一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法，先规划线阵光电耦合型成像器件CCD的扫描轨迹，再对双环PID算法和迭代学习前馈+PID反馈控制算法的参数进行整定，最后，判断被摄物体当前运动状态，并根据不同运动状态之间的切换与切换优化后进行速度控制，从而来避免线阵CCD相机扫描过程中因运动速度不平稳而产生的图像失真。

【技术实现步骤摘要】
一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法
本专利技术属于精密运动控制
，更为具体地讲，涉及一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法。
技术介绍
CCD(ChargeCoupledDevice)是一种光电耦合型成像器件，能够直接将光信号转换为电信号，经信号放大模数转换后获取数字化图像。CCD器件按其感光单元的排列方式分为线阵CCD和面阵CCD两类。线阵CCD因为其结构简单、成本较低而得到广泛应用。不同于面阵CCD的图像采集系统只要简单的曝光就可取得面积影像，线阵CCD扫描的成像系统是需要利用运动速度连续扫描才能获得二维面积影像，其成像的特性与面阵CCD采集系统有一定的差别。线扫描成像系统用于被测物体和相机之间有相对运动的情景，线阵相机每次仅采集一行像素，若要得到一幅完整的图像，被摄物体必须沿垂直于线阵传感器的方向以一定的速度运动，线阵CCD釆集完一行数据以后，被摄物体恰好运动到了下一个单位长度，形成连续不断的数据采集。线阵CCD有固定的行扫描周期，当它仅按本身的扫描周期采集图像而与被摄物体运动速度不同步时，便会出现图像模糊的情形，其釆集的图像通常是失真的，可能丢失重要的数据或者增加重复无用的数据，呈现被测物体的压缩或拉伸图像，因此扫描过程中实现速度的无差控制是取得正确而且等比例的图像的关键。现有线阵CCD扫描过程中的伺服控制大多采用单一控制模式，无法实现扫描过程中不同运动状态的精确控制。又或是双轴运动采用统一控制结构，没有考虑到扫描过程中双轴运所实现的功能的区别。即x轴的运动主要实现扫描过程中被摄物体的移动，要求实现速度的无差控制。Y轴的运动主要实现的是定位功能。忽略此点通常会导致扫描运动过程中仍然产生非扫描方向的运动。从而导致相机拍摄的照片产生拉伸、压缩甚至是扭曲等现象，增加了所获取照片在后续图像处理中的难度，降低了系统的检测效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法，通过对扫描过程中速度进行无差控制，来避免线阵CCD相机扫描过程中因运动速度不平稳而产生的图像失真。为实现上述专利技术目的，本专利技术一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、规划线阵光电耦合型成像器件CCD的扫描轨迹(1.1)、规划扫描方向的运动轨迹设置线阵CCD每行的像素为Nr，线阵CCD的宽度为W0，线阵CCD的扫描速率为Vc，被摄物体运动速度为V0，；则有：横向扫描精度纵向扫描精度保证采集的图像不失真，按照横向和纵向的分辨率相等的原则，被摄物体的最佳移动速度与线阵CCD的扫描速率满足以下关系：V0＝VC×W0/Nr最后，根据运动速度V0规划扫描方向的运动轨迹；(1.2)、规划非扫描方向的运动轨迹将被摄物体的运动行程设置为线阵CCD的单次扫描宽度W0；(1.3)、对规划轨迹进行优化在规划的运动轨迹输出端增加滤波模块，滤掉规划轨迹中的噪声扰动；(2)、参数整定(2.1)、双环PID算法的参数整定在速度外环和位置内环中，分别根据优化后的规划轨迹求出期望的加速度曲线Ag(t)，再通过光栅尺传感器得到实际的加速度曲线Ag0(t)，然后计算出加速度误差曲线eA(t)＝Ag(t)-Ag0(t)，最后根据Ziegler-Nichols算法调整比例系数Kp和积分系数Ki，从而完成双环PID算法的参数整定；(2.2)、迭代学习前馈+PID反馈控制算法的参数整定；(2.2.1)、屏蔽掉系统的速度外环，仅保留系统的位置内环；然后根据优化后的规划轨迹求出期望的速度曲线Vs(t)，将Vs(t)进行傅里叶变换得到Vs(jw)，再以Vs(jw)作为系统初始输入并输入至速度外环；根据光栅尺读出系统的实际速度曲线Vs0(t)，将Vs0(t)进行傅里叶变换得到Vs0(jw)，再以Vs0(jw)作为系统初始输出；最后，代入迭代学习控制律至系统，得到系统的第一次输入Yd(jw)为系统期望输出速度；(2.2.2)、通过光栅尺传感器读出系统的第一次输出Y1(jw)，然后，计算第一次输出的速度误差曲线ΔY1(jw)＝Y1(jw)-Yd(jw)；再次通过迭代学习控制律，按照如下公式计算出系统的第二次输入U2(jw)；其中，Ur(jw)为系统的第r次输入，r＝2,3,4,…；Yr-1(jw)为系统的第r-1次输出，ρ为差分项比例系数；同时通过光栅尺传感器读出系统的第二次输出Y2(jw)，然后，计算第二次输出的速度误差曲线ΔY2(jw)＝Y2(jw)-Yd(jw)；判断前后两次得到速度误差曲线是否出现振荡，如果出现振荡，则将后一次得到输入作为系统的前馈输入信号，否则，再次通过迭代学习控制律计算出系统的下一次输入，并以此类推，直到速度误差曲线出现振荡时停止迭代；(2.2.3)、将前馈输入信号输入至步骤(2.1)中已经整定好的双环PID的速度外环中，完成迭代学习前馈+PID反馈控制算法的参数整定；(3)、判断被摄物体当前运动状态对被摄物体的运动速度V0求一阶导数，得到被摄物体的加速度a，再将加速度a与给定阈值ε比较，当|a|＞ε时，被摄物体处于变速运动状态；当|a|≤ε时，被摄物体处于匀速运动状态；(4)、不同运动状态之间的切换与切换优化(4.1)、当被摄物体处于变速运动状态时，切换到前馈控制+PID反馈控制，具体控制过程为：(4.1.1)、计算此运动状态下系统的初始输入U0；U0＝Kp1*Kp2*Vs(0)+Ur(0)其中，Kp1、Kp2为位置内环和速度外环的比例系数，Ur(0)为前馈输入信号在初始时刻的值，Vs(0)为期望速度曲线在初始时刻的值；(4.1.2)、通过光栅尺读出运动状态下系统的加速度反馈信号A0(t)，然后带入前馈控制+PID反馈控制律，计算出此运动状态下系统的加速度信号A(t)；ev(t)＝A(t)-A0(t)其中，Ki2为速度外环的积分系数；(4.1.3)、重复步骤(4.1.1)-(4.1.2)，对加速度信号A(t)进行实时跟踪，使系统实时输出的速度曲线到达期望速度曲线，从而完成该运动状态下的控制；(4.2)、当被摄物体处于匀速运动状态时，切换到双环PID控制，具体控制过程为：(4.2.1)、计算此运动状态下系统的初始输入U0；U0＝Kp1*Kp2*Vs(0)(4.2.2)、通过光栅尺读出运动状态下系统的加速度反馈信号A0(t)，然后带入双环PID控制律，计算出此运动状态下系统的加速度信号A(t)；ev(t)＝A(t)-A0(t)其中，Ki2为速度外环的积分系数；(4.2.3)、重复步骤(4.2.1)-(4.2.2)，对加速度信号A(t)进行实时跟踪，使系统实时输出的速度曲线到达期望速度曲线，从而完成该运动状态下的控制。本专利技术的专利技术目的是这样实现的：本专利技术一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法，先规划线阵光电耦合型成像器件CCD的扫描轨迹，再对双环PID算法和迭代学习前馈+PID反馈控制算法的参数进行整定，最后，判断被摄物体当前运动状态，并根据不同运动状态之间的切换与切换优化后进行速度控制，从而来避免线阵CCD相机扫描过程中因运动速度不平稳而产生的图像失真。同时，本专利技术一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法还具有以下有益效果：(1)、加速度前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、规划线阵光电耦合型成像器件CCD的扫描轨迹(1.1)、规划扫描方向的运动轨迹设置线阵CCD每行的像素为Nr，线阵CCD的宽度为W0，线阵CCD的扫描速率为Vc，被摄物体运动速度为V0，；则有：横向扫描精度

【技术特征摘要】
1.一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、规划线阵光电耦合型成像器件CCD的扫描轨迹(1.1)、规划扫描方向的运动轨迹设置线阵CCD每行的像素为Nr，线阵CCD的宽度为W0，线阵CCD的扫描速率为Vc，被摄物体运动速度为V0，；则有：横向扫描精度纵向扫描精度保证采集的图像不失真，按照横向和纵向的分辨率相等的原则，被摄物体的最佳移动速度与线阵CCD的扫描速率满足以下关系：V0＝VC×W0/Nr最后，根据运动速度V0规划扫描方向方向的运动轨迹；(1.2)、规划非扫描方向的运动轨迹将被摄物体的运动行程设置为线阵CCD的单次扫描宽度W0；(1.3)、对规划轨迹进行优化在规划的运动轨迹输出端增加滤波模块，滤掉规划轨迹中的噪声扰动；(2)、参数整定(2.1)、双环PID算法的参数整定在速度外环和位置内环中，分别根据优化后的规划轨迹求出期望的加速度曲线Ag(t)，再通过光栅尺传感器得到实际的加速度曲线Ag0(t)，然后计算出加速度误差曲线eA(t)＝Ag(t)-Ag0(t)，最后根据Ziegler-Nichols算法调整比例系数Kp和积分系数Ki，从而完成双环PID算法的参数整定；(2.2)、迭代学习前馈+PID反馈控制算法的参数整定；(2.2.1)、屏蔽掉系统的速度外环，仅保留系统的位置内环；然后根据优化后的规划轨迹求出期望的速度曲线Vs(t)，将Vs(t)进行傅里叶变换得到Vs(jw)，再以Vs(jw)作为系统初始输入并输入至速度外环；根据光栅尺读出系统的实际速度曲线将进行傅叶变换得到再以作为系统初始输出；最后，代入迭代学习控制律至系统，得到系统的第一次输入Yd(jw)为系统期望输出速度；(2.2.2)、通过光栅尺传感器读出系统的第一次输出Y1(jw)，然后，计算第一次输出的速度误差曲线ΔY1(jw)＝Y1(jw)-Yd(jw)；再次通过迭代学习控制律，按照如下公式计算出系统的第二次输入U2(jw)；其中，Ur(jw)为系统的第r次输入，r＝2,3,4,...；Yr-1(jw)为系统的第r-1次输出；同时通过光栅尺传感器读出系统的第二次输出Y2(jw)，然后，计算第二次输出的速度误差曲线ΔY2(jw)＝Y2(jw)-Yd(jw)；判断前后两次得到速度误差曲线是否出现振荡，如果出现振荡，则将后一次得到输入作为系统的前馈输入信号，否则，再次通过迭代学习控制律计算出系统的下一次输入，并以此类推，直到速度误差曲线出现振荡时停止迭代；(2.2.3)、将前馈输入信号输入至步骤(2.1)中已经整定好的双环PID的速度外环中，完成迭代学习前馈+PID反馈控制算法的参数整定；(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹见效，张泽州，彭超，张健，牛凡，徐红兵，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51