[发明专利]一种陪跑机器人及其跟踪控制策略与运动控制方法

摘要

一种陪跑机器人及其跟踪控制策略与运动控制方法，机器人包括运动执行器、Kinect传感器、数据中转站、上位机系统、电源模块、转串口模块和嵌入式运动控制器；Kinect传感器通过数据中转站与上位机系统连接；数据中转站通过转串口模块、嵌入式运动控制器与运动执行器连接；电源模块向Kinect传感器、运动嵌入式控制器和运动执行器供电；其中运动执行器包含底盘、三组全向轮和电机，三组全向轮固定在底盘上，全向轮组与组之间的距离相等，电机与嵌入式运动控制器连接，电机驱动全向轮。本发明的陪跑机器人在底盘上设置三轮全向轮结构，使得该陪跑机器人具有高灵活性，可快速往任意方向移动，如能够纵向行驶、水平移动和自旋。

主权项

一种陪跑机器人的跟踪控制策略与运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.Kinect传感器采集用户的骨骼信息，并将骨骼信息输送至上位机系统，其中骨骼信息包括多帧骨骼帧，骨骼帧上包含多个骨骼点；S2.上位机系统对采集的骨骼信息进行读取，遍历所有骨骼帧上面的骨骼点，对跟踪手势进行检测，若检测不到跟踪手势，跳至步骤S1；若检测到跟踪手势，上位机系统控制Kinect传感器对检测到跟踪手势的用户进行锁定跟踪，采集该用户的骨骼信息；S3.上位机系统提取锁定跟踪的用户骨骼信息中的肩部中心点坐标和四元数，得到当前时刻用户与陪跑机器人之间的相对距离和角度；使用基于跟随领航者策略计算陪跑机器人的期望速度，并将得到的期望速度通过转串口模块发送至嵌入式运动控制器；S4.嵌入式运动控制器根据陪跑机器人期望速度，对陪跑机器人实施运动控制；所述步骤S3中的基于跟随领航者策略具体如下：上位机系统获得当前时刻用户相对于陪跑机器人的水平距离lx、纵向距离ly以及两者的相对角度定义θ表示机器人的自旋角度，设用户的状态为(v1x,v1y,θ1)，v1x表示用户的x轴方向速度，v1y表示用户的y轴方向速度，θ1表示用户的角度；陪跑机器人的状态为(v2x,v2y,θ2)，v2x表示机器人的x轴方向速度，v2y表示机器人的y轴方向速度，θ2表示机器人的角度；其中假设人体角度θ1＝0，则用户状态为(v1x,v1y,0)，陪跑机器人的状态为在保证用户和陪跑机器人在短时间内速度变化较小的条件下，用户相对于陪跑机器人的距离和角度变化为：定义为陪跑机器人与用户之间的期望位置，分别表示用户相对于陪跑机器人的水平距离、纵向距离以及角度的期望值；采用比例控制策略控制用户相对于陪跑机器人的距离和角度的变化量：l·x=kp1(lxd-lx),]]>l·y=kp2(lyd-ly),]]>其中，kp1、kp2、kp3为比例控制系数，应用比例控制器，使得lx→lxd，ly→lyd以及从而实现陪跑机器人跟随人体的控制目标；联立上述各式，整理可得陪跑机器人的期望速度：上位机系统计算得到陪跑机器人的期望速度，将计算获得的陪跑机器人的期望速度通过转串口模块发送至嵌入式运动控制器。