一种单轴高阶约束加减速控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑插补周期离散误差的单轴高阶约束加减速控制方法，包括以下步骤：S1：运动过程离线预处理：针对起始点运动学参数与运动学高阶约束要求，对运动过程的形式进行规划，依据加加速度数值确定整体加减速段数；对各段运动时间按插补周期整数倍进行圆整，并对运动过程参数进行再调整；最后结合实时插补算法，生成实时插补参数；S2：实时插补：根据离线部分生成的实时插补参数，依据设计的实时插补运算程序，进行实时插补运算。本发明专利技术，在给定的速度、加速度以及加加速度约束下，根据输入的起点位置、速度以及加速度和终点位置与速度，规划满足运动学高阶约束要求的单轴运动过程，解决由于插补周期离散误差导致的运动不精确问题。不精确问题。不精确问题。

【技术实现步骤摘要】
一种单轴高阶约束加减速控制方法


[0001]本专利技术涉及加减速控制
，具体是一种考虑插补周期离散误差的单轴高阶约束加减速控制方法。

技术介绍

[0002]运动速度规划对实现执行装备稳定运行至关重要，然而为了保证运动过程平稳，需要对高阶运动学参数(如：加加速度等)进行约束。但是由于实时插补离散误差的存在以及实时计算效率等问题，使得经实时插补后的运动位置与速度等存在偏差，尤其在高速运行的情况下，末端位置偏差明显。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种考虑插补周期离散误差的单轴高阶约束加减速控制方法，以解决现有技术中的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种考虑插补周期离散误差的单轴高阶约束加减速控制方法，包括以下步骤：
[0005]名词变量定义：
[0006]S_pos
‑
起始点位置；
[0007]S_vel
‑
起始点速度；
[0008]S_acc
‑
起始点加速度；
[0009]E_pos
‑
末端点位置；
[0010]E_vel
‑
末端点速度；
[0011]max_v
‑
最大速度；
[0012]max_a
‑
最大加速度；
[0013]max_j
‑
最大加加速度；
[0014]min_v
‑
最小速度(即：反向最大速度，数学上为负值)；
[0015]min_a
‑
最小加速度(即：最大减速度，数学上为负值)；
[0016]min_j
‑
最小加加速度(即：最大减减速度，数学上为负值)；
[0017]S1：运动过程离线预处理：针对起始终点运动学参数与运动学高阶约束要求(起始点处的位置、速度、加速度与终点处的位置与速度，终点处加速度设置为零；高阶约束要求为最大速度、最大加速度以及最大加加速度和最小速度、最小加速度以及最小加加速度)，对运动过程的形式进行规划，依据加加速度数值确定整体加减速段数。对各段运动时间按插补周期整数倍进行圆整，并对运动过程参数进行再调整。最后结合实时插补算法，生成实时插补参数。其中，所述S1具体包括：
[0018]S1.1：移动方向判别与调整：首先根据起始与终点位置，判定移动方向，当移动位移为负方向时，更改移动方向，即更改所有运动学参数的符号，保持算法的适用性；
[0019]S1.2：运动过程规划：根据不同输入起始终点运动学参数，以及最大的速度、加速
度以及加加速度约束值，规划速度曲线的形式；
[0020]S1.3：对各段运动时间按插补周期整数倍进行圆整，并以待定系数法，根据圆整的时间长度，对加加速度多项式曲线参数进行重新计算求解；
[0021]S2：实时插补运算：根据离线部分生成的实时插补参数，进行实时插补运算；实时算法要求的输入参数为：各段调整后加加速度多项式曲线参数与各段圆整后的运行时间。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：在给定的速度、加速度以及加加速度约束下，根据输入的起点位置、速度以及加速度和终点位置与速度，规划满足运动学参数约束要求的单轴运动过程；综合考虑实时计算资源与计算结果数据量问题，该专利技术通过离线预处理对速度规划过程中计算较为复杂的运算进行预计算，根据加加速度值的不同对整体的加减速过程进行分段，并得到各段运行时间；根据离线速度规划结果，对实时计算算法进行设计，实现满足高阶约束的单轴加减速运动控制；同时为了解决由于实时插补离散误差导致的速度与位移偏差等问题，对各段的运行时间根据离散插补周期进行圆整，然后根据圆整后的运行时间，在不改变该段初始与结尾运动学参数的情况下对加加速度曲线进行重新调整，即采用二次曲线进行表征加加速度对由于时间的圆整产生的误差进行弥补修正。
附图说明
[0023]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0024]图1是本专利技术存在以最大加速度进行加速时，加速度曲线图；
[0025]图2是本专利技术存在以最大加速度进行加速时，速度曲线图；
[0026]图3是本专利技术存在以最大加速度进行加速时，位移曲线图；
[0027]图4是本专利技术不存在以最大加速度进行加速时，加速度曲线图；
[0028]图5是本专利技术不存在以最大加速度进行加速时，速度曲线图；
[0029]图6是本专利技术不存在以最大加速度进行加速时，位移曲线图；
[0030]图7为本专利技术存在以最大速度进行运行时，加速度曲线图；
[0031]图8为本专利技术存在以最大速度进行运行时，速度曲线图；
[0032]图9为本专利技术存在以最大速度进行运行时，位移曲线图；
[0033]图10是本专利技术存在以最大速度进行运行时，加速度曲线图；
[0034]图11是本专利技术存在以最大速度进行运行时，速度曲线图；
[0035]图12是本专利技术存在以最大速度进行运行时，位移曲线图；
[0036]图13为本专利技术加速过程为类型1时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0037]图14是本专利技术加速过程为类型2时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0038]图15为本专利技术加速过程为类型3
‑
1时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0039]图16是本专利技术加速过程为类型3
‑
2时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0040]图17为本专利技术加速过程为类型3
‑
3时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意
图；
[0041]图18是本专利技术加速过程为类型3
‑
4时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0042]图19为本专利技术加速过程为类型4
‑
1时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0043]图20是本专利技术加速过程为类型4
‑
2时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0044]图21为本专利技术加速过程为类型4
‑
3时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0045]图22是本专利技术加速过程为类型4
‑
4时相应加速度曲线以及加加速度值的结构示意图；
[0046]图23为本专利技术各段运动时间图之一；
[0047]图24为本专利技术各段运动时间图之二；
[0048]图25是本专利技术实验1的位移曲线图；
[0049]图26是本专利技术实验1的速度曲线图；
[0050]图27是本专利技术实验1的加速度曲线图；
[0051]图28为本专利技术实验2的位移曲线图；
[0052]图29为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑插补周期离散误差的单轴高阶约束加减速控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：运动过程离线预处理：针对起始终点运动学参数与运动学高阶约束要求，对运动过程的形式进行规划，依据加加速度数值确定整体加减速段数；对各段运动时间按插补周期整数倍进行圆整，并对运动过程参数进行再调整，最后结合实时插补算法，生成实时插补参数；其中，所述S1具体包括：S1.1：移动方向判别与调整：首先根据起始与终点位置，判定移动方向，当移动位移为负方向时，更改移动方向，即更改所有运动学参数的符号，保持算法的适用性；S1.2：运动过程速度规划：根据不同输入起始终点运动学参数，以及最大的速度、加速度以及加加速度约束值，规划速度曲线的形式；S1.3：对各段运动时间按插补周期整数倍进行圆整，并以待定系数法，根据圆整的时间长度，对加加速度多项式曲线参数进行重新计算求解；S2：实时插补运算：根据离线部分生成的实时插补参数，进行实时插补运算；实时算法要求的输入参数为：各段调整后加加速度多项式曲线参数与各段圆整后的运行时间。2.根据权利要求1所述的一种考虑插补周期离散误差的单轴高阶约束加减速控制方法，其特征在于：所述S1.2中运动过程速度规划包括以下步骤：S1.2.1：根据初始与终点运动学参数与约束值，判断整体加减速过程段数：根据速度的变化，判断整体加速过程是否存在以恒定加速度进行加速的加速段；因为加速度存在最大最小的约束限制，因此当起始与终点速度变化过大时，存在以最大加速度进行加速的情况；当起始与终点变化较小时，加速过程不存在以最大加速度进行加速的情况；采用假设加速度无上限，然后当以初始点速度S_vel与加速度S_acc以最大加加速度加速至末端点速度E_vel时，所能达到的最大加速度A_max作为评价指标：当评价指标A_max大于最大加速度max_a，加速过程存在三段：
①
加速度不断递增阶段，该段加加速度为J＝max_j；
②
加速度恒定阶段，该段加加速度为J＝0；
③
加速度不断递减阶段，该段加加速度为J＝min_j；当评价指标A_max小于最大加速度max_a，加速过程存在两段：
①
加速度不断递增阶段，该段加加速度为J＝max_j；
②
加速度不断递减阶段，该段加加速度为J＝min_j；评价指标最大加速度A_max的计算公式为：当D_v>0时当D_v<0时 (1)式中D_v为速度的变化；根据上述加减速过程，对速度过程进行积分运算，得到满足起始终点速度与加速度要求时的最小移动距离S_min：S_min＝∫V(t)dt
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(2)式中t为时间变量，V(t)为速度曲线；根据位移的不同，整体加速过程可以分为加速过程与减速过程或者加速过程、匀速过
程与减速过程；确定分段数，则需要判断是否存在以最大速度进行匀速运行的情况，判断的依据为：移动的距离(即：移动的距离是否能够长，从而使得该段存在以最大允许速度运行情况)；存在是否需要以最大速度进行运动的情况为，最大速度是否达到最大约束速度；则达到最大约束速度时所移动的距离为是否存在最大允许速度运行的判断标准；相应最大移动距离S_uni判断标准为：式中：t_S_vel为起始点位置时刻，t_max_v为达到最大约束速度max_v的时刻，t_E_vel为终点位置时刻。如果整体移动距离S＝E_pos
‑
S_pos大于S_min小于S_uni时，整体的加减速过程分为加速过程与减速两段，无匀速过程；在加速过程与减速过程，分别根据速度的变化，再按照公式(1)分别分为两段或者三段；采用基于二分法的迭代求解方法求取V_max；针对一段确定的加减速过程，S_pos，S_vel，S_acc，E_pos，E_vel均已知，且整体移动距离S_min<＝S<＝S_uni；假设V_max为未知变量，则整体加减速过程可以分为从S_vel到V_max的加速过程以及从V_max到E_vel的减速过程，具体进一步分段数按照公式(1)进行计算；则两段的距离可以计算得出：式中：t_S_vel为起始点位置时刻，t_V_max为达到最大速度V_max的时刻，t_E_vel为终点位置时刻。如果S＝S0，则相应V_max为待求的该段最大速度值；V_max的变量范围为max(S_vel,E_vel)<＝V_max<＝max_v；则采用基于二分法的迭代求解方法可以很快求得满足该段加减速过程的V_max；整体加减速过程可按照加加速度的不同值进行分段，段内其他运动学参数可按照公式(2)计算得出；而整体加减速过程的分段数，则与初始和终点要求的运动学参数有关；以加速过程为例，设置速度变化为D_v＝E_vel
‑
S_vel与移动距离S＝E_pos
‑
S_pos，并根据公式(1)计算得到评价指标最大加速度A_max，且经公式(2)得到最小移动距离S_min；根据数值积分，当加加速度确定后，该段的其他运动学参数，通过数值积分得到，计算公式如下：A(t)＝A0+∫J(t)dtV(t)＝V0+A0*t+∫∫J(t)dtS(t)＝S0+V0*t+0.5*A0*t2+∫∫∫J(t)dt
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(5)式中S、V、A与J分别为位移、速度、加速度以及加加速度函数；S0、V0与A0分别为该段位移、速度与加速度初值。3.根据权利要求2所述的一种考虑插补周期离散误差的单轴高阶约束加减速控制方法，其特征在于：所述加速过程所能分段的类型如下：
①
当S＝S_min，A_max<＝max_a时，只有一段加减速过程；根据加加速度不同，整体加速过程分为两段；根据给定的运动学参数以及运动学约束值，计算得到各段的运行时间依次
为：T1与T2时间为根据加减速过程中加加速度与加速度变化的关系计算得出；
②
当S＝S_min，A_max>max_a时，只有一段加减速过程；根据加加速度不同，整体加速过程分为三段；根据给定的运动学参数以及运动学约束值，计算得到各段的运行时间依次为：T1与T3为根据加减速过程中加加速度与加速度变化的关系计算得出，T2为根据整体速度变化过程与恒定加速度关系计算得出；
③
当S_min<S<＝S_uni时，整体加速过程分为两段，根据公式(4)，采用迭代方法求得最大速度；则整体加速过程分为从S_vel到V_max的加速过程以及从V_max到E_vel的减速过程；设第一段加速过程的速度变化为D_v1＝V_max
‑
S_vel，并由公式(1)计算出相应加速度判别式为A_max1；第二段加速过程的速度变化为D_v2＝E_vel
‑
V_max，并由公式(1)计算出相应加速度判别式为A_max2；
④
当S>S_uni时，整体加速过程分为三段，则整体加速过程分为从S_vel到max_v的加速过程，以max_v进行匀速运动，以及从max_v到E_vel的减速过程；设第一段加速过程的速度变化为D_v1＝max_v
‑
S_vel，并由公式(1)计算出相应加速度判别式为A_max1；第三段...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢磊，蒋生成，孙立宁，
申请(专利权)人：博能传动苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：