旋轉飛行物體的狀態估計與軌跡預測

《旋轉飛行物體的狀態估計與軌跡預測》是依託浙江大學，由熊蓉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：旋轉飛行物體的狀態估計與軌跡預測
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：熊蓉
• 項目類別：面上項目

項目摘要

飛行物體軌跡預測與攔截回擊對軍事、體育、工業等均具有重要研究意義和套用價值。但飛行中的旋轉特性為問題研究帶來了挑戰。本項目以旋轉飛行桌球為研究對象，開展飛行物體狀態估計、軌跡預測和攔截回擊等算法研究。當前研究通常採用黑箱或者簡化的離散模型，本項目從構建旋轉觀測視覺系統入手，通過對目標表面自然標識的識別定位實現基於觀測的實時旋轉狀態估計；結合受力分析和旋轉觀測，推導旋轉飛行模型連續形式，以解決傳統離散模型不能用於模型參數反饋學習及周期疊代計算效率低、預測不準確的問題；在現有靜態球桌碰撞模型研究的基礎上，推導旋轉球和運動球拍的碰撞模型；採用機率神經網路辨識模型參數，並提出基於模型的旋轉狀態估計和自適應運動狀態濾波方法，實現對旋轉桌球的精確軌跡預測；通過問題建模和最佳化求解方法研究，實現旋轉桌球回球規劃；最後在桌球仿人機器人上驗證技術的可行性與有效性，實現旋轉桌球對打演示，並推廣套用。

結題摘要

飛行物體狀態估計、軌跡預測與攔截回擊對航空航天、軍事對抗、體育賽事、工業製造等均具有重要研究意義和推廣套用價值，但當飛行中的快速旋轉導致模型高階複雜且很多狀態和參數無法直接觀測得到，為問題研究帶來了很大挑戰。旋轉飛行桌球具有典型的旋轉飛行和旋轉碰撞問題及共性的挑戰，因此本項目以快速旋轉飛行桌球為研究對象開展旋轉飛行物體狀態估計、運動建模、軌跡預測和攔截回打等算法研究。針對當前研究通常採用黑箱或者簡化的離散模型導致預測誤差較大，本項目從兩方面著手，一方面構建旋轉觀測視覺系統，提出了採用表面紋理跟蹤的快速旋轉飛行物體旋轉狀態估計和軌跡預測方法；另一方面從機理模型入手，通過推導和學習得到了旋轉飛行連續模型和旋轉碰撞連續模型，提高了基於位置觀測的旋轉狀態估計和軌跡預測精度。在此基礎上，設計了採用深度強化學習和遷移學習的回球規劃方法，通過仿真和實物驗證了技術的可行性與有效性，實現仿人機器人接打旋轉桌球演示，部分技術與工業企業和航天院合作開展套用推廣。