旋转飞行物体的状态估计与轨迹预测

基本信息
批准号:61473258
项目类别:面上项目
资助金额:80.00
负责人:熊蓉
学科分类:
依托单位:浙江大学
批准年份:2014
结题年份:2018
起止时间:2015-01-01 - 2018-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:章逸丰,赵永生,吴俊,胡晋,王越,周春琳,廖依伊,戴萧何,赵逸栋
关键词:
机理建模目标识别状态估计拦截运动规划轨迹预测
结项摘要

Trajectory prediction, interception and hitting back of flying objects have significant research and promotion value in many fields such as military, sport, industry etc. The study is even more challenging when the flying object is spinning on its own. In this project we use Ping-Pong robots as the platform to study algorithms for flying state estimation, trajectory prediction and interception planning of the spinning ball. Previous studies on flying trajectory prediction of objects are generally based on black-box model or simplified discrete model. In this proposal, first a new vision system will be proposed to observe and estimate the spinning accurately and directly by recognizing the natural marks on the target surface. Then the continuous form of the dynamics model can be deduced based on force analysis and spin observation, while traditional discrete model cannot provide feedback information for model parameters learning and lack of effectiveness and accuracy for trajectory prediction. Basing on existing modeling method for ball-table collision, collision model between the spinning ball and the moving racket will also be derived. All model parameters will be learned using probabilistic neural network. And the learned results can be applied in new algorithms for spin state estimation based on the dynamics model and move state estimation based on the adaptive filter, which help to achieve precise prediction of the spinning ball's flight trajectory. Then the motion planning algorithm of the robot to intercept and hit back the Ping-Pong ball will be studied using optimization approach. All techniques and algorithms will be applied on a real humanoid robot to play spinning Ping-Pong ball to verify their practicability and effectiveness. More than play spinning ball flexibly, we will also try to promote our techniques to other tasks and domains.

飞行物体轨迹预测与拦截回击对军事、体育、工业等均具有重要研究意义和应用价值。但飞行中的旋转特性为问题研究带来了挑战。本项目以旋转飞行乒乓球为研究对象,开展飞行物体状态估计、轨迹预测和拦截回击等算法研究。当前研究通常采用黑箱或者简化的离散模型,本项目从构建旋转观测视觉系统入手,通过对目标表面自然标识的识别定位实现基于观测的实时旋转状态估计;结合受力分析和旋转观测,推导旋转飞行模型连续形式,以解决传统离散模型不能用于模型参数反馈学习及周期迭代计算效率低、预测不准确的问题;在现有静态球桌碰撞模型研究的基础上,推导旋转球和运动球拍的碰撞模型;采用概率神经网络辨识模型参数,并提出基于模型的旋转状态估计和自适应运动状态滤波方法,实现对旋转乒乓球的精确轨迹预测;通过问题建模和优化求解方法研究,实现旋转乒乓球回球规划;最后在乒乓球仿人机器人上验证技术的可行性与有效性,实现旋转乒乓球对打演示,并推广应用。

项目摘要

飞行物体状态估计、轨迹预测与拦截回击对航空航天、军事对抗、体育赛事、工业制造等均具有重要研究意义和推广应用价值,但当飞行中的快速旋转导致模型高阶复杂且很多状态和参数无法直接观测得到,为问题研究带来了很大挑战。旋转飞行乒乓球具有典型的旋转飞行和旋转碰撞问题及共性的挑战,因此本项目以快速旋转飞行乒乓球为研究对象开展旋转飞行物体状态估计、运动建模、轨迹预测和拦截回打等算法研究。针对当前研究通常采用黑箱或者简化的离散模型导致预测误差较大,本项目从两方面着手,一方面构建旋转观测视觉系统,提出了采用表面纹理跟踪的快速旋转飞行物体旋转状态估计和轨迹预测方法;另一方面从机理模型入手,通过推导和学习得到了旋转飞行连续模型和旋转碰撞连续模型,提高了基于位置观测的旋转状态估计和轨迹预测精度。在此基础上,设计了采用深度强化学习和迁移学习的回球规划方法,通过仿真和实物验证了技术的可行性与有效性,实现仿人机器人接打旋转乒乓球演示,部分技术与工业企业和航天院合作开展应用推广。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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