CN102298395B - 一种跟踪控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种跟踪控制方法，其中包括步骤：S10、采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；S20、根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；S30、将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。本发明还涉及一种跟踪控制系统。本发明的跟踪控制方法和系统通过软硬件的改进提高了6自由度平台的控制精度，避免了现有的6自由度平台使用时控制精度低导致平台动作僵硬影响拍摄的特效效果的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及运动控制领域，更具体地说，涉及一种用于6自由度平台的跟踪控制方法和系统。
背景技术
在主题公园影视摄影项目中，一般会使用各种平台进行各种特效的拍摄，其中6自由度平台由于其灵活性和可操作性强，可以拍摄出各个角度的画面，以达到较好的特效拍摄效果。但现有的6自由度平台经过模拟数字信号转换后精度可能下降，导致平台的运动曲线不平滑，使得平台使用时动作僵硬，影响拍摄时的特效效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有的6自由度平台使用时控制精度低导致平台动作僵硬影响拍摄的特效效果的缺陷，提供一种通过软硬件的改进提高了6自由度平台的控制精度的跟踪控制方法和系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种跟踪控制方法，其中包括步骤：S10、采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；S20、根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；S30、将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。
在本发明所述的跟踪控制方法中，所述步骤S20为：当根据所述模拟信号计算出的平台速度大于所述设定的平台最大速度时，使用所述设定的平台最大速度代替所述平台速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度大于所述设定的平台最大加速度时，使用所述设定的平台最大加速度代替所述平台加速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度的变化率大于所述设定的平台加速度的最大变化率时，使用所述设定的平台加速度的最大变化率代替所述平台加速度的变化率。
在本发明所述的跟踪控制方法中，所述跟踪控制方法还包括：S21、采集所述6自由度平台的位移反馈信号；所述步骤S30为：根据所述位移反馈信号将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。
在本发明所述的跟踪控制方法中，所述跟踪控制方法还包括：S11、对所述模拟信号进行硬件滤波处理和软件滤波处理。
在本发明所述的跟踪控制方法中，所述跟踪控制方法还包括：S31：对所述控制信号进行滤波和输出限位处理。
本发明还涉及一种跟踪控制系统，其中包括输入采集模块：用于采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；曲线预处理模块：用于根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；以及输出模块：用于将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。
在本发明所述的跟踪控制系统中，所述曲线预处理模块进一步用于当根据所述模拟信号计算出的平台速度大于所述设定的平台最大速度时，使用所述设定的平台最大速度代替所述平台速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度大于所述设定的平台最大加速度时，使用所述设定的平台最大加速度代替所述平台加速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度的变化率大于所述设定的平台加速度的最大变化率时，使用所述设定的平台加速度的最大变化率代替所述平台加速度的变化率。
在本发明所述的跟踪控制系统中，所述跟踪控制系统还包括：反馈采集模块：用于采集所述6自由度平台的位移反馈信号；所述输出模块进一步用于根据所述位移反馈信号将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。
在本发明所述的跟踪控制系统中，所述跟踪控制系统还包括：滤波模块：用于对所述模拟信号进行硬件滤波处理和软件滤波处理。
在本发明所述的跟踪控制系统中，所述跟踪控制系统还包括：输出处理模块：用于对所述控制信号进行滤波和输出限位处理。
实施本发明的跟踪控制方法和系统，具有以下有益效果：通过软硬件的改进提高了6自由度平台的控制精度，避免了现有的6自由度平台使用时控制精度低导致平台动作僵硬影响拍摄的特效效果的缺陷。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的跟踪控制方法的第一优选实施例的流程图；
图2是本发明的跟踪控制方法的第二优选实施例的流程图；
图3是本发明的跟踪控制方法的第三优选实施例的流程图；
图4是本发明的跟踪控制方法的第四优选实施例的流程图；
图5是本发明的跟踪控制系统的第一优选实施例的结构示意图；
图6是本发明的跟踪控制系统的第二优选实施例的结构示意图；
图7是本发明的跟踪控制系统的第三优选实施例的结构示意图；
图8是本发明的跟踪控制系统的第四优选实施例的结构示意图；
图9是本发明的跟踪控制系统的优选实施例的具体结构示意图；
图10是本发明的跟踪控制系统的优选实施例的输出处理模块的具体结构示意图；
图11是本发明的跟踪控制系统的优选实施例的反馈采集模块的具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在图1所示的本发明的跟踪控制方法的第一优选实施例的流程图中，所述跟踪控制方法开始于步骤100，随后执行：
步骤101，采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；
步骤102，根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；
步骤103，将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台；
最后方法结束于步骤104。
本发明的跟踪控制方法加入了动作曲线预处理功能，在采集到手控模拟器的运动轨迹的模拟信号后，根据模拟信号的曲线点计算得到6自由度平台运动的速度、加速度以及加速度的最大变化率。当根据模拟信号计算出的平台速度大于设定的平台最大速度时，使用设定的平台最大速度代替平台速度；当根据模拟信号计算出的平台加速度大于设定的平台最大加速度时，使用设定的平台最大加速度代替平台加速度；当根据模拟信号计算出的平台加速度的变化率大于设定的平台加速度的最大变化率时，使用设定的平台加速度的最大变化率代替平台加速度的变化率。然后使用这些处理后的数值反算得到的位移值代替原来曲线位移数据。这样处理后的6自由度平台的动作曲线具有三阶平滑效果，使得平台速度不会超过设定的平台最大速度，平台加速度不会超过设定的平台最大加速度，平台加速度的变化率不会超过设定的平台加速度的最大加速度变化率。本发明的跟踪控制方法通过软硬件的改进提高了6自由度平台的控制精度，避免了现有的6自由度平台使用时控制精度低导致平台动作僵硬影响拍摄的特效效果的缺陷。
在图2所示的本发明的跟踪控制方法的第二优选实施例的流程图中，所述跟踪控制方法开始于步骤200，随后执行：
步骤201，采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；
步骤202，根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；
步骤203，采集所述6自由度平台的位移反馈信号；
步骤204，根据所述位移反馈信号将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台；
最后方法结束于步骤205。
如图11所示，即说明了本发明的跟踪控制方法中的位移反馈信号的产生。
反馈信号采集卡中内建有4096字的FIFO(First Input First Output：先入先出队列)，当反馈信号采集卡启动采集时，反馈信号采集卡通过A/D转换将所采到的数据放下到FIFO中，当采到数据为FIFO一半时(2048)，反馈信号采集卡通过事件通知主程序数据已采集到一半，主程序复制数据到内存中，然后对数据进行排序取中间32个通道的数据作为本次采集到的数据；通过相应换算方法得到真实位移值，判断是否超过末端保护，程序其他模块定时读取采集到的数据。反馈信号采集卡采用FIFO执行采集指令，反馈信号采集卡采满一半后，通知计算机读走数据，这时反馈信号采集卡可以继续工作，数据存放在后半部分，同时电脑处理前半部分的数据，可以调高数据采集的连续型和实时性。然后对采集的数据进行排序取中间值，更好的实现数据的采样，去除一些干扰值(较大的数值和较小的数值)，使得得到的位移值更加的准确，本发明通过检测油缸末端的位置来实现保护位置的判断，同时将检测结果发送给其他需要的模块。
在图3所示的本发明的跟踪控制方法的第三优选实施例的流程图中，所述跟踪控制方法开始于步骤300，随后执行：
步骤301，采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；
步骤302，对所述模拟信号进行硬件滤波处理和软件滤波处理；
步骤303，根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；
步骤304，采集所述6自由度平台的位移反馈信号；
最后方法结束于步骤305。
为了解决现场有可能存在的信号干扰问题，本方法还对模拟信号进行了硬件滤波处理和软件滤波处理。硬件滤波采用的是RC电路滤波方法(即在采集通道串联一个RC电路，过滤掉高频噪声)；软件滤波采用的是递推平均滤波方法，通过以下步骤实现：把连续N个采样值组成一个队列，队列长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来的队首的一次数据(先进先出原则)，把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可得到新的滤波结果，N值的选取：对于流量，N＝12；对于压力，N＝4；对于温度，N＝1-4；该滤波方法使得处理后的模拟信号去除了部分的干扰信号，处理后的信号平滑度高。
在图4所示的本发明的跟踪控制方法的第四优选实施例的流程图中，所述跟踪控制方法开始于步骤400，随后执行：
步骤401，采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；
步骤402，对所述模拟信号进行硬件滤波处理和软件滤波处理；
步骤403，根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；
步骤404，对所述控制信号进行滤波和输出限位处理；
最后方法结束于步骤405。
如图10所示，即说明了本发明的跟踪控制方法中的输出处理的流程。
本发明方法中的控制信号输出是在计算机Windows平台上用C++实现的，采用的是闭环控制，根据油缸的位移反馈和动作曲线，用比例积分微分算法产生相应的控制量，控制油缸的运行。为了满足6自由度平台动作的安全性和平稳性的要求，同时在输出环节中加入输出滤波、加速度约束、输出限位以及油缸末端软保护。输出限位以及油缸末端软保护实现原理如下：假定油缸全程为L，最大值为Lmax，最小值为Lmin，为了避免油缸上升或下降时由于来不及减速运行到最大值Lmax或最小Lmin处对硬件产生冲击，在程序中我们设定两个点极值点L1和L2，当油缸上升到L1处或下降到L2处时进行提前减速，确保油缸不会运行到最大及最小值处，L1及L2可以根据实验测得，一般为全程的十分之一。这样通过输出滤波和加速度约束保证了6自由度平台动作的平稳性的同时，还通过输出限位以及油缸末端软保护保证了6自由度平台动作的安全性。
本发明还涉及一种跟踪控制系统，在图5所示的本发明的跟踪控制系统的第一优选实施例的结构示意图中，所述跟踪控制系统包括输入采集模块1、曲线预处理模块2以及输出模块3，输入采集模块1用于采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；曲线预处理模块2用于根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；，输出模块3用于将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。
本发明的跟踪控制系统加入了曲线预处理模块2，在输入采集模块1采集到手控模拟器的运动轨迹的模拟信号后，曲线预处理模块2根据模拟信号的曲线点计算得到6自由度平台运动的速度、加速度以及加速度的最大变化率。当根据模拟信号计算出的平台速度大于设定的平台最大速度时，使用设定的平台最大速度代替平台速度；当根据模拟信号计算出的平台加速度大于设定的平台最大加速度时，使用设定的平台最大加速度代替平台加速度；当根据模拟信号计算出的平台加速度的变化率大于设定的平台加速度的最大变化率时，使用设定的平台加速度的最大变化率代替平台加速度的变化率。然后输出模块3使用这些处理后的数值反算得到的位移值代替原来曲线位移数据。这样处理后的6自由度平台的动作曲线具有三阶平滑效果，使得平台速度不会超过设定的平台最大速度，平台加速度不会超过设定的平台最大加速度，平台加速度的变化率不会超过设定的平台加速度的最大加速度变化率。本发明的跟踪控制系统通过软硬件的改进提高了6自由度平台的控制精度，避免了现有的6自由度平台使用时控制精度低导致平台动作僵硬影响拍摄的特效效果的缺陷。
在图6所示的本发明的跟踪控制系统的第二优选实施例的结构示意图中，跟踪控制系统还包括反馈采集模块4，反馈采集模块4用于采集所述6自由度平台的位移反馈信号；输出模块3进一步用于根据位移反馈信号将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。其中反馈采集模块4的位移反馈信号的产生和有益效果请参见上述的反馈信号采集卡具体实施例。
在图7所示的本发明的跟踪控制系统的第三优选实施例的结构示意图中，所述跟踪控制系统还包括滤波模块5，滤波模块5用于对所述模拟信号进行硬件滤波处理和软件滤波处理。为了解决现场有可能存在的信号干扰问题，本系统还使用滤波模块5对模拟信号进行了硬件滤波处理和软件滤波处理。硬件滤波采用的是RC电路滤波方法(即在采集通道串联一个RC电路，过滤掉高频噪声)；软件滤波采用的是递推平均滤波方法，通过以下步骤实现：把连续N个采样值组成一个队列，队列长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来的队首的一次数据(先进先出原则)，把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可得到新的滤波结果，N值的选取：对于流量，N＝12；对于压力，N＝4；对于温度，N＝1-4；该滤波方法使得处理后的模拟信号去除了部分的干扰信号，处理后的信号平滑度高。
在图8所示的本发明的跟踪控制系统的第四优选实施例的结构示意图中，所述跟踪控制系统还包括输出处理模块6，输出处理模块6用于对所述控制信号进行滤波和输出限位处理。本发明系统中的控制信号输出是在计算机Windows平台上用C++实现的，采用的是闭环控制，根据油缸的位移反馈和动作曲线，用比例积分微分算法产生相应的控制量，控制油缸的运行。为了满足6自由度平台动作的安全性和平稳性的要求，通过输出处理模块6同时在输出环节中加入输出滤波、加速度约束、输出限位以及油缸末端软保护。输出限位以及油缸末端软保护实现原理如下：假定油缸全程为L，最大值为Lmax，最小值为Lmin，为了避免油缸上升或下降时由于来不及减速运行到最大值Lmax或最小Lmin处对硬件产生冲机，在程序中我们设定两个点极值点L1、L2，当油缸上升到L1处或下降到L2处时进行提前减速，确保油缸不会运行到最大及最小值处，L1及L2可以根据实验测得，一般为全程的十分之一。这样通过输出滤波和加速度约束保证了6自由度平台动作的平稳性的同时，还通过输出限位以及油缸末端软保护保证了6自由度平台动作的安全性。
下面通过图9所示的本发明的跟踪控制系统的优选实施例的具体结构示意图说明本发明的跟踪控制系统具体原理。
本发明的跟踪控制系统包括手控模拟器、1713A/D采集卡(输入采集模块1和反馈采集模块4)、1724D/A采集卡(输出模块3)、工控机(曲线预处理模块2)以及相应的受控的6自由度平台。使用时，手控模拟器产生用于控制6自由度平台的运动轨迹曲线。1713A/D采集卡采集手控模拟器的运动轨迹，并传给工控机处理。工控机为运行跟踪控制的核心软件，将采集的曲线进行曲线预处理后转换为控制信号。1724D/A采集卡通过工控机输出的控制信号来控制6自由度平台的运动。6自由度平台按采集到的轨迹同步运行。同时通过1713A/D采集卡采集6自由平台的运行位置供工控机调节6自由度平台的运行速度及位置，实现同步跟踪控制。其中1713A/D采集卡的数据精度为10*1000/4096＝2mV，采样频率高达100K。1724D/A采集卡的数据精度为20*1000/16384＝1.2mV。因此本发明的跟踪控制系统通过软硬件的改进提高了6自由度平台的控制精度，避免了现有的6自由度平台使用时控制精度低导致平台动作僵硬影响拍摄的特效效果的缺陷。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种跟踪控制方法，其特征在于，包括步骤：
S10、采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；
S20、根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；
S30、将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台；
所述步骤S20为：当根据所述模拟信号计算出的平台速度大于所述设定的平台最大速度时，使用所述设定的平台最大速度代替所述平台速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度大于所述设定的平台最大加速度时，使用所述设定的平台最大加速度代替所述平台加速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度的变化率大于所述设定的平台加速度的最大变化率时，使用所述设定的平台加速度的最大变化率代替所述平台加速度的变化率。
2.根据权利要求1所述的跟踪控制方法，其特征在于，所述跟踪控制方法还包括：
S21、采集所述6自由度平台的位移反馈信号；
所述步骤S30为：根据所述位移反馈信号将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。
3.根据权利要求1所述的跟踪控制方法，其特征在于，所述跟踪控制方法还包括：
S11、对所述模拟信号进行硬件滤波处理和软件滤波处理。
4.根据权利要求1所述的跟踪控制方法，其特征在于，所述跟踪控制方法还包括：
S31：对所述控制信号进行滤波和输出限位处理。
5.一种跟踪控制系统，其特征在于，包括：
输入采集模块（1）：用于采集手控模拟器的运动轨迹的模拟信号；
曲线预处理模块（2）：用于根据设定的平台最大速度、平台最大加速度以及平台加速度的最大变化率对所述模拟信号进行曲线预处理；以及
输出模块（3）：用于将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台；
所述曲线预处理模块（2）进一步用于当根据所述模拟信号计算出的平台速度大于所述设定的平台最大速度时，使用所述设定的平台最大速度代替所述平台速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度大于所述设定的平台最大加速度时，使用所述设定的平台最大加速度代替所述平台加速度；当根据所述模拟信号计算出的平台加速度的变化率大于所述设定的平台加速度的最大变化率时，使用所述设定的平台加速度的最大变化率代替所述平台加速度的变化率。
6.根据权利要求5所述的跟踪控制系统，其特征在于，所述跟踪控制系统还包括：
反馈采集模块（4）：用于采集所述6自由度平台的位移反馈信号；
所述输出模块（3）进一步用于根据所述位移反馈信号将预处理后的模拟信号转化为控制信号用于控制6自由度平台。
7.根据权利要求5所述的跟踪控制系统，其特征在于，所述跟踪控制系统还包括：
滤波模块（5）：用于对所述模拟信号进行硬件滤波处理和软件滤波处理。
8.根据权利要求5所述的跟踪控制系统，其特征在于，所述跟踪控制系统还包括：
输出处理模块（6）：用于对所述控制信号进行滤波和输出限位处理。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 518057, 14 floor, Huaqiang hi tech development building, Nanshan District science and technology, Shenzhen, Guangdong Patentee after: Huaqiang infante (Shenzhen) Film Co. Ltd. Address before: 518057, 14 floor, Huaqiang hi tech development building, Nanshan District science and technology, Shenzhen, Guangdong Patentee before: Shenzhen Hyvision Digital Film Inc. |