹预测前,设计了模糊滤波器对测量的乒乓球坐标进行修正。根据乒乓球的受力分析,得到了乒乓球飞行轨迹的迭代模型,并基于此模型,提出了测量乒乓球旋转速度的算法。推导了乒乓球与桌面的解析反弹模型,分析了乒乓球反弹前后各速度分量之间的关系。在此基础上,利用经验数据计算乒乓球反弹后的飞行速度和旋转速度,实现了旋转乒乓球的轨迹预测。 第二,提出了一种基于自调节模糊算法的回球速度求解模型,将物理模型与经验数据相结合计算回球速度。根据乒乓球的简化物理模型,分析了定速回球和最优角度回球两种情况下的回球速度约束,并利用LM算法数值求解回球速度。分析了出球速度对落点误差的影响,提出了基于误差的模糊调节算法。 第三,分析了人类打球过程中影响击球点选择的相关因素,提出了利用多目标模糊决策确定击球点的方法。首先根据机器人的最优工作区间和来球速度进行区域搜索,确定了包含击球点的搜索区域。然后,根据球拍回球参数,定义能量函数,以此能量函数为指标函数决策得到优化的击球点。 第四,针对LWR算法在经验数据不足时容易产生较大误差的特点,提出了基于置信度分配的球拍参数计算方法。设计了模糊推理系统,根据经验数据的数目和经验数据与查询数据之间的距离,确定LWR算法的置信度,避免了经验数据不足时计算球拍参数产生的大误差。 第五,针对机器人球拍轨迹规划问题,定义了优化函数,对球拍的运动进行分析与建模,得到了球拍运动的优化模型。分别研究了固定返回时间和优化返回时间两种情况下的球拍运动模型,利用欧拉方程求解,得到了两种情况下的球拍优化轨迹。 最后,对本文的研究成果进行总结,并指出进一步需要开展的工作。
其他摘要Playing table tennis using a robot is one of the advanced performances by robots, which has become an active and challenging research topic in the field of robotics. At present, several foreign and domestic research communities have carried out the related researches. Most of the developed prototypes can strike the ball without spin. The robotic system is a whole one, which refers to the recognition of fast moving objects, trajectory prediction, motion planning, intelligent control and so on. The studies of the robot contribute to our further investigation of perceptional and control problems. Moreover, the research results could provide reference points for other fields with similar theoretical and application backgrounds. Aiming at a 5 degree-of-freedoms table tennis robot, the intelligent control and the strategies involved in the striking process are explored in this thesis. Some relevant topics such as rotational velocity estimation of the table tennis ball, trajectory prediction,racket motion control and striking strategies are discussed. The main contributions of this thesis include following issues: Firstly, a trajectory prediction method for the spinning ball is proposed. A fuzzy filter is designed for noise reduction before prediction. Based on the analysis of forces acting on the flying ball, a flying model is developed, based on which, the ball's rotational velocity is estimated. With the concept of restitution coefficient, an analytic rebound model is deduced, which is used for analyzing the relationship between different components of the flying and rotational velocities before and after rebound. On the basis of the relationship, the velocity of the ball after rebound is calculated using experience data, and then the trajectory of the spinning ball can be predicted. Secondly, based on the self-tuning fuzzy algorithm, a model of computing the desired outgoing velocity of the ball is developed, which combines the physical model with experience data. According to the simplified physical model of the ball, the outgoing velocity could be numerically solved under the two separate conditions of the determined landing velocity and the optimal flying angle. The influence of the desired velocity on the error between the actual landing point and the desired point is analyzed, and accordingly the velocity is tuned using the fuzzy algorithm after the landing point is predicted. Thirdly, the factors that affect striking point selection are il...
馆藏号XWLW1857
其他标识符201018014628012
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6507
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
苏虎. 乒乓球机器人的回球策略及智能控制方法研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2013.
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