CN102385385B - 一种多自由度轨道小车的速度控制跟踪方法和系统 - Google Patents
一种多自由度轨道小车的速度控制跟踪方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于机动游乐设施领域，提供了一种多自由度轨道小车的速度控制跟踪系统和方法，包括将运行轨迹技术参数文挡生成为PLC所能识别的技术参数，并保存在PLC存储单元内，通过PLC内部的CPU编制小车运行时行走距离、旋转角度和倾斜角度的PLC算法程序，小车启动后，PLC根据传感器检测轨道位置信号，执行不同的算法程序，并根据存储单元内保存的预定运行轨迹目标参数，实时计算出小车运行时实际运行参数与目标参数之间的差值，按比例输出电压值给小车伺服输出控制单元，控制小车马达速度来实现小车快速跟踪，达到理想运动轨迹。
Description
技术领域
本发明属于机动游乐设施领域，尤其涉及一种多自由度轨道小车的速度控制跟踪系统和方法。
背景技术
在游乐场所，当游客乘小车观看影片时或做特技动作时，游客可以将根据影片场景或特技情节做各种仿真动作，而做各种动作的准确实时性，将使游客身心与视觉感受同步，使其达到身临其景的感受。
轨道小车利用轨道设定好小车的行驶路线，使小车在轨道上可多自由度的行驶，通过PLC可编程逻辑控制器来控制小车的运行，PLC是一种数字运算操作的电子系统，它采用可编程程序的储存器用来在其内部存储执行逻辑运算，控制，计数和算术运算等操作命令，并通过输入输出接口，控制外围设备的运行和操作。目前轨道小车控制系统一般是通过上位机（后台主机）与PLC可编程逻辑控制器进行连接，系统控制软件都是由上位机生成角本文件，通过与 PLC 通迅从而实现对小车运动控制 ，由于系统控制需要通过PLC调用后台上位机的控制软件，PLC执行上位机发出的控制指令来控制小车的运行，这样使其通迅时间延迟较长，故无法真正实现对小车快速跟踪控制。
所以现有技术存在不足，需要改进和提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多自由度轨道小车的速度控制跟踪方法和系统，针对现有技术的控制缺陷，实现与小车通讯无延迟，快速跟踪控制的目的。
本发明是这样实现的，一种多自由度轨道小车速度控制跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、预先设定运行轨迹目标参数，将所述运行轨迹目标参数并保存在可编程控制器的存储单元内；
B、编制所述可编程控制器的算法程序；
C、小车启动时，所述可编程控制器采集由输入检测单元送来的状态或数据信号，所述可编程控制器根据所述预定运行轨迹目标参数，实时计算出所述小车运行时实际运行参数与所述目标参数之间差值；
D、根据所述差值，按比例输出电压值给所述小车伺服输出控制单元，控制所述小车马达速度来实现小车快速跟踪。
其中，所述步骤A具体处理为：生成一个运行轨迹技术参数文挡，所述文档时间以秒为单位，并列出每一秒所述小车的行走距离，旋转角度和倾斜角度的运行轨迹目标参数，根据所述技术参数文档，生成所述可编程控制器可识别的技术参数，并保存在 所述存储单元内。
其中，所述可编程控制器的算法程序包括小车运行时行走距离算法程序、旋转角度算法程序和倾斜角度算法程序。
其中，所述算法程序或直接写入可编程控制器内或由上位机编制后一次性写入至所述可编程控制器的存储单元内。
其中，所述小车运行时行走距离算法程序具体包括如下步骤：
S21、设定所述可编程控制器每 1秒钟读取所述存储单元内数据区中下一步运行距离和运行时间参数；
S22、检测所述小车在行走过程中的实际运行时间和实际运行距离；
S23、根据如下公式（a）：
V =（Sn-Snx）/(Tn-Tnx） （a）
公式（a）中：Sn为下一步距离参数，Tn为下一步时间参数
Snx为实际运行距离，Tnx为实际运行时间
S24、所述可编程控制器计算出所述小车将要的运行速度V。
其中，所述实际运行距离Snx通过如下公式（b）计算得到：
Snx = n×A （b）
公式（b）中：n为所述小车行走的横梁数， A为相邻两个横梁间的间距。
其中，所述小车运行时旋转角度算法程序算法程序具体包括如下步骤：
S211、所述可编程控制器预先设定每 1秒读取所述存储单元内数据区中下一步旋转角度和时间参数；
S212、检测所述小车在旋转过程中的实际运行时间和实际旋转角度；
S213、根据如下公式（c）：
VR =（Rn-Rnx）/（Tn-Tnx） （c）
公式（c）中：Rn为下一步旋转角度参数，Tn为下一步时间参数
Rnx为实际旋转角度，Tnx为实际运行时间
S214、所述可编程控制器计算出所述小车将要旋转的角速度VR。
其中，所述小车运行时倾斜角度算法程序算法程序具体包括如下步骤：
S221、所述可编程控制器预先设定每 1秒读取存储单元内内数据区中下一步倾斜角度和时间参数；
S222、检测所述小车在倾斜过程中的实际运行时间和实际倾斜角度；
S223、根据如下公式（d）：
VI =（In-Inx）/（Tn-Tnx） （d）
公式（d）中：In为下一步倾斜角度参数，Tn为下一步时间参数
Inx为实际倾斜角度，Tnx为实际运行时间
S224、所述可编程控制器计算出所述小车将要倾斜的角速度VI。
一种多自由度轨道小车速度控制跟踪系统，其特征在于，包括可编程控制器，输入检测单元和伺服输出控制单元，所述可编程控制器分别与所述输入检测单元和伺服输出控制单元连接，所述可编程控制器用于计算所采集的当前小车运行参数与预先设定的运行轨迹目标参数之间的差值，按比例输出电压值给所述伺服输出控制单元；输入检测单元用于传送所述小车行走时的不同状态信号至所述可编程控制器； 所述伺服输出控制单元用于根据所述可编程控制器实时校正后的不同控制命令，控制所述小车马达速度实现所述小车快速跟踪。
本发明的有益效果为：本发明所提供的一种多自由度轨道小车速度控制跟踪系统和方法 ，由于对小车的控制不是通过现有技术的上位机发出控制指令，而是直接将运行轨迹技术参数文挡生成为PCL所能识别的技术参数，编制 PLC 算法程序，通过执行PLC 执行算法程序，对小车的运行速度做出及时的跟踪处理； 由于小车在运动过程中算法、执行动作全部由 PLC 完成，且 PLC 处理速度相当快，可实现及时准确的控制小车运行，小车达到理想运动轨迹。
附图说明
图1是本发明简化系统控制框图；
图2为本发明控制方法流程框图；
图3为本发明小车行走时的位置关系简图。
具体实施方式
本发明提供了一种多自由度轨道小车的速度控制跟踪方法和系统，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
为了解决现有技术中所存在的系统控制时所发生的通迅时间延迟，不能对小车快速跟踪控制的问题，本发明提供了一种多自由度轨道小车的速度控制跟踪方法和系统，本发明的核心思想为：直接将运行轨迹技术参数文挡生成为PLC所能识别的技术参数，并保存在PLC存储单元内，通过PLC内部的CPU编制小车运行时行走距离、旋转角度和倾斜角度的PLC算法程序，小车启动后，PLC根据传感器检测轨道位置信号并执行不同的算法程序，根据存储单元内保存的预定运行轨迹参数，实时计算出小车运行时实际运行参数与目标参数（即为预先设定的运行轨迹目标参数）之间的差值，按比例输出电压值给小车伺服输出控制单元，控制小车马达速度来实现小车快速跟踪，达到理想运动轨迹。
根据上面所述的设计思想，结合附图1对本发明的系统做进一步的描述，本发明的小车速度控制跟踪系统，包括PLC 可编程控制器100，分别与输入检测单元200和伺服输出控制单元300相连接，其中PLC 可编程控制器100用于将技术参数文档数据保存在存储单元内，预先设定运行轨迹参数，编制PLC算法程序，并采集由输入检测单元200送来的状态或数据信号，CPU根据保存在存储单元内的预定运行轨迹参数对采集来的不同状态的参数信号进行运算，校正和处理，并发出命令通过输出单元至伺服输出控制单元300，控制小车马达的转速，实现对运行中的小车进行跟踪处理；PLC 可编程控制器100主要包括输入单元101，中央处理器CPU 102、存储单元103和输出单元104，输入单元101通过接口与输入检测单元200相连，用于接收小车的状态或数据信号；中央处理器CPU 102，用于按PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集有输入单元送来的状态和数据信号，并根据保存在存储单元103内的预定运行轨迹参数对采集来的不同状态的参数信号进行运算，发出相应的控制指令通过输出单元104去指挥相关的控制电路。
输入检测单元200被设置在小车上，输入检测单元200分别包括三个检测部件（包括行走检测、旋转检测和倾斜检测），输入检测单元200用于根据设置在不同位置的检测器件将小车运行时的不同状态信号（包括行走检测、旋转检测和倾斜检测等信号）通过输入单元101传送至PLC可编程控制器100 内。伺服输出控制单元300 与PLC 可编程控制器100的输出单元104相连，当PLC 可编程控制器100通过输出单元104将实时校正后的不同控制命令，按比例输出电压值给小车伺服输出控制单元300，控制小车的马达速度来实现小车快速跟踪，达到理想运动轨迹。
下面结合附图2和附图3对本发明的小车速度控制跟踪方法做进一步详细的描述，如2所示为控制方法流程框图，本发明的控制方法步骤主要包括如下描述：
S1、预先设置小车运行轨道参数，并存入PLC存储单元内；
其中，设置小车运行轨道参数是根据小车运行现场各种情节，由工程人员生成一个运行轨迹技术参数文挡（如表 1）， 该文档以秒为单位，列出每一秒行走距离，旋转角度，倾斜角度等（在车辆行使过程中，车辆倾斜角度为0，或者程序根本就不考虑倾斜角度问题；而在停止状态时，车辆的倾斜角度是控制车厢做符合影片要求的动作）：
表 1
根据表1所列的技术性文档，生成 PLC 所能识别的技术参数，并保存在 PLC 存储单元数据区内。
其中，如何将生成技术参数写入 PLC 数据区，由上位机（后台主机）编制程序，可一次性将表一中数据写入 PLC 数据区，或由 PLC 编程软件人工写入 PLC存储单元数据区内，此时数据区内容将永久保存；如实际运行轨迹参数需要更改，可重新写入该数据区，该数据区内容可作变更，这种将所列的技术性文档生成 PLC 所能识别的技术参数是本领域技术人员熟知技术，此处不做详细描述。
S2、编制PLC算法程序
其中，根据表1中的描述，编制 PLC 算法程序包括三个算法程序分别为：小车运行时行走距离算法程序、旋转角度算法程序和倾斜角度算法程序；
S3、小车运行，传感器根据小车不同运行状态，将信号发送至PLC可编程控制器100内；
其中当小车行走时由行走输入检测单元的编码器及横梁检测感应等检测器件将信号输入到 PLC可编程控制器100内，由 PLC 计算出小车具体位置；
行走是由横梁计数感应器检测横梁，或由安装在行走马达传动轴上编码器，连接至PLC输入单元，PLC做计数处理，以确定小车行走位置。
当小车在旋转时由旋转输入检测单元的旋转编码器（安装在小车旋转马达传动轴上，并连接到PLC，当马达旋转时带动旋转编码器，PLC对编码器输入脉冲作计数处理，以确定小车旋转角度）及定位检测感应器（安装在旋转齿盘下）连接至PLC输入单元，将检测信号输入到 PLC可编程控制器100内，由 PLC 计算出旋转角度；
当小车多角度倾斜时，由倾斜输入检测单元的电子尺（安装在倾斜油缸上），当油缸作倾斜动作时带动电子尺位移，连接至PLC输入单元，将检测信号反馈 PLC可编程控制器100内，PLC作A/D处理,由 PLC 计算出当前倾斜角度，以确定小车倾斜角度。
S4、CPU根据不同运行状态信号，执行保存在存储单元内的算法程序，计算出小车具体位置或旋转角度或倾斜角度；
S5、按预先设定的运行轨道参数并计算当前小车运行状态，实时校正
根据实时检测的小车状态参数，与系统内预先设定的保存在PLC 存储单元数据区内的运行轨道参数进行对比，根据计算公式计算出小车实时参数值与目标参数值（即为预先规定的运行轨迹参数）之间的差值，并进行实时校正；
S6、将系统控制命令通过PLC输出单元传输至小车控制系统
将校正后参数值按比例输出电压值给小车伺服输出控制单元，具体如何按比例输出是本领域技术人员熟知常识，此处不做详细描述。
S7、跟踪处理，控制小车的运行轨迹
通过小车伺服输出控制单元控制小车马达的运转速度，调控小车的运行，保证达到理想运动轨迹。
图3是小车行走情况时位置关系简图，下面结合附图3对小车的编制PLC算法程序做进一步详细的描述；如图 3，假设小车在初始位按箭头所指方向在轨道上行进，小车每到一横梁时，由横梁检测感应器检测到小车的到达，然后将检测到的信号输入到 PLC可编程控制器100内，并由 PLC 可编程控制器100给出小车到此横梁的时间数据(T1x,T2x-------Tnx) （即小车当前时间），同时 PLC 对横梁输入作累加计算， 每到一横梁便增加一个横梁数（n），由于每一横梁间距离为一定值（A），因此可根据公式 n ×A=Snx 计算出小车每到一横梁与初始位置的绝对距离(Snx，即小车的实际行走距离)。
假设小车在初始位按箭头所指方向在轨道上行进，轨道上有若干横梁组成，因此当小车每到一横梁时，由横梁检测感应器检测到小车的位置和小车到达该位置的时间，将检测到的包含有当前时间和位置信号发送给PLC，并由 PLC 给出小车到此横梁的当前时间数据(T1x,T2x ……Tnx)，每到一个横梁时，梁检测单元将检测到小车的行走信号发送给PLC可编程控制器100内，PLC对小车行走了多少横梁横梁作累加计算， 每到一横梁便增加一个横梁数（n），由于每一横梁间距离为一固定值，设每个横梁间（即每相邻两个横梁）的距离为A，如公式（1）所示
n×A=Snx （1）
其中：n为小车行走的横梁数， A为相邻两个横梁间的间距
根据公式（1）即可计算出小车每到一横梁与初始位置的绝对距离(Snx，实际运行的距离), 图3所示的Snx参数；图3所示的参数S1……Sn和T1……Tn为预先设定的所生成的标准轨迹参数（即目标参数，在表1中已列出参数值），其中（S1,S2,S3……Sn）为表一中的“到原点距离”，(T1,T2,T3……Tn)为表1中“秒数”，以每秒计数；
本发明的具体实施步骤如下：
1、将生成技术参数（参数见表1）写入 PLC可编程控制器的存储单元的数据区；
2、编写小车行走算法程序，结合图 3，其算法如下：
（S21）、PLC可编程控制器100 每 1S 读取数据区中下一步距离、时间参数，在这里将下一步距离参数用 Sn 表示，时间参数用 Tn 表示；
其中，“下一步距离”是指根据现在目前的时刻，来读取后一步距离参数，比如如果目前时间是1.2ms，就必须读取第二秒的距离；
（S22）、小车在行走过程中，每到一横梁给出一个实际的运行时间，此处将实际运行时间用 Tnx 表示， 由于每一横梁间隔相等，便可算出每一横梁离原点距离，在这里用 Snx 表示；
（S23）、小车在行走过程中每到一横梁，PLC可编程控制器内的CPU 便根据下面公式 （2）
V=（Sn-Snx）/（Tn-Tnx） (2)
其中，Sn为下一步距离参数，Tn为下一步时间参数
Snx为实际运行距离，Tnx为实际运行时间
(S24)、通过可编程控制器计算出小车将要的运行速度V。
3、小车运行中，PLC 根据可编程控制器算法程序实时算出速度 V，按比例输出电压值，驱动伺服输出控制单元中的行走伺服控制来控制马达驱动， 以实现小车快速跟踪。
编写小车旋转算法程序和多角度倾斜算法程序与小车行走算法程序类似，此处表述小车旋转和倾斜时的图省略，其算法程序主要步骤描述如下：
当小车旋转时，通过旋转编码器及各定位检测感应器将感应到的信号等输入到 PLC可编程控制器，由 PLC 可编程控制器的CPU计算出小车旋转角度；具体步骤包括：
（S211）、PLC 可编程控制器预先设定每 1秒（S）读取存储单元内中下一步旋转角度、时间参数（在运动过程中不考虑倾斜角度问题），此处下一步旋转角度参数用 Rn 表示，时间参数用 Tn表示；
（S212）、小车在旋转过程中，在实际运行时间（用Tnx表示）采集小车实际旋转的角度（用Rnx表示）；
（S213）、小车在旋转过程中，PLC可编程控制器根据公式（3）：
（Rn-Rnx）/（Tn-Tnx）= VR （3）
其中：Rn为下一步旋转角度参数，Tn为下一步时间参数
Rnx为实际旋转角度，Tnx为实际运行时间
(S214)、通过可编程控制器计算出所述小车将要旋转的角速度VR。
同样，当小车多角度倾斜时，通过电子尺检测小车的倾斜度并反馈给PLC可编程控制器100，计算出小车即将要运行的倾斜度，其算法程序包括：
（S221）、PLC 可编程控制器预先设定每 1S 读取存储单元内中下一步倾斜角度、时间参数，此处下一步倾斜角度参数用 In 表示，时间参数用 Tn表示；
（S222）、小车在倾斜过程中，在实际运行时间（用Tnx表示）采集小车实际倾斜的角度（用Inx表示）；
（S223）、小车在倾斜过程中，PLC可编程控制器根据公式（4）：
（In-Inx）/（Tn-Tnx）= VI （4）
其中：In为下一步倾斜角度参数，Tn为下一步时间参数
Inx为实际倾斜角度，Tnx为实际运行时间
（S224）、通过可编程控制器计算出所述小车将要倾斜的角速度VI。
综上所述，本发明直接将运行轨迹技术参数文挡生成为PLC所能识别的技术参数，并编制PLC算法程序，通过PLC 执行不同的算法程序，根据预定运行轨迹参数，实时计算出小车运行时实际运行参数与目标参数之间的速度差， 实现小车快速跟踪，达到理想运动轨迹。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多自由度轨道小车速度控制跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、预先设定运行轨迹目标参数，将所述运行轨迹目标参数并保存在可编程控制器的存储单元内；
B、编制所述可编程控制器的算法程序；
C、小车启动时，所述可编程控制器采集由输入检测单元送来的状态或数据信号，所述可编程控制器根据所述预定运行轨迹目标参数，实时计算出所述小车运行时实际运行参数与所述目标参数之间差值；
D、根据所述差值，按比例输出电压值给所述小车伺服输出控制单元，控制所述小车马达速度来实现小车快速跟踪；
所述步骤A具体处理为：生成一个运行轨迹技术参数文挡，所述文档时间以秒为单位，并列出每一秒所述小车的行走距离，旋转角度和倾斜角度的运行轨迹目标参数，根据所述技术参数文档，生成所述可编程控制器可识别的技术参数，并保存在所述存储单元内。
2.根据权利要求1所述的小车速度控制跟踪方法，其特征在于，所述可编程控制器的算法程序包括小车运行时行走距离算法程序、旋转角度算法程序和倾斜角度算法程序。
3.根据权利要求1或2所述的小车速度控制跟踪方法，其特征在于，所述算法程序或直接写入可编程控制器内或由上位机编制后一次性写入至所述可编程控制器的存储单元内。
4.根据权利要求2所述的小车速度控制跟踪方法，其特征在于，所述小车运行时行走距离算法程序具体包括如下步骤：
设定所述可编程控制器每 1秒钟读取所述存储单元内数据区中下一步运行距离和运行时间参数；
检测所述小车在行走过程中的实际运行时间和实际运行距离；
根据如下公式（a）：
V =（Sn-Snx）/(Tn-Tnx） （a）
其中，Sn为下一步距离参数，Tn为下一步时间参数
Snx为实际运行距离，Tnx为实际运行时间
所述可编程控制器计算出所述小车将要的运行速度V。
5. 根据权利要求4所述的小车速度控制跟踪方法，其特征在于，所述实际运行距离Snx通过如下公式（b）计算得到：
Snx = n×A （b）
其中：n为所述小车行走的横梁数， A为相邻两个横梁间的间距。
6.根据权利要求2所述的小车速度控制跟踪方法，其特征在于，所述小车运行时旋转角度算法程序具体包括如下步骤：
所述可编程控制器预先设定每 1秒读取所述存储单元内数据区中下一步旋转角度和时间参数；
检测所述小车在旋转过程中的实际运行时间和实际旋转角度；
根据如下公式（c）：
VR =（Rn-Rnx）/（Tn-Tnx） （c）
其中：Rn为下一步旋转角度参数，Tn为下一步时间参数
Rnx为实际旋转角度，Tnx为实际运行时间
所述可编程控制器计算出所述小车将要旋转的角速度VR。
7.根据权利要求2所述的小车速度控制跟踪方法，其特征在于，所述小车运行时倾斜角度算法程序具体包括如下步骤：
所述可编程控制器预先设定每 1秒读取存储单元内内数据区中下一步倾斜角度和时间参数；
检测所述小车在倾斜过程中的实际运行时间和实际倾斜角度；
根据如下公式（d）：
VI =（In-Inx）/（Tn-Tnx） （d）
其中：In为下一步倾斜角度参数，Tn为下一步时间参数
Inx为实际倾斜角度，Tnx为实际运行时间
所述可编程控制器计算出所述小车将要倾斜的角速度VI。
8.一种多自由度轨道小车速度控制跟踪系统，其特征在于，包括可编程控制器，输入检测单元和伺服输出控制单元，所述可编程控制器分别与所述输入检测单元和伺服输出控制单元连接，其中，
所述输入检测单元用于传送所述小车行走时的不同状态信号至所述可编程控制器；
所述可编程控制器用于计算所采集的当前小车运行参数与预先设定的运行轨迹目标参数之间的差值，按比例输出电压值给所述伺服输出控制单元；
所述伺服输出控制单元用于根据所述可编程控制器实时校正后的不同控制命令，控制所述小车马达速度实现所述小车快速跟踪；
所述可编程控制器包括存储单元，所述存储单元用于保存运行轨迹技术参数文挡，所述文档时间以秒为单位，并列出每一秒所述小车的行走距离，旋转角度和倾斜角度的运行轨迹目标参数，根据所述技术参数文档，生成所述可编程控制器可识别的技术参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |