高速柔索牵引摄像机器人机动性与稳定性研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51175397
项目类别：
面上项目
资助金额：
62.0万
负责人：
仇原鹰
依托单位：
西安电子科技大学
学科分类：
E0501.机器人与机构学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
段学超；赵泽；杨东武；苏宇；刘鹏；王飞；陈瑞；潘勇；郑秀婷；
关键词：
.稳定性柔索牵引摄像机器人机动性柔索并联机器人摄像机

项目摘要

柔索牵引摄像机器人可在大型运动赛场和演出现场的上空"飞行"，实现摄像机的任意空间三维运动，带来了摄像机搭载系统的一次革命。摄像机的运动随拍摄目标的瞬间变化而改变，机动性要求高；风荷、快速启停运动的惯性冲击等因素容易造成摄像机平台晃动、导致影像模糊。针对摄像机器人的机动性与稳定性这两个关键问题，首先，提出一种实时自适应鲁棒控制方法，实现对其运动的灵活交互控制。其次，研究一种基于凸集理论的连续光滑冗余驱动力的快速求解算法，既在要求的控制步长内完成驱动力的快速解算，也为摄像机平台提供平滑的驱动力矩。最后，尝试摄像机系统的多环节稳定性增强技术，以保证摄像机在多种因素干扰下成功拍摄。.本项目的完成将弥补目前对摄像机器人运动评价指标的不足，为提升其性能奠定坚实的研究基础，也将促使我国早日拥有具有自主知识产权的摄像机器人，使我国的摄像机搭载技术产生新的飞跃。

结项摘要

随着电视转播技术的进步，一种可以实现全方位取景，实时性，连续性，高效省力，画面灵活变换并且稳定的摄像方式显得十分重要。借助于柔索牵引并联摄像机器人可完美地实现这种大范围的全景拍摄要求。目前，关于摄像机器人的机动性和稳定性未有深入的研究见诸报道。故摄像机器人的理论研究和技术提升存在着较大的空间。从理论和技术上深入研究影响摄像机器人清晰成像的关键问题，将对柔索牵引运动机构的工作能力、可控程度有更进一步的了解和提升，并为摄像机器人的实际工程应用提供一定的技术支持。.本课题主要的研究内容包括：高速柔索摄像机器人动力学建模；冗余拉力优化求解；动力工作空间研究；索拉力解算的实时性和连续性分析；运行稳定性研究和运动稳定控制方法。.通过对本课题深入研究，取得如下成果：基于集合理论获得动力工作空间的一致求解策略。将冗余拉力求解问题转化为凸可行域上的多项式极值问题，提出了衡量拉力优化求解连续性和实时性的指标。通过牛顿法建立了摄像机器人系统的动力学方程。在当前位置点的位置性能因子和最小索拉力性能因子的基础上，提出了力位加权的稳定性评价方法。建立了摄像机器人多目标结构优化模型，得到了在满足绳索张力上下限、最小拍摄任务空间体积和能量截断频率的前提下，具有更大的工作空间、更高的全局一阶自然频率和更小的绳索张力冲量的设计参数。为实现摄像机器人平稳启动和快速换向运动，对启停变向过渡阶段进行高阶多项式插值规划，提出了带有干扰观测器的基于末端位置空间的PD前馈控制策略，实现了摄像机器人稳定运行。在最小索力和刚度最小奇异值的基础上，提出了基于索力因子和刚度因子的稳定度作为摄像机器人稳定性评价的指标，对摄像机器人的结构稳定性进行分析。.构建了5m原理样机，进行了摄像机器人实时控制系统实验验证。规划了直线轨迹、三角轨迹、圆轨迹实验，研究了最大运行速度、最大加速度、最小可控稳定运动速度和调整时间等性能指标。.培养已毕业的博士生2人、硕士生6人，在读博士生1人。共发表SCI、EI检索论文17篇，其中SCI检索10篇、EI检索9篇，每篇论文都标注了基金资助号。获得国家发明专利授权3项。