发明内容
有鉴于此,本发明要解决的一个技术问题是提供一种搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法、装置及机器人。
根据本发明的一个方面,提供一种搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法,包括:通过第一伺服驱动系统驱动搬运机器人的左主动轮运行,通过第二伺服驱动系统驱动搬运机器人的右主动轮运行;其中,所述第一伺服驱动系统包括:第一位置环单元、第一速度环单元和第一电机;所述第二伺服驱动系统包括:第二位置环单元、第二速度环单元和第二电机;分别获取搬运机器人从起始点运行至当前点的左主动轮运行距离、右主动轮运行距离;根据所述左主动轮运行距离、所述右主动轮运行距离以及预定运行轨迹确定搬运机器人在当前点的左主动轮跟随误差、右主动轮跟随误差;根据所述左主动轮跟随误差和所述右主动轮跟随误差调节所述第一位置环单元和/或所述第二位置环单元的增益参数,用以减少搬运机器人的实际运行轨迹与所述预定运行轨迹的偏差。
可选地,所述第一位置环单元和所述第二位置环单元都为比例P控制,所述第一速度环单元和所述第二速度环单元都为比例积分PI控制;所述第一位置环单元输出的控制信号经过所述第一速度环单元作用于所述第一电机;所述第二位置环单元输出的控制信号经过所述第二速度环单元作用于所述第二电机。
可选地,所述调节所述第一位置环单元和/或所述第二位置环单元的增益参数包括:基于所述左主动轮跟随误差和所述右主动轮跟随误差调节所述第一位置环单元和/或所述第二位置环单元的比例增益参数,用以调节所述第一伺服电机和/或所述第二电机的转速。
可选地,所述运行预定轨迹为搬运机器人的前进或后退的直线运行轨迹;所述确定搬运机器人在当前点的左主动轮跟随误差、右主动轮跟随误差包括:将所述左主动轮和所述右主动轮的运行距离分别设置为直角坐标系的横坐标和纵坐标,将所述运行预定轨迹设置为在所述直角坐标系中与横坐标夹角呈45度的直线,则所述左主动轮跟随误差为所述左主动轮实际运行距离与预定运行距离的差值,所述右主动轮跟随误差为所述右主动轮实际运行距离与预定运行距离的差值。
可选地,所述调节所述第一位置环单元和/或所述第二位置环单元的增益参数包括:如果判断所述左主动轮跟随误差大于所述右主动轮跟随误差,则将所述第一位置环单元的比例增益参数保持不变,设置所述第二位置环单元的新比例增益参数;其中,KpRnew=KpRold*RESS/ELSS;KpRnew为所述第二位置环单元的新比例增益参数,KpRold为所述第二位置环单元原有的比例增益参数,ERSS为右主动轮跟随误差,ELSS为左主动轮跟随误差;如果判断所述左主动轮跟随误差小于所述右主动轮跟随误差,则保持所述第二位置环单元的比例增益参数不变,设置所述第一位置环单元的新比例增益参数;其中,KpLnew=KpLold*ELSS/ERSS;KpLnew为所述第一位置环单元的新比例增益参数,KpLold为所述第一位置环单元的原有比例增益参数。
可选地,所述分别获取搬运机器人从起始点运行至当前点的左主动轮运行距离、右主动轮运行距离包括:通过第一编码器采集所述左主动轮的第一脉冲信息,根据所述第一脉冲信息计算出所述左主动轮运行距离;通过第二编码器采集所述右主动轮的第二脉冲信息,根据所述第二脉冲信息计算出所述右主动轮运行距离。
根据本发明的另一方面,提供一种搬运机器人伺服驱动系统的增益调节装置,包括:运行控制模块,用于通过第一伺服驱动系统驱动搬运机器人的左主动轮运行,通过第二伺服驱动系统驱动搬运机器人的右主动轮运行;其中,所述第一伺服驱动系统包括:第一位置环单元、第一速度环单元和第一电机;所述第二伺服驱动系统包括:第二位置环单元、第二速度环单元和第二电机;运行距离获取模块,用于分别获取搬运机器人从起始点运行至当前点的左主动轮运行距离、右主动轮运行距离;跟随误差确定模块,用于根据所述左主动轮运行距离、所述右主动轮运行距离以及预定运行轨迹确定搬运机器人在当前点的左主动轮跟随误差、右主动轮跟随误差;增益调整模块,用于根据所述左主动轮跟随误差和所述右主动轮跟随误差调节所述第一位置环单元和/或所述第二位置环单元的增益参数,用以减少搬运机器人的实际运行轨迹与所述预定运行轨迹的偏差。
可选地,所述第一位置环单元和所述第二位置环单元都为比例P控制,所述第一速度环单元和所述第二速度环单元都为比例积分PI控制;所述运行控制模块,还用于将所述第一位置环单元输出的控制信号通过所述第一速度环单元作用于所述第一电机,将所述第二位置环单元输出的控制信号通过所述第二速度环单元作用于所述第二电机。
可选地,所述增益调整模块,还用于基于所述左主动轮跟随误差和所述右主动轮跟随误差调节所述第一位置环单元和/或所述第二位置环单元的比例增益参数,用以调节所述第一伺服电机和/或所述第二电机的转速。
可选地,所述运行预定轨迹为搬运机器人的前进或后退的直线运行轨迹;所述跟随误差确定模块,还用于将所述左主动轮和所述右主动轮的运行距离分别设置为直角坐标系的横坐标和纵坐标,将所述运行预定轨迹设置为在所述直角坐标系中与横坐标夹角呈45度的直线,则确定所述左主动轮跟随误差为所述左主动轮实际运行距离与预定运行距离的差值、所述右主动轮跟随误差为右主动轮实际运行距离与预定运行距离的差值。
可选地,所述增益调整模块,还用于如果判断所述左主动轮跟随误差大于所述右主动轮跟随误差,则将所述第一位置环单元的比例增益参数保持不变,设置所述第二位置环单元的新比例增益参数;其中,KpRnew=KpRold*ERSS/ELSS;KpRnew为所述第二位置环单元的新比例增益参数,KpRold为所述第二位置环单元原有的比例增益参数,ERSS为右主动轮跟随误差,ELSS为左主动轮跟随误差;所述增益调整模块,还用于如果判断所述左主动轮跟随误差小于所述右主动轮跟随误差,则保持所述第二位置环单元的比例增益参数不变,设置所述第一位置环单元的新比例增益参数;其中,KpLnew=KpLold*ELSS/ERSS;KpLnew为所述第一位置环单元的新比例增益参数,KpLold为所述第一位置环单元的原有比例增益参数。
可选地,所述运行距离获取模块,还用于通过第一编码器采集所述左主动轮的第一转速信息,根据所述第一脉冲信息计算出所述左主动轮运行距离;通过第二编码器采集所述右主动轮的第二脉冲信息,根据所述第二脉冲信息计算出所述右主动轮运行距离。
根据本发明的又一方面,提供一种搬运机器人,包括:如上所述的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节装置。
根据本发明的再一方面,提供一种搬运机器人伺服驱动系统的增益调节装置,包括:存储器;以及耦接至所述存储器的处理器,所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令,执行如上所述的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机指令,所述指令被处理器执行时实现如上所述的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法。
本发明的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法、装置及搬运机器人,基于左、右主动轮的跟随误差调节驱动左、右主动轮的伺服驱动系统的位置增益,使得两个独立的伺服驱动系统的动态特性得到匹配,实现两个独立的伺服驱动系统的耦合调节,提高了搬运机器人的运动轨迹精度。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述,其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。下面结合各个图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。
下文中的“第一”、“第二”等仅用于描述上相区别,并没有其它特殊的含义。
图2为根据本发明的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法的一个实施例的流程示意图,如图1所示:
步骤101,通过第一伺服驱动系统驱动搬运机器人的左主动轮运行,通过第二伺服驱动系统驱动搬运机器人的右主动轮运行。
伺服驱动系统简称为伺服,由外到内分为位置环、速度环和电流环等。例如第一伺服驱动系统包括:第一位置环单元、第一速度环单元和第一电机。第一电机的输出轴通过传动系统与左主动轮连接。第二伺服驱动系统包括:第二位置环单元、第二速度环单元和第二电机。第二电机的输出轴通过传动系统与右主动轮连接。
步骤102分别获取搬运机器人从起始点运行至当前点的左主动轮运行距离、右主动轮运行距离。
可以采用多种方式获取左、右主动轮运行距离。例如,通过第一编码器采集左主动轮的第一脉冲信息,根据第一转速信息计算出左主动轮运行距离。通过第二编码器采集右主动轮的第二脉冲信息,根据第二转速信息计算出右主动轮运行距离。
步骤103,根据左主动轮运行距离、右主动轮运行距离以及预定运行轨迹确定搬运机器人在当前点的左主动轮跟随误差、右主动轮跟随误差。
左主动轮跟随误差、右主动轮跟随误差是指左主动轮、右主动轮运行到当前点时,左主动轮、右主动轮在预定运行轨迹上的理论位置与左主动轮、右主动轮的实际位置分别在横坐标和纵坐标上的差值。
步骤104,根据左主动轮跟随误差和右主动轮跟随误差调节第一位置环单元、第二位置环单元的增益参数,用以减少搬运机器人的实际运行轨迹与预定运行轨迹的偏差。
通过修改第一位置环单元、第二位置环单元的位置增益参数,可以在不直接调整左右两主动轮跟随误差的前提下匹配两套伺服控制系统,使搬运机器人实际的运行轨迹与预定运行轨迹尽量拟合。
在一个实施例中,第一位置环单元和第二位置环单元都为比例P控制,第一速度环单元和第二速度环单元都为比例积分PI控制。PI控制根据给定值与实际输出值构成控制偏差,将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量。
第一位置环单元输出的控制信号经过第一速度环单元作用于第一电机,第二位置环单元输出的控制信号经过第二速度环单元作用于第二电机。基于左主动轮跟随误差、右主动轮跟随误差调节第一位置环单元、第二位置环单元的比例增益参数,用以调节第一电机、第二电机的转速。
第一伺服驱动系统与第二伺服驱动系统相同,图3中的伺服驱动系统结构框图表示一个伺服驱动系统。速度环为PI控制,位置环单元为P控制。从图3中可以推导出误差传递函数为:
上式中的E(s)为位置跟随误差,R(s)为位置输入,Tvi为速度环积分控制时间常数,τ和Km为电机固有特性常数,Kv为速度环比例增益参数Ka为伺服驱动系统的集成增益,Kp为位置环的比例增益参数。
输入搬运机器人恒速运动的位置输入指令,即R(s)=V/s2,其中的速度V为常数,则伺服驱动系统的跟随误差表达式可以推导为:
伺服驱动系统处于稳态下的跟随误差可以表达为:
从1-3式中可以得出,伺服驱动系统处于稳态下的跟随误差仅由两个增益决定,其中Ka为伺服驱动系统的集成增益,Kp为位置环的比例增益参数,伺服驱动系统的集成增益包括D/A转换增益、功放增益等。
搬运机器人的运行预定轨迹为前进或后退的直线运行轨迹,将左主动轮和右主动轮的运行距离分别设置为直角坐标系的横坐标和纵坐标,将预定运行轨迹设置为在直角坐标系中与横坐标夹角呈45度的直线,则左主动轮跟随误差为左主动轮实际运行距离与左轮预定运行距离的差值,右主动轮跟随误差为右主动轮实际运行距离与右轮预定运行距离的差值。
如图4所示,将两个主动轮的运行轨迹放在直角坐标系中,坐标轴R代表右主动轮的运行距离,坐标轴L代表左主动轮的运行距离,搬运机器人的前进或后退的直线运行轨迹为直角坐标系中的一条直线,α=45°,则搬运机器人的运行实际位置在每一控制周期内都会对应坐标系内的一个点(如图4中的P点),则在上述同一控制周期内在该45度直线上也会对应有一个搬运机器人的运行理论位置点(如图4中的A点)。假设搬运机器人在运行中的期望理论位置在A点,搬运机器人的当前实际位置在P点,P点距离直线运行轨迹的偏差为ε,EL为左主动轮在当前位置时的跟随误差,ER为右主动轮在当前位置时的跟随误差。
从图4中的几何关系可以得出轨迹偏离误差与跟随误差的关系:
ε=-EL sinα+ER cosα (1-4);
当R(s)=V/s2时,由式(1-3)和(1-4)可知伺服驱动系统的稳态误差为:
从上式(1-5)可以得出,当KaLKpL=KaRKpR时,即可实现搬运机器人的稳态轨迹误差为零。KaL为第一伺服驱动系统的集成增益,KpL为第一伺服系统的位置环的比例增益参数,KaR为第二伺服驱动系统的集成增益,KpR为第二伺服系统的位置环的比例增益参数。
左主动轮和右主动轮的稳态跟随误差之比可表示为:
因此,可以根据左主动轮和右主动轮的稳态跟随误差调节第一伺服系统的位置环的比例增益参数KpL和为第二伺服系统的位置环的比例增益参数KpR,具体如下:
如果判断左主动轮跟随误差大于右主动轮跟随误差,则将第一位置环单元的比例增益参数KpL保持不变,设置第二位置环单元的新比例增益参数。
KpRnew=Kpold*ERSS/ELSS (1-7);
KpRnew为第二位置环单元的新比例增益参数,KpRold为第二位置环单元原有的比例增益参数,ERSS为右主动轮跟随误差,ELSS为左主动轮跟随误差。左主动轮跟随误差ELSS为图4中的左主动轮实际运行距离与预设距离之差EL,右主动轮跟随误差ERSS为图4中的右主动轮实际运行距离与预设运行距离之差ER。
如果判断左主动轮跟随误差小于右主动轮跟随误差,则保持第二位置环单元的比例增益参数KpR不变,设置第一位置环单元的新比例增益参数。
KpLnew=KpLold*ELSS/ERSS (1-8);
KpLnew为第一位置环单元的新比例增益参数,KpLold为第一位置环单元的原有比例增益参数。
上述实施例中提供的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法,基于左、右主动轮的跟随误差调节驱动左、右主动轮的伺服驱动系统的位置增益,使得两个独立的伺服驱动系统的动态特性得到匹配,实现两个独立的伺服驱动系统的耦合调节,减小了伺服驱动系统的动态特性对于搬运机器人运行的影响,提高了搬运机器人的运动轨迹精度。
在一个实施例中,如图5所示,本发明提供一种搬运机器人伺服驱动系统的增益调节装置50,包括:运行控制模块51、运行距离获取模块52、跟随误差确定模块53和增益调整模块54。
运行控制模块51通过第一伺服驱动系统驱动搬运机器人的左主动轮运行,通过第二伺服驱动系统驱动搬运机器人的右主动轮运行。第一伺服驱动系统包括:第一位置环单元、第一速度环单元和第一电机。第二伺服驱动系统包括:第二位置环单元、第二速度环单元和第二电机。
运行距离获取模块52分别获取搬运机器人从起始点运行至当前点的左主动轮运行距离、右主动轮运行距离。跟随误差确定模块53根据左主动轮运行距离、右主动轮运行距离以及预定运行轨迹确定搬运机器人在当前点的左主动轮跟随误差、右主动轮跟随误差。增益调整模块54根据左主动轮跟随误差和右主动轮跟随误差调节第一位置环单元和/或第二位置环单元的增益参数,用以减少搬运机器人的实际运行轨迹与预定运行轨迹的偏差。
运行距离获取模块52通过第一编码器采集左主动轮的第一脉冲信息,根据第一脉冲信息计算出左主动轮运行距离,通过第二编码器采集右主动轮的第二脉冲信息,根据第二脉冲信息计算出右主动轮运行距离。
第一位置环单元和第二位置环单元都为比例P控制,第一速度环单元和第二速度环单元都为比例积分PI控制;运行控制模块51将第一位置环单元输出的控制信号通过第一速度环单元作用于第一电机,将第二位置环单元输出的控制信号通过第二速度环单元作用于第二电机。增益调整模块54基于左主动轮跟随误差和右主动轮跟随误差调节第一位置环单元、第二位置环单元的比例增益参数,用以调节第一伺服电机、第二电机的转速。
运行预定轨迹为搬运机器人的前进或后退的直线运行轨迹。跟随误差确定模块53将左主动轮和右主动轮的运行距离分别设置为直角坐标系的横坐标和纵坐标,将运行预定轨迹设置为在直角坐标系中与横坐标夹角呈45度的直线,则确定左主动轮跟随误差为左主动轮实际运行距离与左轮预定运行距离的差值、右主动轮跟随误差为右主动轮实际运行距离与右轮预定运行距离的差值。
如果判断左主动轮跟随误差大于右主动轮跟随误差,则增益调整模块54将第一位置环单元的比例增益参数保持不变,设置第二位置环单元的新比例增益参数。KpRnew=KpRold*ERSS/ELSS,KpRnew为第二位置环单元的新比例增益参数,KpRold为第二位置环单元原有的比例增益参数,ERSS为右主动轮跟随误差,ELSS为左主动轮跟随误差。
如果判断左主动轮跟随误差小于右主动轮跟随误差,则增益调整模块54保持第二位置环单元的比例增益参数不变,设置第一位置环单元的新比例增益参数。KpLnew=KpLold*ELSS/ERSS,KpLnew为第一位置环单元的新比例增益参数,KpLold为第一位置环单元的原有比例增益参数。
在一个实施例中,本发明提供一种搬运机器人,包括如上任意实施例中的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节装置。
图6为根据本发明的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节装置的另一个实施例的模块示意图。如图6所示,该装置可包括存储器61、处理器62、通信接口63以及总线64。存储器61用于存储指令,处理器62耦合到存储器61,处理器62被配置为基于存储器61存储的指令执行实现上述的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法。
存储器61可以为高速RAM存储器、非易失性存储器(non-volatile memory)等,存储器61也可以是存储器阵列。存储器61还可能被分块,并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。处理器62可以为中央处理器CPU,或专用集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit),或者是被配置成实施本发明的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法的一个或多个集成电路。
在一个实施例中,本发明提供一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有计算机指令,指令被处理器执行时实现如上任一个实施例中的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法。
上述实施例中提供的搬运机器人伺服驱动系统的增益调节方法、装置及搬运机器人,基于左、右主动轮的跟随误差调节驱动左、右主动轮的伺服驱动系统的位置增益,使得两个独立的伺服驱动系统的动态特性得到匹配,实现两个独立的伺服驱动系统的耦合调节,减小了伺服驱动系统的动态特性对于搬运机器人运行的影响,提高了搬运机器人的运动轨迹精度,并且提高了搬运机器人运行的稳定性,能够保证物流运送的安全性。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如,可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明,本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序,除非以其它方式特别说明。此外,在一些实施例中,还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序,这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而,本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。