CN106959663B - 夹角运动的路径规划方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种夹角运动的路径规划方法及装置，该夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，该路径规划方法包括以下步骤：获取加速度限制值Amax、加速度变化时间Ts；获取第一中点的速度F1以及第二中点的速度F2，该第一中点为该第一路径的中点，该第二中点为该第二路径的中点；将该夹角2θ的角平分线方向设为X方向，与X方向垂直的方向设为Y方向；根据F1cosθ+F2cosθ与AmaxTs之间的关系规划Y方向和X方向的速度。与现有技术相比，本发明通过对夹角运动中第一路径的中点到第二路径的中点之间的运动速度进行规划，使得过渡时加速度不为零，进而使得过渡过程中速度快速变化，减小了过渡时间，提高了效率。

Description

夹角运动的路径规划方法及装置
技术领域
本发明涉及路径规划领域，特别涉及一种夹角运动的路径规划方法及装置。
背景技术
随着世界制造业的发展，越来越多的中小型企业运用数控设备来生产加工制造。而数控技术则是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制。早期的数控系统是硬件数控，现在一般是采用计算机控制，即CNC(计算机数控)，可实现多台数控设备动作的控制。
数控系统高速高精度模块是CNC的一个重要组成部分，它主要针对数控指令，通过前瞻的一系列块命令，根据设定的参数对数控程式中的加工轨迹进行光顺处理，然后在光顺会的加工轨迹上进行整体速度规划。目前，在数控系统加工时，夹角过渡采取的方式为：在上一段路径中速度从零升到最大速度，之后再降到零，加速度也为零；在下一段路径中速度从零升到最大速度，之后再降到零。上述这种速度规划方式花费的时间较多，效率低下。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中夹角过渡方式导致时间花费较多、效率低下的缺陷，提供一种过渡时间少、效率高的夹角运动的路径规划方法及装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种夹角运动的路径规划方法，其特点在于，该夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，且0°＜2θ＜180°，该路径规划方法包括以下步骤：
S1、获取加速度限制值Amax、加速度变化时间Ts；
S2、获取第一中点的速度F1以及第二中点的速度F2，其中，该第一中点为该第一路径的中点，该第二中点为该第二路径的中点；
S3、将该夹角2θ的角平分线方向设为X方向，与该X方向垂直的方向设为Y方向；
S4、判断F1 cosθ+F2 cosθ是否小于等于AmaxTs，若是，则执行步骤S5，若否，则执行步骤S6；
S5、在0～Ts时间段以公式规划Y方向的速度， 且以公式规划X方向的速度，
在Ts～2Ts时间段以公式规划Y方 向的速度，且以公式规划X方向的速度，结束 流程；
S6、在0～Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，
在Ts～Ts+Ty时间段以公式规划Y方向的速度，且 以公式规划X方向的速度，
在Ts+Ty～2Ts时间段以公式规划Y方向的 速度，且以公式规划X方向的速度，
其中，
本方案中，路径规划的对象为一夹角运动，其中，夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，根据夹角运动的夹角划分为角平分线方向和与角平分线方向垂直的方向，即X方向和Y方向，并根据Y方向上的加速度(F1 cosθ+F2 cosθ)/Ts与加速度限制值Amax之间的大小关系来规划第一路径的中点到第二路径的中点在Y方向和X方向的速度。其中，Y方向的初始速度为F1 cosθ，终止速度为F2 cosθ，X方向的初始速度为F1 sinθ，终止速度为F2sinθ。
具体地，当(F1 cosθ+F2 cosθ)/Ts≤Amax时，分0～Ts和Ts～2Ts两个时间段来规划Y方向和X方向的速度；当(F1 cosθ+F2 cosθ)/Ts＞Amax时，分0～Ts、Ts～Ts+Ty以及Ts+Ty～2Ts三个时间段来规划Y方向和X方向的速度。
需要注意的是，从第一路径的中点运行至第二路径的中点在Y方向和X方向花费的总时间相同，均为2Ts或2Ts+Ty。
本方案通过对第一路径的中点到第二路径的中点之间的运动速度进行规划，使得过渡时加速度不为零，进而使得过渡过程中速度快速变化，减小了过渡时间，提高了效率。
较佳地，步骤S1还包括以下步骤：获取速度限制值Vmax、该第一路径的距离L1以及该第二路径的距离L2；
步骤S2还包括以下步骤：
S21、判断L1/Ts是否大于Vmax，若是，则将第一中点的速度F1赋值为Vmax，若否，则将第一中点的速度F1赋值为L1/Ts；
S22、判断L2/Ts是否大于Vmax，若是，则将第二中点的速度F2赋值为Vmax，若否，则将第二中点的速度F2赋值为L2/Ts。
本方案中，将第一路径和第二路径的最大速度限制在速度限制值Vmax，根据加速度变化时间Ts、速度限制值Vmax以及第一路径的距离L1来获取第一中点的速度F1，根据加速度变化时间Ts、速度限制值Vmax以及第二路径的距离L2来获取第二中点的速度F2。
需要注意的是，第一中点的速度F1的获取方式不限于本方案中的根据加速度变化时间和第一路径的距离进行计算，还可以为其它获取方式，例如可以根据实际情况进行直接设置。同样地，第二中点的速度F2的获取方式也不限于本方案中的根据加速度变化时间和第二路径的距离进行计算，还可以为其它获取方式，例如可以根据实际情况进行直接设置。
较佳地，将Y方向上速度为0的点设为O点，
该第一中点到该第二中点在Y方向和X方向的速度规划完成之后还包括以下步骤：
根据位移计算公式计算该第一中点与O点在X方向上的位移Lx1、该第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1、O点与该第二中点在X方向上的位移Lx2、O点与该第二中点在Y方向上的位移Ly2，并通过对位移Lx1和位移Ly1进行合成得到第三路径，通过对位移Lx2和位移Ly2进行合成得到第四路径。
容易理解地，本方案中的位移计算公式为S＝vt+1/2at2+1/6Jerkt3，其中，a为加速度，Jerk为加加速度。根据之前对第一中点到第二中点Y方向和X方向的速度规划，能够分别计算得到Y方向上的加速度和加加速度以及X方向上的加速度和加加速度。本方案中，根据位移Lx1、Ly1、Lx2、Ly2合成得到的第三路径和第四路径即为规划得到的第一中点到第二中点的实际运行路径。其中，第一中点到第二中点的实际运行路径是一段光滑弯曲的曲线。
本发明还提供一种夹角运动的路径规划装置，其特点在于，该夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，且θ°＜2θ＜18θ°，该路径规划装置包括第一获取模块、第二获取模块、方向设置模块、第一判断模块、第一规划模块以及第二规划模块；
该第一获取模块用于获取加速度限制值Amax、加速度变化时间Ts；
该第二获取模块用于获取第一中点的速度F1以及第二中点的速度F2，其中，该第一中点为该第一路径的中点，该第二中点为该第二路径的中点；
该方向设置模块用于将该夹角2θ的角平分线方向设为X方向，与该X方向垂直的方向设为Y方向；
该第一判断模块用于判断F1 cosθ+F2 cosθ是否小于等于AmaxTs，并在是的情况下调用该第一规划模块，在否的情况下调用该第二规划模块；
该第一规划模块用于在0～Ts时间段以公式 规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，以及 在Ts～2Ts时间段以公式规划Y方向的速度， 且以公式规划X方向的速度；
该第二规划模块用于在0～Ts时间段以公式规划Y方向 的速度，且以公式规划X方向的速度，在Ts～Ts+Ty时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式 规划X方向的速度，以及在Ts+Ty～2Ts时间段以公式 规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度；
其中，
较佳地，该第一获取模块还用于获取速度限制值Vmax、该第一路径的距离L1以及该第二路径的距离L2；
该第二获取模块还用于判断L1/Ts是否大于Vmax，并在是的情况下将第一中点的速度F1赋值为Vmax，在否的情况下将第一中点的速度F1赋值为L1/Ts，以及判断L2/Ts是否大于Vmax，并在是的情况下将第二中点的速度F2赋值为Vmax，在否的情况下将第二中点的速度F2赋值为L2/Ts。
较佳地，将Y方向上速度为0的点设为O点，该路径规划装置还包括位移计算模块和位移合成模块；
该位移计算模块用于在该第一中点到该第二中点在Y方向和X方向的速度规划完成之后，根据位移计算公式计算该第一中点与O点在X方向上的位移Lx1、该第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1、O点与该第二中点在X方向上的位移Lx2、O点与该第二中点在Y方向上的位移Ly2，并调用该位移合成模块；
该位移合成模块用于通过对位移Lx1和位移Ly1进行合成得到第三路径，通过对位移Lx2和位移Ly2进行合成得到第四路径。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：与现有技术相比，本发明通过对夹角运动中第一路径的中点到第二路径的中点之间的运动速度进行规划，使得过渡时加速度不为零，进而使得过渡过程中速度快速变化，减小了过渡时间，提高了效率。
附图说明
图1为本发明实施例的夹角运动的路径规划方法。
图2为本发明实施例的夹角运动的路径示意图。
图3为本发明实施例的情况一中Y方向速度曲线图。
图4为本发明实施例的情况一中Y方向加速度曲线图。
图5为本发明实施例的情况一中X方向速度曲线图。
图6为本发明实施例的情况一中X方向加速度曲线图。
图7为本发明实施例的情况二中Y方向速度曲线图。
图8为本发明实施例的情况二中Y方向加速度曲线图。
图9为本发明实施例的情况二中X方向速度曲线图。
图10为本发明实施例的情况二中X方向加速度曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
一种夹角运动的路径规划方法，该夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，且0°＜2θ＜180°，如图1所示，该路径规划方法包括以下步骤：
步骤101、获取加速度限制值Amax、加速度变化时间Ts、速度限制值Vmax、该第一路径的距离L1以及该第二路径的距离L2；
步骤102、判断L1/Ts是否大于Vmax，若是，则将第一中点的速度F1赋值为Vmax，若否，则将第一中点的速度F1赋值为L1/Ts，该第一中点为该第一路径的中点；
步骤103、判断L2/Ts是否大于Vmax，若是，则将第二中点的速度F2赋值为Vmax，若否，则将第二中点的速度F2赋值为L2/Ts，该第二中点为该第二路径的中点；
步骤104、将该夹角2θ的角平分线方向设为X方向，与该X方向垂直的方向设为Y方向；
步骤105、判断F1 cosθ+F2 cosθ是否小于等于AmaxTs，若是，则执行步骤106，若否，则执行步骤107；
步骤106、在0～Ts时间段以公式规划Y方向的 速度，且以公式规划X方向的速度，
在Ts～2Ts时间段以公式规划Y方 向的速度，且以公式规划X方向的速度，结束 流程；
步骤107、在0～Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，
在Ts～Ts+Ty时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，
在Ts+Ty～2Ts时间段以公式规划Y方向的 速度，且以公式规划X方向的速度，
其中，
本实施例中，将Y方向上速度为0的点设为O点，上述路径规划方法中，第一中点到第二中点在Y方向和X方向的速度规划完成之后还包括以下步骤：
根据位移计算公式计算该第一中点与O点在X方向上的位移Lx1、该第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1、O点与该第二中点在X方向上的位移Lx2、O点与该第二中点在Y方向上的位移Ly2，并通过对位移Lx1和位移Ly1进行合成得到第三路径，通过对位移Lx2和位移Ly2进行合成得到第四路径。
下面举个具体的例子来说明本实施例中夹角运动的路径规划方法。
设夹角运动的夹角2θ由第一路径P1P2和第二路径P2P3形成，为90°，如图2所示，加速度限制值Amax＝4.9μm/ms2，加速度变化时间Ts＝0.02s，速度限制值Vmax＝6000mm/min。
情况一：假设F1 cosθ+F2 cosθ≤AmaxTs，且F1＝F2，则按照路径规划方法的步骤106来规划Y方向和X方向的速度，如图3-6所示，Y方向的速度曲线呈S型，Y方向的加速度曲线呈三角形，其中Ay＝(F1 cosθ+F2 cosθ)/Ts，加加速度Jerky＝Ay/Ts；X方向的速度曲线呈水平直线，X方向的加速度为0，加加速度Jerkx＝0。其中，从第一路径的中点运行至第二路径的中点在Y方向和X方向花费的总时间相同，均为2Ts。
将Y方向上速度为0的点设为O点，并根据位移计算公式S＝vt+1/2at2+1/6Jerkt3计算得到：第一中点与O点在X方向上的位移Lx1＝F1 sinθTs，第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1＝F1 cosθTs-1/6AyTs 2，O点与第二中点在X方向上的位移Lx2＝F2 sinθTs，O点与第二中点在Y方向上的位移Ly2＝F2 cosθTs-1/6AyTs 2。
情况二：假设F1 cosθ+F2 cosθ＞AmaxTs，且F1＜F2，则按照路径规划方法的步骤107来规划Y方向和X方向的速度，如图7-10所示，Y方向的速度曲线呈S型，Y方向的加速度曲线呈梯形，Ay＝Amax，加加速度Jerky＝Ay/Ts，X方向的速度曲线呈S型，X方向的加速度曲线呈梯形，Ax＝(F2 sinθ-F1 sinθ)/(Tx+Ts)，加加速度Jerkx＝Ax/Ts。从第一路径的中点运行至第二路径的中点在Y方向和X方向花费的总时间相同，均为2Ts+Ty。
参照图7和图9，Ty＝Ty1+Ty2，Tx＝Tx1+Tx2，Ty1＝Tx1＝F1y/Ay-0.5Ts，Tx2＝Ty2＝Ty-Ty1。将Y方向上速度为0的点设为O点，并根据位移计算公式S＝vt+1/2at2+1/6Jerkt3计算得到：第一中点与O点在X方向上的位移Lx1＝F1 sinθTs+1/6AxTs 2+(F1 sinθ+0.5AxTs)Tx1+0.5AxTx1 2，第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1＝F1 cosθTs-1/6AyTs 2+0.5(F1 cosθ-0.5AyTs)Ty1，O点与第二中点在X方向上的位移Lx2＝F2 sinθTs-1/6AxTs 2+(F2 sinθ-0.5AxTs)Tx2-0.5AxTx2 2，O点与第二中点在Y方向上的位移Ly2＝F2 cosθTs-1/6AyTs 2+θ.5(F2 cosθ-0.5AyTs)Ty2。
最后，通过对位移Lx1和位移Ly1进行合成得到第三路径，通过对位移Lx2和位移Ly2进行合成得到第四路径，第三路径和第四路径即为规划得到的第一中点到第二中点的实际运行路径。
本实施例中，通过对第一路径的中点到第二路径的中点之间的运动速度进行规划，使得过渡时加速度不为零，进而使得过渡过程中速度快速变化，减小了过渡时间，提高了效率。
本实施例还提供一种夹角运动的路径规划装置，该夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，且0°＜2θ＜180°，该路径规划装置包括第一获取模块、第二获取模块、方向设置模块、第一判断模块、第一规划模块、第二规划模块、位移计算模块以及位移合成模块。
该第一获取模块用于获取加速度限制值Amax、加速度变化时间Ts、速度限制值Vmax、该第一路径的距离L1以及该第二路径的距离L2。
该第二获取模块用于获取第一中点的速度F1以及第二中点的速度F2，具体地，判断L1/Ts是否大于Vmax，并在是的情况下将第一中点的速度F1赋值为Vmax，在否的情况下将第一中点的速度F1赋值为L1/Ts，以及判断L2/Ts是否大于Vmax，并在是的情况下将第二中点的速度F2赋值为Vmax，在否的情况下将第二中点的速度F2赋值为L2/Ts。其中，该第一中点为该第一路径的中点，该第二中点为该第二路径的中点。
该方向设置模块用于将该夹角2θ的角平分线方向设为X方向，与该X方向垂直的方向设为Y方向；
该第一判断模块用于判断F1 cosθ+F2 cosθ是否小于等于AmaxTs，并在是的情况下调用该第一规划模块，在否的情况下调用该第二规划模块；
该第一规划模块用于在0～Ts时间段以公式 规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，以及 在Ts～2Ts时间段以公式规划Y方向的速度， 且以公式规划X方向的速度；
该第二规划模块用于在0～Ts时间段以公式规划Y方 向的速度，且以公式规划X方向的速度，在Ts～Ts+Ty时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式 规划X方向的速度，以及在Ts+Ty～2Ts时间段以公式 规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度；
其中，
将Y方向上速度为0的点设为O点，该位移计算模块用于在该第一中点到该第二中点在Y方向和X方向的速度规划完成之后，根据位移计算公式计算该第一中点与O点在X方向上的位移Lx1、该第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1、O点与该第二中点在X方向上的位移Lx2、O点与该第二中点在Y方向上的位移Ly2，并调用该位移合成模块；
该位移合成模块用于通过对位移Lx1和位移Ly1进行合成得到第三路径，通过对位移Lx2和位移Ly2进行合成得到第四路径。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种夹角运动的路径规划方法，该夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，且0°＜2θ＜180°，其特征在于，该路径规划方法包括以下步骤：
S1、获取加速度限制值Amax、加速度变化时间Ts；
S2、获取第一中点的速度F1以及第二中点的速度F2，其中，该第一中点为该第一路径的中点，该第二中点为该第二路径的中点；
S3、将该夹角2θ的角平分线方向设为X方向，与该X方向垂直的方向设为Y方向；
S4、判断F1cosθ+F2cosθ是否小于等于AmaxTs，若是，则执行步骤S5，若否，则执行步骤S6；
S5、在0～Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，
在Ts～2Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，结束流程；
S6、在0～Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，
在Ts～Ts+Ty时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，
在Ts+Ty～2Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，
其中，Ay＝Amax，
2.如权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，
步骤S1还包括以下步骤：获取速度限制值Vmax、该第一路径的距离L1以及该第二路径的距离L2；
步骤S2还包括以下步骤：
S21、判断L1/Ts是否大于Vmax，若是，则将第一中点的速度F1赋值为Vmax，若否，则将第一中点的速度F1赋值为L1/Ts；
S22、判断L2/Ts是否大于Vmax，若是，则将第二中点的速度F2赋值为Vmax，若否，则将第二中点的速度F2赋值为L2/Ts。
3.如权利要求1或2所述的路径规划方法，其特征在于，将Y方向上速度为0的点设为O点，该第一中点到该第二中点在Y方向和X方向的速度规划完成之后还包括以下步骤：
根据位移计算公式计算该第一中点与O点在X方向上的位移Lx1、该第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1、O点与该第二中点在X方向上的位移Lx2、O点与该第二中点在Y方向上的位移Ly2，并通过对位移Lx1和位移Ly1进行合成得到第三路径，通过对位移Lx2和位移Ly2进行合成得到第四路径。
4.一种夹角运动的路径规划装置，该夹角运动的夹角2θ由第一路径和第二路径形成，且0°＜2θ＜180°，其特征在于，该路径规划装置包括第一获取模块、第二获取模块、方向设置模块、第一判断模块、第一规划模块以及第二规划模块；
该第一获取模块用于获取加速度限制值Amax、加速度变化时间Ts；
该第二获取模块用于获取第一中点的速度F1以及第二中点的速度F2，其中，该第一中点为该第一路径的中点，该第二中点为该第二路径的中点；
该方向设置模块用于将该夹角2θ的角平分线方向设为X方向，与该X方向垂直的方向设为Y方向；
该第一判断模块用于判断F1cosθ+F2cosθ是否小于等于AmaxTs，并在是的情况下调用该第一规划模块，在否的情况下调用该第二规划模块；
该第一规划模块用于在0～Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式 规划X方向的速度，以及在Ts～2Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度；
该第二规划模块用于在0～Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，在Ts～Ts+Ty时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度，以及在Ts+Ty～2Ts时间段以公式规划Y方向的速度，且以公式规划X方向的速度；
其中，Ay＝Amax，
5.如权利要求4所述的路径规划装置，其特征在于，
该第一获取模块还用于获取速度限制值Vmax、该第一路径的距离L1以及该第二路径的距离L2；
该第二获取模块还用于判断L1/Ts是否大于Vmax，并在是的情况下将第一中点的速度F1赋值为Vmax，在否的情况下将第一中点的速度F1赋值为L1/Ts，以及判断L2/Ts是否大于Vmax，并在是的情况下将第二中点的速度F2赋值为Vmax，在否的情况下将第二中点的速度F2赋值为L2/Ts。
6.如权利要求4或5所述的路径规划装置，其特征在于，将Y方向上速度为0的点设为O点，该路径规划装置还包括位移计算模块和位移合成模块；
该位移计算模块用于在该第一中点到该第二中点在Y方向和X方向的速度规划完成之后，根据位移计算公式计算该第一中点与O点在X方向上的位移Lx1、该第一中点与O点在Y方向上的位移Ly1、O点与该第二中点在X方向上的位移Lx2、O点与该第二中点在Y方向上的位移Ly2，并调用该位移合成模块；
该位移合成模块用于通过对位移Lx1和位移Ly1进行合成得到第三路径，通过对位移Lx2和位移Ly2进行合成得到第四路径。
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