[发明专利]一种具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统及运动控制方法

权利要求书

1.一种具有视觉反馈的球形机器人运动控制系统，其特征在于，包括双目视觉系统、陀螺仪、球形机器人本体、嵌入式控制器和无线通讯模块组成。运动控制系统通过双目视觉系统和陀螺仪配合进行定位，实时测量机器人本体的运动参数信息，并作为反馈输入给嵌入式控制器，控制器进行运算后对球形机器人上的电机发出控制命令，以实现对目标路径的跟踪，同时还可以通过无线通讯模块远程监控机器人的状态信息和发出操作指令。

2.依据权利要求1所述的球形机器人运动控制系统，其特征在于，球形机器人本体主要包括：整体式球壳、框架、中空长轴、视觉相机安装支架、行走驱动机构以及左右侧板等。球壳左右两侧的球冠被削去，框架通过左右两侧的长轴及侧板连接到球壳。长轴采用中空设计，一端通过侧板与球壳固定连接，另一端通过轴承与框架滚动连接。

3.依据权利要求2所述的球形机器人运动控制系统，其特征在于，双目视觉系统安装在相机支架上，支架被设计在中空长轴的内部，且与框架固定连接，两端用于安装视觉相机，并通过长轴的通孔伸出球壳。左右两个视觉相机具有固定的相对位置关系，静止时相机光轴平行且同向，形成立体视觉。相机安装支架两侧分别安装两个球冠，同时在球冠上加工通孔，使相机光路不受遮挡。由于视觉相机与框架固定连接，因而在机器人行走过程中不随球壳转动，能够稳定地获取清晰的环境图像。

4.依据权利要求2所述的球形机器人运动控制系统，其特征在于，行走驱动机构分为长轴驱动机构和短轴驱动机构。长轴电机安装在框架的外侧，其输出轴通过传动齿轮与长轴啮合。短轴电机垂直于长轴安装在框架内侧，其输出轴用于驱动配重块。当长轴电机转动时，将驱动框架和配重块绕长轴转动，驱动机器人的直线行走。当长短轴电机同时转动时，短轴电机将驱动配重块发生侧摆，可以改变机器人的姿态，实现机器人的转向控制，其中嵌入式控制器安装在配重块上。

5.一种球形机器人运动控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：对相机和陀螺仪距相机中心的位置进行标定；

S2：开启双目相机，进行左右图像连续采集，开启陀螺仪，对相机姿态进行测量；

S3：利用立体视觉的外极线约束和特征点描述符的欧氏距离实现左右图像特征点的立体匹配，建立特征点匹配对，并利用KLT特征跟踪算法实现前后帧图像之间的特征跟踪。采用Bucketing算法对图像特征点进行筛选，使被选中的图像特征点较均匀地分布在整个图像平面；

S4：建立具有时变外参数的视觉成像模型，利用惯性传感器实时地测量视觉相机安装支架的姿态，对视觉相机的外参数进行补偿。利用三角测量法计算图像特征点在三维空间中的坐标，获得三维特征点集。求取前后帧图像之间相对应的三维特征点集，采用Horn解析法求解在前后帧图像之间机器人的位姿变换矩阵R和t。同时，采用RANSAC算法，通过迭代，减少“局外点”引起的误差；

S5：将位姿变换矩阵R和t换算为机器人的位姿变化量，获得机器人的速度估计，实现基于立体视觉的运动参数估计。采用Kalman滤波器等多传感器信息融合算法对立体视觉和惯性传感器得到的数据进行融合，最后得到球形机器人的运动参数；

S6：以视觉反馈得到的运动参数信息作为控制器的反馈输入，通过无线通讯模块发出目标路径和预期自旋角速度首先将预期自旋角速度发送给内环控制器，内环控制器根据状态反馈控制算法调整长轴驱动电机输出力矩大小，使球形机器人的到达预期值，从而使球形机器人运动速度到达稳定；

S7：然后将目标路径发送给外环控制器，控制器根据视觉反馈得到的自身的位姿信息与目标路径之间的偏差通过外环曲率跟踪算法计算出当前球形机器人预期的航向角速度

S8：将预期的航向角速度输入给内环控制器，采用状态反馈控制算法，调整短轴驱动电机输出力矩大小，使得球形机器人的航向角速度到达预期；

S9：通过实时的视觉反馈，内外环控制器不断进行迭代计算，外环控制器不断输出实时的预期航向角速度给内环控制器，从而调整机器人的运动轨迹，使得运动轨迹趋近于目标路径，最终使机器人沿着目标路径行走。