[发明专利]基于单目视觉的可变杆长倒立摆目标捕捉控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于单目视觉的可变杆长倒立摆目标捕捉控制方法，包括：当目标物体出现在单目深度视觉广角摄像头上方的工作区域时，单目深度视觉广角摄像头立即捕捉到目标物体的方位，并将采集到的图像信号实时传输至倒立摆的主控制器内；主控制器实时计算出目标物体的坐标位置、速度和加速度；主控制器对倒立摆进行控制，对倒立摆进行目标跟随控制；当倒立摆对目标物体进行捕获时，根据目标物体的相关参数控制倒立摆的四个参数。本发明将人工智能融入传统倒立摆应用，能够根据单目深度视觉广角摄像头所采集到的图像信息，精准捕捉到所投掷的目标物体；本发明中所涉及到的改进LQR算法和目标跟随控制算法能够准确使倒立摆平台接住物体。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种基于单目视觉的可变杆长倒立摆目标捕捉控制方法及系统。

背景技术

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。然而，目前的倒立摆产品只是将注意力集中在其基本结构以及简单控制算法上，也只是能实现一些简易的自平衡功能，产品的抗干扰性能并不高，相关于视觉方面的应用领域较少且其智能化程度更是有待提升。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够精准捕捉到所投掷的物体，计算出目标物体的位置，速度和加速度，并准确接住目标物体并保持稳定的基于单目视觉的可变杆长倒立摆目标捕捉控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于单目视觉的可变杆长倒立摆目标捕捉控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将单目深度视觉广角摄像头安装至倒立摆的顶端，当目标物体出现在单目深度视觉广角摄像头上方的工作区域时，单目深度视觉广角摄像头立即捕捉到目标物体的方位，并将采集到的图像信号实时传输至倒立摆的主控制器内；

(2)所述主控制器根据接收到的图像信号中的阴影面积在图像中所处的位置、每毫秒阴影面积大小变化和每毫秒阴影部分移动的距离实时计算出目标物体在x方向和在y方向的坐标位置、速度和加速度；

(3)主控制器根据目标物体的坐标位置、速度及加速度，通过改进的LQR算法对倒立摆进行控制，包括控制倒立摆左右横移的距离、速度、加速度以及倒立摆伸缩杆的杆长变化幅度，同时通过位置PID算法对倒立摆进行目标跟随控制，准确跟踪目标物体的轨迹并进行捕捉；

(4)当倒立摆对目标物体进行捕获时，目标物体发生弹跳，主控制器根据单目深度视觉广角摄像头采集到的信息来判断目标物体所处的状态是上升还是下降状态，根据目标物体的相关参数控制倒立摆的四个参数：横移距离、速度、加速度以及倒立摆伸缩杆的杆长变化长度，并准备迎接下一次捕捉，直至目标物体平稳降落在单目深度视觉广角摄像头上，并持续保持目标物体及倒立摆摆杆的稳定。

在步骤(3)中，所述改进的LQR算法的公式如下：

其中，J是代价函数；u是一组控制量；x是状态向量；t是时间；Q、R分别为半正定矩阵、正定矩阵；

采用变分法求解得到反馈增益矩阵为：

K＝-R^-1B^TP

A^TP+PA-PBR^-1B^TP+Q＝0