仿人机器人武术擂台赛中机器人的运动控制策略.doc

仿人机器人武术擂台赛中机器人的运动控制策略.doc 仿人机器人武术擂台赛中机器人的运动控制策略 摘要仿真机器人武术擂台赛的发展有力的推动了中国机器人竞赛事业的发展。本文介绍了南京邮电大学研究的微软仿真武术擂台赛中机器人的运动控制策略，并且通过中国机器人比赛证实了研究方向的正确性，剖析仿真机器人武术擂台赛新的比赛模式。本文通过研究武术擂台赛中仿真机器人的速度控制、轨迹方向控制、关节在对抗中的能动作用分析了微软仿真武术擂台赛中机器人新的控制策略。 【关键词】微软仿真 武术机器人 运动控制 1 仿人机器人的速度自动控制 在仿人机器人武术擂台赛中，如果我们的机器人能够在通往擂台中心和对抗过程中可以实现在任意方向上的速度自我调控，那么机器人在武术擂台赛中就一定会有更高的胜算。机器人的速度自我控制是在驶向擂台中心点以及对抗过程中方能得以实现的，通过机器人在不同位置对擂台中心坐标的分析，以及获取与对方机器人距离信息这两个方面进行个体智能化速度控制。因此可分两个模块具体设计: 1.1 擂台中心的坐标分析 分析擂台中心坐标的目的是为了在比赛过程中，机器人可以及时获取中心坐标信息，在没有对抗的情况下，无论机器人处于擂台何处位置，机器人都能根据中心坐标信息驶向擂台中心。武术擂台赛中，场地尺寸为2.48米*2.48米，平台传入机器人的坐标值在-1.24~+1.24间，单位为米， 擂台中心经下面语句转换后单位为厘米，取值0~248。 X=124+Env.robotPosition[0]*100;Y=124-Env.robotPosition[2]*100; 即机器人的坐标x，y分别在robotPosition数组的第一和第三个元素上，对方机器人坐标方式相同。机器人在擂台上的不同位置角度上获取不同的中心坐标信息。机器人的角度采用DEG角度而不是弧度，取值-180~+180，经如下语句转换:theta= Env.robotRotation[1]-90;If(theta<-180) theta+=360;即机器人角度在robotRotation数组的第二个元素上，对方机器人角度相同。 1.2 激光测距仪的图像识别 在擂台赛中，智能机器人的智能化体现在根据复杂的对抗环境改变自身相应的速度，这需要激光测距仪来分析对方机器人的参数信息。激光测距仪(scanner/range finder)属于外部传感器。和声纳相似，它是主动发射探测信号并接受反射信号从而通过间隔时间计算出目标距离的。所不同的是它的精度和速度有很大的提高。但在特殊情况下，个体智能机器人通过激光测距仪获取信息时，激光测距仪也存在一定误差激光测距仪的测量值分布。 在武术擂台赛中，在不对抗的情况或者已经将对方机器人推倒时，对方机器人可以看做障碍物，我方机器人通过激光测距仪可以探测到对方，并将其当做障碍物，须避开障碍物。但是激光测距仪发射的激光束是有间隙的，当机器人转过一个小角度θ时，这些原本击中障碍物的激光束可能就不一定再次击中原障碍物。平滑上的不足有可能会使近似信任度表 示有丢失正确状态的危险，因为临近的状态可能会有完全不同的后验似然分布。这些不同的位置如果不能匹配，就会进一步增加后验分布的不确定度。第二:激光测距仪的计算复杂度比较大。对每束激光光束计算都包含了光线追踪，而光线追踪算法比较耗时。所幸的是，一部分计算可以在得到图像后预先完成。这种离线初始化的方法使得算法在运行时比较快，只是增加了计算机内存的消耗。 在武术擂台赛中，激光测距仪用来获取对方机器人信息，该信息是由机器人前端的激光传感器获得，每120毫秒更新一次激光测距仪可以探测机器人正前方,40?~+40?的物体，每5?有一个激光发射源，共设置17个激光发射源，如图1。机器人通过激光测距仪获取对方机器人的distance，direction两大信息。distance:表示我方机器人与对方机器人的距离，direction:表示对方机器人与我方机器人行进方向正方向偏移角度，通过direction可以判断对方机器人是否在我方机器人前方，distance可以判断我方机器人接近对方机器人发生对抗时的水平方向距离和垂直方向距离，定义res.distanceP为水平方向距离，res.distanceV 为垂直方向距离，进而生成相应的对抗速度。 2 武术机器人在擂台环境中的轨迹方向控制 仿人机器人如果想在复杂多变的擂台对抗中占据优势，其轨迹控制和路径 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 显得尤为重要。 2.1 机器人起步轨迹路径规划 当机器人相互碰撞对抗的过程中，无碰撞路径可以用一系列中间点表示，相邻点之间用线段相连。这样的表示有几点好处:一是可以通过指定 足够多的点来达到任意的精度;二是可将原始问题分解为一组统一的规模较小的任务。在这些小任务中，问题仅仅变为主要关心一个点与对方机器人的关系;三是由于将路径规划问题局限为一系列路径点，从而实现大量的并行和分布计算。当机器人未探测到障碍物时，趋向目标行为被激活。以其起始点S为极点o，x轴为极轴，建立极坐标系如图2。 根据趋向目标行的分析，机器人可在复杂环境中规划出一条无碰撞的较优路径。机器人可以绕过对方率先占领擂台中心位置，这样可以在最短的时间内减少与对方机器人的碰撞，短时间内实现占据中心点，获得比赛的主动性。如图3所示。 2.2 机器人对抗中的运动方向性 对于武术擂台赛中的智能机器人运动靠同轴两独立驱动轮的约束。在对抗过程中，我们可以构造运动学模型以及控制规划机器人的位姿，可以用下述方法建立坐标系。 O-XYZ为机器人对抗擂台的固定参考坐标系;s-XsYsZs为机器人固连的坐标系。s是固连坐标系的原点，该点与固连坐标系的原点重合，Ys与驱动轮同心，指向左轮，X与Xs间的夹角θ表示机器人姿态，则其位姿即为(x，y，θ)，为简单起见把同轴两独立驱动轮机器人简，如图4。 假设机器人在擂台上运动时，只旋转不打滑，即轮与接触点间的速度为零。已知参数为: L:机器人两独立驱动轮之间的轮距; r:机器人车轮的轮半径; q;机器人右轮的速度; α:机器人的初始姿态，以逆时针为正-180︒?α?+180︒ 当机器人对抗时，控制角速度得以前进或后退，机器人角速度的约束方程:(ql-qr)•r=CA'=Lθ，所以可得:ql-qr=Lθ/r。其中 ql，qr为机器人左右轮速;r为转变半径;θ为机器人经过时间t转过的角速度。如图5所示。 当机器人对抗时，通过控制左右轮速度控制机器人的运动方向，可以是正面对抗，亦可以是躲避碰撞。然而，不论机器人对抗时左右轮速度如何变化，轮间距不变。在O-XYZ中坐标与轮距间的关系:。由图4、图5可知机器人的姿态角与两轮轴心坐标的关系为: 。所以可得。因此，在机器人武术擂台赛对抗时，可以通过控制左右轮速度控制机器人前进方向，退让避免碰撞的方向。 3 仿人机器人关节在对抗中的能动作用 武术擂台赛中的智能体机器人不像简单的轮式移动机器人，因为他据有的关节度较多。现在的武术擂台赛中，并没有发展机器人关节度在擂台对抗中的作用，因为如果随意改变机器人的关节度会导致机器人在行走以及对抗中失去平衡。 机器人关节目标角度，顺序为head yaw，head pitch，left shoulder pitch，left shoulder roll，left arm roll ，right shoulder pitch，right shoudler roll，right arm roll。由决策传给仿真环境，机器人的关节将立刻转到指定角度。然而下肢关节与底盘轮子相连，调节下肢关节将会强烈影响轮速，使机器人十分不稳，所以目前我们用到的只有: shoulder pitch――手臂与机器人身体平面的夹角，负表示手臂向前转，正表示手臂向后转;shoulder roll――手臂与机器人侧平面的夹角，正表示向手臂左转，负表示向手臂右转;arm roll――机器人小手臂与大手臂的夹角，正50度表示大小手臂夹角130，负50度表示大小手臂夹角230度。 在武术擂台赛对抗过程中，我们往往会忽略机器人手臂的作用，为了保持机器人行走对抗时的平衡性right shoulder pitch、left shoulder pitch、right shoulder roll、left shoulder roll、right arm roll、left arm roll的角度都为零。因为在对抗过程，武术机器人不仅仅要不断地和对方进行碰撞，同时还要保持自身的平衡，这无疑限制了武术机器人手臂关节的能动作用。但是正是要克服这一难题，发挥手臂关节的能动性，在保持机器人稳定运行的前提下，我们尝试了如图6的武术机器人模型，实践证明，武术机器人的手臂配合其速度的控制大大展示了机器人在对抗中的攻击性，如图6所示。 4武术指导思想 仿真武术机器人就应该具备武术的思想，只有把武术的思想融合在正规的比赛当中，仿真武术擂台赛才具有它真正的意义。仿真机器人的比赛应用中无不融合了武术的思想。“以进攻为防守，化防守为进攻，连消带打”的武术思想指导着我们的机器人在比赛中如何对抗，如何获胜。目前，国内的微软武术擂台赛中，机器人在比赛中展现出来的皆是简单的碰撞、推挤，有策略，体现出来的却像是僵硬的机器。本项项目研究仿真武术机器人，结合手臂动作，速度的自我调控，路径的择优获取，最终在比赛中 实现旋转式进攻，旋转式防守，大大提高了机器人的能动性以及比赛的可观赏性。 5 结束语 微软仿人机器人在武术擂台赛的环境中，通过分析场上环境，获取对方机器人的基本信息，实现机器人在擂台赛上不同位置的速度和方向变化，同时，在复杂的对抗过程中，发挥机器人关节上的能动作用。在机器人的全向行走趋近对抗这一过程，动态环境中仿人机器人的自我控制方式，实现机器人在复杂的对抗过程中拥有更好的自我平衡、自我调节能力，提高机器人在对抗中的灵活性，使得仿人机器人更加智能，最终实现仿人机器人武术擂台赛中机器人的运动控制策略。 参考文献 [1]阮晓钢等著.两轮自平衡机器人的研究与设计[M].北京:科学出版社,2012(2). [2]曹其新,张蕾编著.轮式自主移动机器人[M].上海:上海交通大学出版社,2012. [3]杨林权主编.机器人足球竞赛与设计技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2009(10). 作者单位 南京邮电大学自动化学院江苏省南京市210046