一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于惯性测量单元的脚‑机跟随控制系统，属于模式识别和智能控制领域。该控制系统包括：(1)数据采集单元，用于采集工作脚的惯性数据；(2)数据传输单元，用于将惯性数据传输到控制单元以及将控制信号传输到执行器；(3)控制单元，将工作脚在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中，同时把执行单元末端的运动也转换到大地坐标系中，根据转换后的工作脚惯性数据，发出控制信号，将工作脚的运动状态映射到执行单元；(4)执行单元，用于执行控制单元的命令；(5)交互启/停单元，用于控制工作脚与机械臂之间映射的连接与断开，调节工作脚映射到执行单元的比例系数。

A Foot-Machine Following Control System Based on Inertial Measurement Unit

The utility model discloses a foot machine following control system based on an inertial measurement unit, which belongs to the field of pattern recognition and intelligent control. The control system includes: (1) data acquisition unit for collecting inertia data of working foot; (2) data transmission unit for transmitting inertia data to control unit and control signal to actuator; (3) control unit for converting movement of working foot in sensor coordinate system to geodetic coordinate system, and at the same time for transmitting inertia data to control unit and control signal to actuator. The motion of the end of the execution unit is also transformed into the geodetic coordinate system. According to the inertia data of the transformed working foot, a control signal is issued to map the motion state of the working foot to the execution unit; (4) the execution unit is used to execute the command of the control unit; (5) the interactive start/stop unit is used to control the mapping between the working foot and the manipulator arm. Connection and disconnection, adjust the proportion coefficient of the work foot mapping to the execution unit.

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统
本技术属于模式识别和智能控制领域，涉及一种脚-机跟随控制系统，尤其涉及一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统。
技术介绍
脚-机跟随控制，即用人脚去控制机械臂等执行器，使得人脚的运动能映射到机械臂中，机械臂能够跟随人脚的运动，属于人机交互的一种。随着微电子技术和传感器技术的发展以及虚拟现实技术的兴起，脚-机跟随控制的应用也越来越多。已有的脚-机跟随系统包括如下几类：(1)操纵杆，操作困难，由于脚的灵活度不如手，即使对于健全的人，操纵杆的控制也比较困难；(2)踏板，功能有限，比如汽车的刹车，只有踩下和松开两种状态，往往还需要额外的机械结构；(3)游戏应用中的跳舞毯(脚踏键盘)，要求人脚在跳舞毯上运动，运动空间受到局限；(4)深度相机，如微软的Kinect，对干扰异常敏感，精度有限，识别的准确率较低，成本较高。惯性测量单元(InertialMeasurementUnit，简称IMU)是测量物体三轴加速度以及姿态角(或角速率)的装置。一个IMU包含了三轴加速度计和三轴陀螺仪，加速度计检测物体在载体坐标系统中独立三轴的加速度信号，而陀螺仪则检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。惯性测量单元在惯性导航领域应用广泛，测量得到人在运动过程中的加速度，然后对加速度二次积分，就能获得人的运动位移。因此，对于用脚控制机械臂等执行机构的人机交互应用，急需一种空间限制较小，没有束缚的高精度控制方法，以人脚运动的位移作为控制信号，实现人机交互。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于IMU的脚-机跟随控制系统，具体技术方案如下。一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统，包括：(1)数据采集单元，用于采集工作脚的惯性数据(加速度和角速度值)；(2)数据传输单元，用于将惯性数据传输到控制单元以及将控制信号传输到执行器；(3)控制单元，将工作脚在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中，同时把执行单元末端的运动也转换到大地坐标系中，根据转换后的工作脚惯性数据，将工作脚的运动状态映射到执行单元，发出控制信号；(4)执行单元，如机械臂，用于执行控制单元的命令；(5)交互启/停单元，用于控制工作脚与机械臂之间映射的连接与断开，调节工作脚映射到执行单元的比例系数。IMU采集的数据为其中为三轴加速度数据，为三轴陀螺仪数据。而且该单元体积应较小，重量也应较轻，以便固定在人脚上。数据传输单元应采用功耗较低，传输实时性好的有线或无线传输方式，如USB、串口、蓝牙等。控制单元应采用运算能力强，并具有多种通信接口的控制单元，如PC、STM32等。执行单元应当具有多种运动自由度，并且支持多种通信方式，尤其是应当具有软件控制接口，且支持高级编程语言，例如可编程机械臂等机构。交互启/停单元可选用一个带有按键和滑块的装置。辅助脚每次按下按键，都可以在工作脚与机械臂映射的连接与断开状态之间实现一次切换。辅助脚推动滑块左右运动，可以方便地调节映射比例系数k。本技术提供的一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统，工作原理如下。IMU采集的惯性数据是由真实的惯性数值sk(θ)和噪声vk组成的，即：yk＝sk(θ)+vk其中上标a和ω分别代表加速度和角速度，θ为未知的但是对IMU输出有影响的参数。在此假定噪声是独立同分布的，且都服从于均值为0，协方差矩阵为C的高斯分布，其中I3为3×3的单位矩阵，O3为3×3的零矩阵：其中为实数，分别表示加速度计和陀螺仪的噪声方差，不同的IMU的并不相同，可以通过查IMU的技术手册计算求得。IMU的安装方位是任意的。采用基于加速度、角速度的融合算法，解算得到IMU在大地坐标系中的姿态，将IMU在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中。同时把机械臂的末端的运动也转换到大地坐标系中，方便设计工作脚运动和机械臂运动之间的映射。详细融合算法可以从参考文献(1)中获得。数据采集单元采集到工作脚的惯性数据后，通过数据传输单元将工作脚的惯性数据传输到控制单元。控制单元通过上述现有技术的成熟算法，将IMU在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中，同时把机械臂的末端的运动也转换到大地坐标系中。控制单元根据转换后的工作脚的惯性数据，将工作脚的运动状态映射到机械臂，发出控制信号。机械臂跟随控制包含两种可选工作模式：轨迹跟随和位置跟随模式。轨迹跟随模式中，机械臂末端遵循工作脚的轨迹曲线，到达终点；位置跟随模式中，机械臂末端可以沿最近路径或其他规划路径，达到终点。将工作脚的运动状态映射到机械臂的方法是设定一个比例系数k。在不同控制场景，工作脚的实际运动范围和期望的机械臂末端运动范围差异很大，为此设置比例系数k。在位置跟随模式中，工作脚的位移为p时，机械臂末端所实现的位移为k·p；在轨迹跟随模式中，工作脚的运动轨迹的曲率为c、长度为l时，机械臂末端所实现运动轨迹曲率为c，长度为k·l。k值越大，机械臂末端的运动范围越大，但运动精度越低；k值越小，机械臂末端的运动范围越小，但运动精度越高。交互启/停单元由辅助脚控制，交互启/停单元可选用一个带有按键或滑块的装置。辅助脚每次按下按键，都可以在工作脚与机械臂映射的连接与断开状态之间实现一次切换。辅助脚推动滑块左右运动，可以方便地调节映射比例系数k。相对于以往的人机交互应用，本技术提供的基于IMU的脚-机跟随控制系统，由于控制单元将工作脚在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中，同时把机械臂的末端的运动也转换到大地坐标系中，IMU的安装方位是任意的；由于设置了映射的比例系数，所以对运动空间的大小没有限制；输出的位移已经是三轴的位移，因此能够实现对X、Y、Z三个方向的控制，而且可根据不同的应用场景，实现很多复杂的控制，控制的精度和实时性也较好。附图说明图1是本技术基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统的组成图；图2是本技术实施例的基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统的连接图；图3是本技术实施例的机械臂的三轴原始定义图；图4是本技术实施例机械臂的轨迹跟随模式和位置跟随模式示意图。具体实施方式为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。图1是本技术基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统的组成图，图2是本技术实施例的基于IMU的脚-机跟随控制系统。IMU通过USB接口与PC相连，机械臂则通过串口与PC相连。但并不局限于串口的通信方式，本技术实施例采用的是有线连接的方式，若控制单元采用STM32，Arduino等进行无线通信，整个控制系统又能简化。本技术的实施例选择Xsens公司生产的MTI-300系列IMU，该IMU可以输出较为精确的三轴加速度和角速度。IMU的采样频率设置为100Hz，即采样周期为0.01s。但是，并不局限于该IMU充当传感器，其他成本较低的IMU，在应用传感器融合算法，得出较为精确的三轴加速度和角速度后，也是可行的。本技术的实施例选择越疆科技的DOBOTmagician型机械臂充当控制对象，它可以沿X、Y、Z三个方向运动。机械臂的重复定位精度为0.02mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯性测量单元的脚‑机跟随控制系统，其特征在于，包括：(1)数据采集单元，用于采集工作脚的惯性数据；(2)数据传输单元，用于将惯性数据传输到控制单元以及将控制信号传输到执行器；(3)控制单元，将工作脚在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中，同时把执行单元末端的运动也转换到大地坐标系中，根据转换后的工作脚惯性数据，发出控制信号，将工作脚的运动状态映射到执行单元；(4)执行单元，用于执行控制单元的命令；(5)交互启/停单元，用于控制工作脚与机械臂之间映射的连接与断开，调节工作脚映射到执行单元的比例系数。

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统，其特征在于，包括：(1)数据采集单元，用于采集工作脚的惯性数据；(2)数据传输单元，用于将惯性数据传输到控制单元以及将控制信号传输到执行器；(3)控制单元，将工作脚在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中，同时把执行单元末端的运动也转换到大地坐标系中，根据转换后的工作脚惯性数据，发出控制信号，将工作脚的运动状态映射到执行单元；(4)执行单元，用于执行控制单元的命令；(5)交互启/停单元，用于控制工作脚与机械臂之间映射的连接与断开，调节工作脚映射到执行单元的比...

【专利技术属性】
技术研发人员：向馗，景文昊，曹雨阳，庞牧野，周申培，唐必伟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42