一种基于FOC和MPC算法的触控手套力传感方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FOC和MPC算法的触控手套力传感方法，其特征在于该触控手套力传感方法由FOC算法具有的电流MPC计算模块，反Park变换模块，Clark变换模块，Park变换模块，SVPWM生成模块以及扩展卡尔曼滤波组成，通过算法模块的SPI接口接收不同物体输入到MCU的力传感数据并进行参数配置，实现对单指触控手套手指处的力传感，将算法集成为FOC力传感控制芯片安装在触控指套上，为触控指套手指处的力传感提供精确的电机控制。本发明专利技术与现有技术相比具有结构简单，控制更加精准，提高了FOC算法的动态响应和参数鲁棒性，是一种理想的VR触控手套需要的力传感方法。控手套需要的力传感方法。控手套需要的力传感方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FOC和MPC算法的触控手套力传感方法


[0001]本专利技术涉及虚拟现实技术应用
，具体地的说是一种基于FOC和MPC算法的触控手套力传感方法。

技术介绍

[0002]VR技术的核心用户体验由三部分组成：沉浸感、流畅度、可交互度，为了提高VR技术的用户体验，诞生了许多交互设备，其中触控手套就是一种使人类能够连接虚拟世界与现实世界的设备，使人类在现实世界中感受虚拟世界中物体的握感。当用户在VR中触摸虚拟物体时，触控手套会追踪用户的移动并以相反的方向反馈用户，仿佛触摸真实物理对象被弹回来一样，这时用于触控手套的力传感方法是否能够快速精准的实现力传感反馈就显得尤为重要。现有的用于触控手套的力传感方法大多采用的是传统FOC算法，大多在传统FOC控制算法中都是采用PID感应电机电流调节器的方法实现电流环控制，采用扩展卡尔曼滤波模块进行角度环和速度环控制，并且在算法的Verilog实现部分采用的是查表法或调用ROM IP核来实现正弦余弦的计算。
[0003]现有技术的力传感方法在控制精准、快速方面皆有欠缺，不仅稳定性不高，易受环境影响，制作成本较高并且不利于集成为FOC算法芯片。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于FOC和MPC算法的触控手套力传感方法，采用烧录FOC和MPC控制算法的FPGA芯片，将其安装在触控手套上与MCU单片机、电机，以及虚拟世界中的上位机，共同构成基于FOC和MPC算法的触控手套系统，测试算法时候，将电机放置在手背的手指处，通过传动杆与链接线，对手指进行力传感的反馈，算法模块通过SPI接口接收MCU从上位机获得的拟世界中不同物体的不同的力传感反馈数据并进行参数配置，FOC和MPC算法通过输出三相PWM波来控制电机，实现对手指处力传感反馈的精确控制，算法将接收MCU发来的力传感反馈数据经过MPC感应电机电流调节器、反Park变换、SVPWM、Clark变换和Park变换，最后将生成的电流向量用作FOC和MPC算法的电流环反馈输入MPC模块，完成电流环的闭环计算，扩展卡尔曼滤波模块用于接收电机当前的角度和速度，计算后将输出的结果输入MPC算法模块完成角度环和速度环的闭环计算，该方法控制准确、快速、稳定，提高了FOC算法的动态响应和参数鲁棒性，易于烧录在在FPGA芯片或集成为FOC和MPC控制芯片，安装到触控手套上使之重量轻、制作成本低、结构简单，使用者在现实世界中能够更加快速、准确、真实的感受到虚拟世界中物体的触感，算法能够更及时的提供反馈信息，用户则可以在虚拟世界中收获沉浸式体验，有效减小虚拟世界与现实世界中的感知差距，是一种理想的用于VR虚拟设备的力传感方法，具有很好的应用前景和开发市场。
[0005]实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种基于FOC和MPC算法的触控手套力传感方法，其特点是首先构建触控单指套模型；然后构建FOC和MPC控制算法模型，包括：电流MPC计
算模块、反Park变换模块、Clark变换模块、Park变换模块、SVPWM生成模块以及扩展卡尔曼滤波模块；最后将FOC和MPC控制算法模型用于单指触控手套的力传感模块验证算法的准确性，确保此算法可以扩展至完整的触控手套上。
[0006]所述触控单指套模型由传动杆、转轴、链接绳、电机、MCU单片机和烧录FOC和MPC算法的FPGA芯片(或集成FOC和MPC算法的FPGA芯片)组成，上位机采集的力反馈数据输入MCU单片机，FPGA芯片中的FOC和MPC算法模块通过SPI接口接收MCU单片机传递的参数并进行参数配置；FPGA芯片将输入的电机参数通过FOC和MPC算法输出PWM波，通过三相全桥电路和信号线控制电机的运转，通过传动杆与线绳，实现对触控单指套上的手指处力传感反馈的精确控制，使用单指触控手套的用户可以明显感受到虚拟到现实的力的传感；
[0007]所述上位机装有VR软件，用于将现实中采集的虚拟世界中的物体的力传感数据与虚拟世界中的物体的力传感数据相对应，并将虚拟世界中物体的力传感参数传至MCU单片机。
[0008]所述烧录或集成FOC和MPC算法的FPGA芯片中的FOC和MPC算法通过SPI接口从MCU单片机接收数据，FOC和MPC算法需要配置电机角度、电阻和电感、电机的磁通量等参数，在使用的电机不同时传入不同的参数，同时MCU单片机需要把上位机传输的虚拟世界中物体的参数发送给FPGA芯片，作为FOC和MPC算法所需要的控制量。
[0009]所述烧录或集成FOC和MPC算法的FPGA芯片中的FOC和MPC算法能够进行更快速准确的运算，相比较于常见的传统FOC算法，FOC和MPC算法具有动态响应和参数鲁棒性更高的优点，并且相较于传统的FOC算法，FOC和MPC算法用MPC算法代替传统PID算法实现电流环控制，用扩展卡尔曼滤波模块替代了传统的传感器，用CORDIC算法替代在算法Verilog实现过程中采用的查表法或调用ROM IP的方法，在计算完成后输出三相PWM波来控制电机。
[0010]所述FOC和MPC算法具体包含了MPC算法模块、Park变换模块、反Park变换模块、Clark变换模块、SVPWM生成模块以及扩展卡尔曼滤波模块，FOC和MPC算法主要用于对电机进行像素级的控制，使后期将算法运用于触控手套时能呈现更精确更快速的力反馈。FOC和MPC算法对电机的控制能够使电机以更平稳光滑的方式进行旋转，电机运动的改善使手感更加真实，相较于其他传统的电机控制方法或FOC和PID算法的控制，具有更快的系统动态响应和参数鲁棒性，改善电机旋转卡顿的现象，当虚拟世界物体变化时，力传感也能精准变化，感受更加真实。
[0011]所述FOC和MPC算法中各个模块用于完成无感FOC和MPC算法的闭环计算，其中三个MPC算法模块应用于FOC速度环，位置环和电流环的闭环控制，FOC和MPC算法模块通过SPI接口接收到MCU发来的数据，将电机当前的状态与输入的目标状态通过MPC算法训练迭代修正电机的状态；所述反Park变换模块用于将MPC算法模块输出的基于DQ坐标系的控制电压向量转化到αβ坐标轴方向；所述SVPWM生成模块用于将反Park变换模块生成的在αβ坐标轴方向上的电压向量转化成控制电机的SVPWM波；所述Clark变换模块用于将采样得到的电机运转时的三相电流转化为两相电流；所述Park变换模块用于将Clark变换模块得到的两相电流从αβ坐标轴方向转换到DQ坐标系中，生成的电流向量将用作FOC和MPC算法的电流环反馈输入MPC模块，完成电流环的闭环计算；所述扩展卡尔曼滤波模块用于检测电机当前的角度和速度，将Clark变换模块输出的电流向量作为测量，将用于计算电流环的MPC算法模块生成的电压控制向量作为控制量输入，输出电机的运行速度和电机当前的角度，将输出的结
果输入MPC算法模块用于进行角度环和速度环的闭环计算。
[0012]所述MPC算法具体实现步骤如下：
[0013]步骤一：在转子磁场定向的同步旋转坐标系(d
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种基于FOC和MPC算法的触控手套力传感方法，其特征在于，该方法具体包括下述步骤：步骤一：算法模型的构建构建由电流MPC计算模块、反Park变换模块、Clark变换模块、Park变换模块、SVPWM生成模块以及扩展卡尔曼滤波模块组成的FOC和MPC控制算法模型；步骤二：触控单指套的构建构建由MCU单片机、FPGA芯片、电机，以及设置在指套上的连接绳、传动杆组成的触控单指套用于测试FOC和MPC算法，所述传动杆由两转轴与其连接的三段长度不等的空杆组成；所述转轴为设置在触控单指套关节处的连接轴，使电机带动传动杆运动时，手指可以弯曲，感受到力传感反馈；步骤三：力传感模块的构建将烧录或集成FOC和MPC算法模块的FPGA芯片分别与电机和MCU单片机连接，组成触控单指套的力传感模块，将连接绳一端缠绕在电机的转轴上，另一端连接在传动杆上，所述MCU单片机从虚拟世界接收物体的力传感反馈数据；所述FPGA芯片通过SPI接口将DQ坐标系的电流数据输入FOC和MPC算法模块的前两级MPC计算模块，用于控制速度和角度；所述反Park变换模块将MPC算法输出DQ坐标系的控制电压向量转化到αβ坐标轴方向；所述SVPWM生成模块将反Park变换模块生成αβ坐标轴方向上的控制电压向量转化成控制电机的SVPWM波；所述Clark变换模块将三相电流、和转化为两相电流和；所述Park变换模块将Clark变换模块得到的两相电流从αβ坐标轴方向转换到DQ坐标系中，生成的电流向量用于FOC和MPC算法模块的电流环反馈，输入MPC算法模块中与和比较，进行MPC算法模块的迭代计算，完成电流环的闭环；所述扩展卡尔曼滤波模块将Clark变换模块输出的电流向量用于检测电机当前的角度和速度；将MPC算法模块生成的电压控制向量作为电机的运行速度和角度，将其输入MPC控制算法模块形成角度环和速度环的闭环计算；所述FOC算法模块经电流环、角度环和速度环的优化，将三相PWM波经三相全桥电路的输出驱动电机转动，且由电机通过连接绳带动传动杆，使佩戴者的手指弯曲，感受到力传感反馈，将触控单指套扩展至完整的触控手套，实现基于FOC和MPC算法的触控手套力传感。2.根据权利要求1所述的基于FOC和MPC算法的单指触控手套力传感方法，其特征在于，所述触控单指套由FOC和MPC算法模块通过SPI接口接收MCU单片机传递的参数，基于FOC和MPC算法模块输出三相PWM波控制电机转动，带动连接绳伸缩运动，使传动杆通过转轴弯曲，将力传感反馈到佩戴者...

【专利技术属性】
技术研发人员：田应洪，虞依洋，孙仕亮，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：