CN109976253A - 一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法 - Google Patents

一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械运动控制技术领域，具体公开了一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法。该方法具体包括如下步骤：1、设置多轴机械的捷度阈值和加速度阈值；2、获得多轴机械各个运动轴的PT曲线，并利用捷度阈值和加速度阈值标记各个运动轴PVT曲线上所有的突变点；3、利用插值算法替换所有突变点；4、利用各个运动轴PT曲线计算获得各种PVT曲线；5、利用运动轴PT曲线反算机械末点运动轨迹，并进行新轨迹与原始轨迹的偏差计算。本发明所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，可以在微量损失机械末点运动精度的情况下，保证机械运动状态的平滑过度。

Description

一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法
技术领域
本发明属于机械运动控制技术领域，具体涉及一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法。
背景技术
随着工业自动化程度的提升，越来越多的多轴机械装置被用于工业生产。多轴机械装置的运动控制作为自动化的核心被广泛关注。
针对多轴装置的控制算法为：首先，按照要求规划机械装置末点的运动路线；对其进行末点的S曲线运动轨迹规划，获得路径中等时间间距dt的关键点P；根据机械末点P解算当前状态最优的各运动单元瞬时位置pi，j(i为运动单元序号，j为关键点序号)，完成所有关键点解算后，即可获得各运动单元的运动轨迹；采用样条曲线对各运动单元的运动轨迹pi，j和dt按照规定的路径起点末点速度进行PVT解算。
对单个坐标运动的控制方法有多种，其中较有代表性的是基于S型曲线的加减速控制方法。其特点是将加减速过程分为7个阶段:加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段，从而渐变地控制各段的加速度使机械运动速度按S型曲线形式平滑变化，以保证速度光顺，加速度连续，在一定程度上增强机械运行的平稳性。
通过S型曲线规划机械末点轨迹，反向解算获得各运动单元的轨迹关键点，并以此计算相应的PVT轨迹，使得多轴机械运行柔顺，并保证机械运动控制的精度和速度。
当机械末点轨迹中存在状态突变时，解算到各运动单元的PVT也会突变，PVT的突变会导致瞬时加速度和加加速度(捷度)变化过大，对机械结构和电机造成冲击，甚至导致系统崩溃。为此需要对PVT的计算采用过渡点的方式进行优化，并尽可能减少由此产生的机械运动路径偏移。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其可以修正机械末点运动突变导致的运动过程中，由于机械结构和驱动电机冲击过大的问题。
本发明的技术方案如下：一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、设置多轴机械的捷度阈值和加速度阈值；
步骤2、获得多轴机械各个运动轴的PT曲线，并利用捷度阈值和加速度阈值标记各个运动轴PVT曲线上所有的突变点；
步骤3、利用插值算法替换所有突变点；
步骤4、利用各个运动轴PT曲线计算获得各种PVT曲线；
步骤5、利用运动轴PT曲线反算机械末点运动轨迹，并进行新轨迹与原始轨迹的偏差计算。
所述的步骤2具体包括：
步骤2.1、利用现有常规方法获得各个运动轴PT曲线；
步骤2.2、根据各个运动轴的PT曲线，根据捷度阈值和加速度阈值标记各个运动轴PVT曲线上所有的突变点。
所述的步骤2.1中获得各个运动轴PT曲线的具体步骤为：
步骤2.1.1、根据具体的要求规划机械装置末点的运动路线；
步骤2.1.2、对规划的运动路线进行末点的S曲线运行轨迹规划，获得路径中的关键点P；
步骤2.1.3、根据机械末点P解算当前状态最优的各运动单元瞬时位置p，完成所有关键点解算后，即可获得各运动单元的运动轨迹。
所述的步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.1、根据各个运动轴的PT曲线，并以PT曲线计算相应的加速度曲线和捷度曲线；
步骤2.2.2、根据捷度阈值和加速度阈值筛选曲线突变点，并将其在曲线中的坐标记录获得突变点集合。
所述的步骤2.2.1中根据各个运动轴的PT曲线，精确计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线的步骤为：
步骤2.2.1.1.1、每个轴上的PT曲线中P为一维标量，表示为距离；以时间T为横坐标，以距离P作为纵坐标，形成离散的PT曲线；
步骤2.2.1.1.2、将离散的PT矩形用三次样条的方式进行曲线拟合，边界条件根据起始点和末点的一阶导数来确定；
步骤2.2.1.1.3、获取相邻邻两点间的三次样条曲线表达式；
Ax3+Bx2+Cx+D＝0(x∈[ti,ti+1])，则任意点的加速度值为6Ax+2B，捷度值为6A。
所述的步骤2.2.1中根据各个运动轴的PT曲线，近似计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线的步骤为：
步骤2.2.1.2.1、每个轴上的PT曲线中P为一维标量，表示为距离；以时间T为横坐标，以距离P作为纵坐标，形成离散的PT曲线；
步骤2.2.1.2.2、近似计算获得相应的加速度值和捷度值；
对于位置点Pn，其加速度值约为：
或者
其捷度值约为：
对于首点(n＝1)和末点的加速度，其加速度值约为：
和
其捷度值约为：
所述的步骤3利用插值算法替换所有突变点的具体步骤为：
步骤3.1、对于突变点，利用当前PT曲线相邻点，采用线性差值的方法获得新的该点的纵坐标值；
对于突变点CHi，利用当前PT曲线相邻点PTk-1(x＝Tk-1，y＝Pk-1)和PTk+1(x＝Tk+1，y＝Pk+1)，用线性插值的方法计算新的PTk点的纵坐标值PTk(x＝Tk，y＝Pk+1/2+Pk-1/2)；
步骤3.2、对新的位置PT曲线，重复上述步骤，直到没有突变点出现。
所述的步骤4是利用精确计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线的方法计算路径优化后的PVT曲线。
所述的步骤5具体为：利用各个运动轴PT曲线反算机械末点运动轨迹，对比新轨迹与原始轨迹的偏差，若偏差值超过预期，则重新设定捷度阈值和加速度阈值，并重复上述步骤；反之则完成多轴机械运动规划。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，可以在微量损失机械末点运动精度的情况下，保证机械运动状态的平滑过度。
具体实施方式
一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，该方法包括如下步骤：
步骤1、设置多轴机械的捷度阈值和加速度阈值；
根据多轴机械的电机参数设置所允许的捷度阈值Hj和加速度阈值Ha；
步骤2、获得多轴机械各个运动轴的PT曲线，并利用捷度阈值和加速度阈值标记各个运动轴PVT曲线上所有的突变点；
步骤2.1、利用现有常规方法获得各个运动轴PT曲线；
步骤2.1.1、根据具体的要求规划机械装置末点的运动路线；
步骤2.1.2、对规划的运动路线进行末点的S曲线运行轨迹规划，获得路径中的关键点P；
步骤2.1.3、根据机械末点P解算当前状态最优的各运动单元瞬时位置p，完成所有关键点解算后，即可获得各运动单元的运动轨迹；
步骤2.2、根据各个运动轴的PT曲线，根据捷度阈值和加速度阈值标记各个运动轴PVT曲线上所有的突变点；
步骤2.2.1、根据各个运动轴的PT曲线，并以PT曲线计算相应的加速度曲线和捷度曲线；
步骤2.2.1.1、根据各个运动轴的PT曲线，精确计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线；
步骤2.2.1.1.1、每个轴上的PT曲线中P为一维标量，表示为距离；以时间T为横坐标，以距离P作为纵坐标，形成离散的PT曲线；
步骤2.2.1.1.2、将离散的PT矩形用三次样条的方式进行曲线拟合，边界条件根据起始点和末点的一阶导数来确定；
步骤2.2.1.1.3、获取相邻邻两点间的三次样条曲线表达式；
Ax3+Bx2+Cx+D＝0(x∈[ti,ti+1])，则任意点的加速度值为6Ax+2B，捷度值为6A；
步骤2.2.1.2、根据个运动轴的PT曲线，近似计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线；
步骤2.2.1.2.1、每个轴上的PT曲线中P为一维标量，表示为距离；以时间T为横坐标，以距离P作为纵坐标，形成离散的PT曲线；
步骤2.2.1.2.2、近似计算获得相应的加速度值和捷度值；
对于位置点Pn，其加速度值约为：
或者
其捷度值约为：
对于首点(n＝1)和末点的加速度，其加速度值约为：
和
其捷度值约为：
步骤2.2.2、根据捷度阈值和加速度阈值筛选曲线突变点，并将其在曲线中的坐标记录到突变点集合中CHi(x＝Tk，y＝Pk)(i＝1，2，3，…)，其中k为突变点在原PT曲线中的位置(序号)，即是CHi＝PTk点；
步骤3、利用插值算法替换所有突变点；
步骤3.1、对于突变点，利用当前PT曲线相邻点，采用线性差值的方法获得新的该点的纵坐标值；
对于突变点CHi，利用当前PT曲线相邻点PTk-1(x＝Tk-1，y＝Pk-1)和PTk+1(x＝Tk+1，y＝Pk+1)，用线性插值的方法计算新的PTk点的纵坐标值PTk(x＝Tk，y＝Pk+1/2+Pk-1/2)；
步骤3.2、对新的位置PT曲线，重复上述步骤，直到没有突变点出现；
步骤4、利用各个运动轴PT曲线计算获得各种PVT曲线；
利用精确计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线的方法计算路径优化后的PVT曲线；
步骤5、利用运动轴PT曲线反算机械末点运动轨迹，并进行新轨迹与原始轨迹的偏差计算；
利用各个运动轴PT曲线反算机械末点运动轨迹，对比新轨迹与原始轨迹的偏差，若偏差值超过预期，则重新设定捷度阈值和加速度阈值，并重复上述步骤；反之则完成多轴机械运动规划。

Claims (9)

1.一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤1、设置多轴机械的捷度阈值和加速度阈值；
步骤2、获得多轴机械各个运动轴的PT曲线，并利用捷度阈值和加速度阈值标记各个运动轴PVT曲线上所有的突变点；
步骤3、利用插值算法替换所有突变点；
步骤4、利用各个运动轴PT曲线计算获得各种PVT曲线；
步骤5、利用运动轴PT曲线反算机械末点运动轨迹，并进行新轨迹与原始轨迹的偏差计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤2具体包括：
步骤2.1、利用现有常规方法获得各个运动轴PT曲线；
步骤2.2、根据各个运动轴的PT曲线，根据捷度阈值和加速度阈值标记各个运动轴PVT曲线上所有的突变点。
3.根据权利要求2所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤2.1中获得各个运动轴PT曲线的具体步骤为：
步骤2.1.1、根据具体的要求规划机械装置末点的运动路线；
步骤2.1.2、对规划的运动路线进行末点的S曲线运行轨迹规划，获得路径中的关键点P；
步骤2.1.3、根据机械末点P解算当前状态最优的各运动单元瞬时位置p，完成所有关键点解算后，即可获得各运动单元的运动轨迹。
4.根据权利要求2所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.1、根据各个运动轴的PT曲线，并以PT曲线计算相应的加速度曲线和捷度曲线；
步骤2.2.2、根据捷度阈值和加速度阈值筛选曲线突变点，并将其在曲线中的坐标记录获得突变点集合。
5.根据权利要求4所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤2.2.1中根据各个运动轴的PT曲线，精确计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线的步骤为：
步骤2.2.1.1.1、每个轴上的PT曲线中P为一维标量，表示为距离；以时间T为横坐标，以距离P作为纵坐标，形成离散的PT曲线；
步骤2.2.1.1.2、将离散的PT矩形用三次样条的方式进行曲线拟合，边界条件根据起始点和末点的一阶导数来确定；
步骤2.2.1.1.3、获取相邻邻两点间的三次样条曲线表达式；
Ax3+Bx2+Cx+D＝0(x∈[ti,ti+1])，则任意点的加速度值为6Ax+2B，捷度值为6A。
6.根据权利要求4所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤2.2.1中根据各个运动轴的PT曲线，近似计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线的步骤为：
步骤2.2.1.2.1、每个轴上的PT曲线中P为一维标量，表示为距离；以时间T为横坐标，以距离P作为纵坐标，形成离散的PT曲线；
步骤2.2.1.2.2、近似计算获得相应的加速度值和捷度值；
对于位置点Pn，其加速度值约为：
或者
其捷度值约为：
对于首点(n＝1)和末点的加速度，其加速度值约为：
和
其捷度值约为：
7.根据权利要求1所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤3利用插值算法替换所有突变点的具体步骤为：
步骤3.1、对于突变点，利用当前PT曲线相邻点，采用线性差值的方法获得新的该点的纵坐标值；
对于突变点CHi，利用当前PT曲线相邻点PTk-1(x＝Tk-1，y＝Pk-1)和PTk+1(x＝Tk+1，y＝Pk+1)，用线性插值的方法计算新的PTk点的纵坐标值PTk(x＝Tk，y＝Pk+1/2+Pk-1/2)；
步骤3.2、对新的位置PT曲线，重复上述步骤，直到没有突变点出现。
8.根据权利要求1所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤4是利用精确计算获得相应的加速度曲线和捷度曲线的方法计算路径优化后的PVT曲线。
9.根据权利要求1所述的一种基于捷度控制的多轴机械运动轨迹规划方法，其特征在于：所述的步骤5具体为：利用各个运动轴PT曲线反算机械末点运动轨迹，对比新轨迹与原始轨迹的偏差，若偏差值超过预期，则重新设定捷度阈值和加速度阈值，并重复上述步骤；反之则完成多轴机械运动规划。
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