CN101849215B - 用于满足运动控制系统中的结束条件的方法和系统 - Google Patents

用于满足运动控制系统中的结束条件的方法和系统 Download PDF

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Abstract

用于满足路径规划的结束条件的系统和方法的一个实施例利用的路径生成器(4)，其在跟踪路径规划中期满的总时间(22)的同时持续生成用于路径规划的命令(21)。路径生成器计算路径规划中剩余的时间，并在剩余时间的长度小于完整采样周期的长度时(23)，用剩余时间替代路径规划中最终采样周期的长度(24)。

Description

用于满足运动控制系统中的结束条件的方法和系统
技术领域
本文所述的主题主要涉及用于满足由运动控制系统的持续时间路径规划方法(更具体地说是路径规划器)确定的结束条件的系统和方法。
背景技术
路径规划器或路径生成器一般包括用于控制电机的运动控制器。采用路径规划的电机能在诸如制造、组装、封装和其它生产能力的各种工业系统中找到。这些电机一般控制诸如钻头或机器人臂的元件的移动。路径生成器确定受控元件的移动。
路径生成器使用各种动力学路径算法以及离散时间控制器。离散时间控制器结合持续时间路径规划算法的使用造成了满足路径规划的结束条件的问题。路径规划由在持续基础上而不是在采样周期内确定的移动来组成。离散时间控制器受限于在预定的采样周期上输出数据。在上述情况中出现的问题的一个示例是确定的移动可以是结束条件，例如在下个采样周期前发生的某个时间点停止的指令。此问题能导致离散时间控制器在下一采样周期前不指示电机停止，从而可能导致沿不那么合乎需要的路径行进，其例如违反移动的约束。
现有路径生成器实现了在减速开始时改变初始条件的补偿方案，使得结束条件将在偶数采样周期上到达，例如，每5毫秒。虽然在计算上合乎需要，但由于它在该点对输出引入不受控制的步长更改，因此，它对于控制器应用是不合乎需要的。这造成了规划的路径中的不连续性。类似地，其它已知时间补偿方案由于计算负载中的显著增加而不合乎需要。
因此，当以离散时间控制器来利用持续时间路径规划时，存在对于更准确的改进的时间补偿方案的需要以满足结束条件。
发明内容
本发明的一个实施例是用于满足实现路径生成器的路径规划的结束条件的系统和方法，所述路径生成器在跟踪对于路径规划期满的总时间的同时持续生成用于路径规划的命令。路径生成器计算路径规划中剩余的时间，并在剩余时间的长度小于完整采样周期的长度时，用剩余时间替代最终采样周期的长度。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的方法来实现路径规划的控制系统的示意图。
图2是由图1的路径规划生成的基本移动类型的七个段的堆叠的图形表示。
图3是加速和速度相对时间接近路径规划的结束的图形表示。
图4是图3的放大视图。
图5是根据本发明的一个实施例的用于路径生成器满足路径规划的结束条件的方法。
具体实施方式
本发明的一个实施例包括用于利用在离散时间控制器中实现的持续路径规划进行路径规划的方法和系统。
现在参照图1，根据本发明的一个实施例，示出用于路径规划的可编程自动化控制器(PAC)类型运动系统1的框图。PAC系统1包括PAC系统类型运动控制器9、PAC系统类型运动模块(PMM)光纤终端块(fiber terminal block)5以及由微处理器子系统3组成的(PMM)主板2。PMM主板进一步包括含有路径生成器4的几个子系统。路径生成器4是在专用于路径规划的微处理器3上运行的固件子系统。支持PMM主板的功能的其它固件子系统包括通信总线6，例如PCI底板，以及其它相关联的硬件支持功能。
PMM光纤终端块5包括现场可编程门阵列(FPGA)子系统，该子系统包括输入/输出模块(I/O模块)7。虽然图1中只示出一个I/O模块，但PAC系统可包括多个I/O模块，例如，用于接口到电机的I/O模块，或用于从装置接收各种状态、警报或输入信号的I/O模块。I/O模块耦合到输入和输出装置。
PAC运动系统还包括PMM伺服控制板8。伺服控制板8可以是运动控制模块(PMM)内被主管的子板。伺服控制板充当用于例如机器人臂的受控元件的运动控制器。
路径生成器4从事路径生成。路径生成是指在初始位置与目标位置之间的命令轨迹的实时推导。根据本发明的一个实施例，路径生成器4定义初始位置与目标位置之间的最小时间路径且不违反用户提供的输入命令值。路径生成器基于指定的运动参数来提供路径剖面。指定的运动参数包括以下命令输入：结束位置、最大速度、最大加速、最大减速及命令的加加速度(jerk)。移动的初始条件由形成初始位置、初始速度、初始加速和初始加加速度已知值的路径生成器的当前状态来定义。
加加速度定义为加速或减速斜率的更改的速率。因此，加加速度是加速的导数，并且是其中要求平滑开始的许多应用中的一个重要变量。加加速度控制对于减少机器磨损也很重要。受到加速、减速和速度约束的用于生成从初始位置到最终位置的恒定加加速度路径的动力学方程是众所周知的。因此，上述已知值与动力学方程一起形成随后能为未知数求解以产生期望轨迹的方程组。
在基于已知/未知变量来执行任何运动之前，能求解相关的动力学方程。此方法虽然在代数学上和在数字上是复杂的，但产生解。在一优选实施例中，微处理器利用恒定加加速度模式来实时计算路径规划。换而言之，加加速度是受控变量，并且加速和速度是最大值。
在本发明的一个实施例中，路径生成器4利用将移动分成两个阶段的两阶段轨迹生成方法。在第一阶段中，通过加速或减速来命令移动以达到恒定速度。在第二阶段中，路径生成器不断监视移动进展以确定必须开始减速以达到目标位置或期望最终条件的点。两阶段轨迹生成在任何运动之前执行。
现在参照图2，它示出使用两阶段方法生成的路径命令相对共同时标上的时间的图形表示。图2还示出其中要求七个段以完成该移动的基本移动。更具体地说，七个段包括第一阶段中的三个段、恒定速度段和第二阶段中的三个段。在图2中，加加速度在每个段中是恒定的。具有恒定速度段的此两阶段的移动由点到点移动产生，其中，所有非受控变量达到最大值。速度、加速和减速全部达到其最大值。表1描述每个段及其独特的方面。
表1：
  段号   描述
  1   恒定加加速度段，利用指定加加速度来控制加速率中的增加。一旦达到最大恒定加速并且加加速度更改为零，或者必需降低加速率以满足期望结束条件，该段便结束。
  2   零加加速度/恒定加速段，其中，恒定加速是提供的最大值。在必需命令恒定加加速度以降低加速来达到用户指定的最大速度或小于移动达到期望结束条件所要求的最大值的值时，该段结束。
  3   恒定负加加速度段，利用指定加加速度来控制加速率中的下降。一旦加速和加加速度为零，并且达到指定的最大恒定速度或满足达到结束条件所必需的峰值速度，该段便结束。
 4   零加加速度、零加速和恒定速度段。在命令负恒定加加速度以减速达到期望位置变得必需时，该段结束。
 5   恒定负加加速度段，利用指定加加速度来控制减速率中的增加。一旦达到恒定减速并且加加速度变为零，或者必需降低减速率以满足期望结束条件，该段便结束。
 6   零加加速度、恒定减速段，其中提供恒定减速。在必需命令加加速度以降低减速率来达到期望结束条件时，该段结束。
 7   恒定加加速度段，利用指定加加速度来控制减速率中的下降。一旦运动达到期望结束条件，该段便结束。
能使用加加速度受控的运动，但不是必需使用。在确定移动的时间时，能使用任何受控运动来利用本发明的方法。理想的路径轨迹已知，并且能位于两个采样周期之间的某处。为了使结束条件得到满足，路径生成器必须对运动控制器补偿路径规划的结束时间与在其上命令移动的采样周期之间的差。
例如，现在参照图3，它示出加速和速度相对时间接近采样路径规划的结束的图形表示。图3中所示的时间值只是用于示例，并且不限制本发明。表示加速相对时间的图示出零加加速度、恒定减速段，其中，大约在141.1与141.4微秒之间提供恒定减速。在必需命令加加速度以降低减速率来达到期望结束条件时，该段结束。恒定加加速度段示为在141.4微秒后开始，利用指定加加速度来控制减速率中的下降10。一旦运动达到期望结束条件，该段便结束。Tf表示对于路径规划的采样周期上的结束点。此外，表示速度相对时间的图示出运动的速度在接近路径规划15的结束时逼近每秒零米。在此示例中，最终结束条件要求运动在141.4与141.5微秒之间停止。表示位置相对时间的图示出在停止点受控元件的位置。
现在参照图4，它示出图3的图形表示的放大视图。在图4中所示的时间值只是用于示例，并且不限制本发明。图4示出在采样周期之间达到其停止点的移动。虽然使用了一微秒的采样周期，但也可使用其它采样时间。图35示出一旦运动在141.492与接近141.492的141.493微秒之间达到期望结束条件，则加速接近0m/s2。Tr表示路径规划中的剩余时间，而tf表示对于路径规划的采样周期上的结束点。此外，表示速度相对时间的图示出运动的速度在接近路径规划30的结束时逼近0m/s。表示位置相对时间的图示出在停止点26受控元件的位置。
现在参照图5，它示出用于路径生成器满足从包括上述算法的任何持续路径规划算法推导的路径规划的结束条件的方法20。路径生成器实时计算路径将达到结束条件的期望时间。路径生成器不受离散时间控制器的离散采样周期(其用于调节何时将命令输出到受控元件的时序)的约束。路径生成器生成用于路径的移动命令，并且离散时间控制器输出命令(21)。路径生成器记住路径规划中经过的总时间(22)，并计算路径规划中的剩余时间。如果剩余时间小于完整的采样周期(23)，则路径生成器将在路径规划算法中用剩余时间的长度来替代完整采样周期的长度(24)。通过将剩余时间视为最终采样周期而计算结束值，以便离散时间控制器将用于结束条件的命令输出到受控元件，路径生成器满足路径规划的结束条件(25)。此外，对照移动的最终结束条件来检查所述方法计算的结束值。检查核实移动成功地完成，并且有关结束条件的所有计算是正确的。
如本文所述的和附图中所示的用于满足运动控制系统中的结束条件的方法和系统只是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了本发明的几个实施例，但阅读此公开的本领域的技术人员将容易理解，在实质上不脱离随附权利要求中记载的主题的新颖教导和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、定向等方面的变化)。因此，所有此类修改旨在包括在如随附权利要求中定义的本发明的范围内。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据备选实施例来变化或重新排序。在权利要求中，任何部件加功能条款旨在涵盖在本文中描述为执行所记载功能的结构，并且不但涵盖结构等效物，而且涵盖等效结构。在不脱离如随附权利要求中所表达的本发明的实施例的精神的情况下，可在优选和其它示范实施例的设计、操作条件和布置中进行其它替代、修改、更改和省略。因此，本发明的技术范围不但涵盖上述的那些实施例，而且涵盖落在随附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (7)

1.一种用于满足路径规划的结束条件的方法，所述方法利用路径生成器，所述方法包括：
从所述路径生成器输出用于有关路径规划的移动的控制命令；
计算对于完成有关所述路径规划的所述移动的剩余时间；
确定剩余时间是否小于用于调节何时将所述命令输出到受控元件的时序的采样周期的长度；
在剩余时间小于所述采样周期时，用所述剩余时间替代所述采样周期的长度；以及在剩余时间小于所述采样周期时，通过用所述剩余时间替代所述采样周期的长度来计算结束值。
2.一种用于满足路径规划的结束条件的方法，所述方法利用路径生成器，所述方法包括：
从所述路径生成器输出用于有关路径规划的移动的控制命令；
计算对于完成有关所述路径规划的所述移动的剩余时间；
确定剩余时间是否小于用于调节何时将所述命令输出到受控元件的时序的采样周期的长度；
在剩余时间小于所述采样周期时，通过用所述剩余时间替代所述采样周期的长度来计算结束值；以及
对照所述移动的最终结束条件来检查所述结束值。
3.一种用于满足路径规划的结束条件的系统，包括：
路径生成器，用于生成用于路径规划的命令；
计算对于完成有关所述路径规划的移动的剩余时间；
确定剩余时间是否小于用于调节何时将所述命令输出到受控元件的时序的采样周期的长度；
在剩余时间小于所述采样周期时，用所述剩余时间替代所述采样周期的长度；以及在剩余时间小于所述采样周期时，通过用所述剩余时间替代所述采样周期的长度来计算结束值。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述路径生成器是微处理器的固件子系统；以及所述路径生成器子系统专用于路径规划。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述系统是用于满足路径规划的结束条件的自动化控制器，包括：
光纤终端块，包括现场可编程门阵列子系统；
至少一个输入/输出模块；
伺服控制器；以及
路径生成器。
6.一种用于满足路径规划的结束条件的系统，包括：
路径生成器，用于生成用于路径规划的命令；
计算对于完成有关所述路径规划的移动的剩余时间；
确定剩余时间是否小于用于调节何时将所述命令输出到受控元件的时序的采样周期的长度；
在剩余时间小于所述采样周期时，通过用所述剩余时间替代所述采样周期的长度来计算结束值；以及
对照所述移动的最终结束条件来检查所述结束值。
7.一种用于满足路径规划的结束条件的微处理器，包括：
路径生成器，用于生成用于路径规划的命令，配置成计算对于完成有关所述路径规划的移动的剩余时间；
确定剩余时间是否小于用于调节何时将所述命令输出到受控元件的时序的采样周期的长度；
在剩余时间小于所述采样周期时，用所述剩余时间替代所述采样周期的长度；以及
在剩余时间小于所述采样周期时，通过用所述剩余时间替代所述采样周期的长度来计算结束值。
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