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申请/专利权人：合肥中科深谷科技发展有限公司

摘要：本发明公开了乒乓球击球系统构建方法、击球控制方法及乒乓球机器人，其中，控制系统构建方法包括如下步骤：S1、对飞行过程和碰撞过程中的乒乓球进行模型简化；S2、对模型简化后的乒乓球进行受力分析，建立乒乓球的飞行轨迹模型和碰撞轨迹模型；S3、用观测器估计乒乓球轨迹的误差信号，构建乒乓球轨迹的非线性最优观测器；S4、根据乒乓球轨迹信息确定的机器人执行器末端位姿，建立乒乓球机器人的运动学模型和动力学模型；S5、针对乒乓球机器人的动力学模型，设计一种鲁棒伺服控制器。本发明能够相对更精准地预测乒乓球轨迹，可更好地应对各种复杂球路；通过设计的鲁棒伺服控制器对机器人进行鲁棒控制，让机器人拥有了较高的运动精度。

主权项：1.乒乓球机器人控制系统构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对飞行过程和碰撞过程中的乒乓球进行模型简化：乒乓球做非旋转运动；乒乓球在飞行过程中只受到重力、浮力和空气阻力；乒乓球与桌面的碰撞为弹性碰撞；S2、对模型简化后的乒乓球进行受力分析，建立乒乓球的飞行轨迹模型和碰撞轨迹模型；S3、用观测器估计乒乓球轨迹的误差信号，量化观测器性能，构建乒乓球轨迹的非线性最优观测器，根据非线性最优观测器输出的零时刻下乒乓球速度，预测出乒乓球轨迹信息；S4、根据乒乓球轨迹信息确定的机器人执行器末端位姿，建立乒乓球机器人的运动学模型和动力学模型；S5、针对乒乓球机器人的动力学模型，设计一种鲁棒伺服控制器，通过鲁棒伺服控制器抑制整个系统中各种不确定因素的影响，对乒乓球机器人击球过程进行控制；所述步骤S2中乒乓球的飞行轨迹模型为： 其中，x为乒乓球在x轴方向上的坐标信息，y为乒乓球在y轴方向上的坐标信息，z为乒乓球在z轴方向上的坐标信息，vx为乒乓球在x轴方向上的飞行速度，vy为乒乓球在y轴方向上的飞行速度，vz为乒乓球在z轴方向上的飞行速度，m为乒乓球球质量，g为重力加速度，Cd为阻力系数，ρ为空气密度，A为乒乓球有效面积，D为乒乓球直径；乒乓球的碰撞轨迹模型为： 其中，为在x轴方向上碰撞前乒乓球的入射速度，为在y轴方向上碰撞前乒乓球的入射速度，为在z轴方向上碰撞前乒乓球的入射速度，为在x轴方向上碰撞后乒乓球的出射速度，为在y轴方向上碰撞后乒乓球的出射速度，为在z轴方向上碰撞后乒乓球的出射速度，X为在x轴方向上的碰撞衰减系数，Y为在y轴方向上的碰撞衰减系数，Z为在z轴方向上的碰撞衰减系数；所述步骤S3中非线性最优观测器的的构建方法为：定义一个可测量的观测器估计乒乓球轨迹的误差信号定义如下： 其中，eB为水平方向上乒乓球轨迹的误差信号，eW为竖直方向上乒乓球轨迹的误差信号，Bd为水平方向上高速摄像机获得的可测量信号，Wd为竖直方向上高速摄像机获得的可测量信号，为由轨迹模型得到的观测器信号在水平方向上的分量，为由轨迹模型得到的观测器信号在竖直方向上的分量； 表示由轨迹模型得到的观测器信号，由上述轨迹模型可以得到 表示高速摄像机获得的可测量信号，乒乓球飞行过程中以及碰撞后的实际轨迹可近似看作抛物线，将由高速摄像机捕捉到的可测量信号，将其作为实测轨迹，用非线性最小二乘法近似表示为： 其中，a1、b1、a2、b2以及c2为实测轨迹用非线性最小二乘法近似表示后的各个轨迹信号系数；为了便于后续开展，将滤波后的观测误差信号定义为： 由上述表达可知，r、e和呈线性关系，如果r2趋于最小值，e2和也趋于最小值，因此，最优目标函数定义为： 对et求时间导数，可以得到et的误差动态如下： 对求时间导数，可以得到的误差动态如下： 对rt求时间导数，可以得到rt的误差动态如下： 将上述公式带入，可以得到： 对最优目标函数ft求时间倒数，可以得到目标信号如下： 将相关参数带入，得到非线性最优观测器，其表达式为： 其中，B表示模型在水平方向上的轨迹信号，W表示模型在竖直方向上的轨迹信号，a1和b2为实测轨迹用非线性最小二乘法近似表示后的轨迹信号系数。

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