旋转飞行物体的状态估计与轨迹预测

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61473258
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0604.机器感知与机器视觉
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

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。

结项摘要

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

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(10)
专利数量(6)
Model Based Motion State Estimation and Trajectory Prediction of Spinning Ball for Ping-Pong Robots using Expectation-Maximization Algorithm
使用期望最大化算法的基于模型的乒乓机器人旋转球的运动状态估计和轨迹预测
  • DOI:
    10.1007/s10846-017-0515-8
  • 发表时间:
    2017-09-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF INTELLIGENT & ROBOTIC SYSTEMS
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Zhao, Yongsheng;Xiong, Rong;Zhang, Yifeng
  • 通讯作者:
    Zhang, Yifeng
MASD: A Multimodal Assembly Skill Decoding System for Robot Programming by Demonstration
MASD:用于机器人编程演示的多模态装配技能解码系统
  • DOI:
    10.1109/tase.2017.2783342
  • 发表时间:
    2018-01
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Automation Science and Engineering
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Yue Wang;Yanmei Jiao;Rong Xiong;Hongsheng Yu;Jiafan Zhang;Yong Liu
  • 通讯作者:
    Yong Liu
Topological local-metric framework for mobile robots navigation: a long term perspective
移动机器人导航的拓扑局部度量框架:长期视角
  • DOI:
    10.1007/s10514-018-9724-7
  • 发表时间:
    2018-03
  • 期刊:
    Autonomous Robots
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Li Tang;Yue Wang;Xiaqing Ding;Huan Yin;Rong Xiong;Shoudong Huang
  • 通讯作者:
    Shoudong Huang
Standing Posture Control of Bipedal Robots with Adaptive Compliance Under Unknown Payload Variations and External Disturbances
未知有效载荷变化和外部干扰下具有自适应顺应性的双足机器人站立姿势控制
  • DOI:
    10.1142/s0219843617500141
  • 发表时间:
    2017-08
  • 期刊:
    International Journal of Humanoid Robotics
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Yichao Mao;Qiuguo Zhu;Chunlin Zhou;Rong Xiong
  • 通讯作者:
    Rong Xiong
Rebound Modeling of Spinning Ping-Pong Ball Based on Multiple Visual Measurements
基于多重视觉测量的旋转乒乓球的反弹建模
  • DOI:
    10.1109/tim.2016.2555179
  • 发表时间:
    2016-05
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Zhao Yongsheng;Xiong Rong;Zhang Yifeng
  • 通讯作者:
    Zhang Yifeng

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开放混杂场景下物体抓取放置的长序列感知与规划学习
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知道了

AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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