CN110007599A - 一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法及系统，激光雷达扫描机构包括基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2，基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2依次转动连接，该方法包括：利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；根据所建立的关节坐标系以及激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩‑关节角动力学方程；建立滑模角度控制器以对关节角实际角度进行调节，得到电机施加于激光雷达扫描机构的力矩。本发明通过采用积分滑模控制，消除了到达阶段的颤振和噪声敏感问题，消除了激光雷达扫描机构系统动力学的不确定性，提高了系统的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染排放检测技术领域，特别涉及一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法及系统。
背景技术
当前，我国大气环境形势严峻，污染物排放总量大，以细颗粒物为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出。频繁发生的灰霾等区域性大气污染问题，与机动车、工程车辆、船舶等城市移动污染源尾气的不达标排放密切相关。移动源污染已经成为我国大气污染问题中最突出、最急迫的问题之一。
在船舶等非道路移动污染源的排放监测方面，由于无法安装光学反射装置，必须采用被动式扫描观测系统，即大气测污激光雷达，其通过向大气中发射特定波长的激光，采集并分析与大气介质发生物理作用后的散射光谱，来获取大气成分的浓度信息。
但是，这种监测分析方法存在的缺陷在于：一是，测量光程距离长、监测区域面积小，导致观测目标的自定位非常困难；二是，在观测系统的随动过程中，微小振动就会带来极大的检测误差，抗干扰能力较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光雷达扫描机构的自适应滑模控制方法及系统，以提高对外部干扰的自适应能力。
为实现以上目的，本发明采用一种激光雷达扫描机构的自适应滑模控制方法，激光雷达扫描机构包括基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2，基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2依次转动连接，该方法包括：
利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
进一步地，所述根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程，包括：
根据所述关节坐标系对应的DH参数，建立所述激光雷达扫描机构的正运动学方程；
根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程。
进一步地，所述根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程，包括：
基于所述激光雷达扫描机构的正运动学方程，利用Newton-Euler方法进行前行迭代和后向迭代，得到激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学模型；
将所述激光雷达扫描机构的动力参数代入所述力矩-关节角动力学模型，得到所述力矩-关节角动力学方程。
进一步地，所述激光雷达扫描机构的力矩包括电机施加于所述方位旋转关节B1的力矩τ1和俯仰旋转关节B2的力矩τ2，所述方位旋转关节B1的关节角为所述俯仰旋转关节B2的关节角为
在所述建立激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程之后，还包括：
令τ＝(τ1 τ2)T，将所述力矩-关节角动力学方程转换为：
其中，M(q)为广义惯性矩阵，为向心力与科里奥利力矩阵，G(q)为重力，τd为外部扰动，表示正对角增益矩阵表示关节角速度，表示关节角加速度。
进一步地，所述建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩，包括：
利用所述激光雷达扫描机构关节角的期望角度qd与实际角度q的差值e，构造积分滑模面
利用所述积分滑模面，设计滑模角度控制以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩，该滑模角度控制规律为：
其中，表示期望角加速度，KD表示滑模控制规律的比例系数，表示跟踪误差的导数，Kp表示滑模控制规律的积分系数，比例项Kpe用于加快系统跟踪的动态响应，积分项用于消除系统跟踪的稳态误差，K(s)表示动态增益，表示的估计值，t为时间变量。
进一步地，所述动态增益K(s)的表示形式为：
αii表示自适应增益矩阵，表示接受层，βi表示与跟踪精度相关的规范因子，si表示滑模面向量s的第i个元素，sgn()表示符号函数，大于0时取1，小于0时取-1，表示矩阵K导数的第i个对角元素，表示矩阵K第i个对角元素的平方值。
进一步地，还包括：
对所述采用时延估计，则所述转换为：
相应地，所述滑模角度控制规律为：
其中，L表示采样时间，τt-L表示τ在时刻t前L时间的值，表示在t时刻前L时间的值。
进一步地，所述方位旋转关节B1在竖直平面内转动，所述俯仰旋转关节B2在水平面内转动。
第二方面，提供一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统，包括激光雷达扫描机构和控制器，激光雷达扫描机构包括基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B3，基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2依次转动连接；
所述控制器包括坐标系建立模块、动力学方程建立模块和滑模控制模块，其中：
坐标系建立模块用于利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
动力学方程建立模块用于根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
滑模控制模块用于建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
第三方面，提供一种计算机可读存储介质，包括与存储设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序用于被处理器执行，包括：
利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过在激光雷达扫描机构的动力学方程基础上，利用定位平台各关节角的期望角度和实际角度的差值，构造积分滑模面，根据积分滑模面设计滑模控制规律以对实际关节角的角度进行调节，得到力矩值，以对激光雷达扫描机构的系统状态进行跟踪。通过采用积分滑模控制，消除了到达阶段的颤振和噪声敏感问题，消除了激光雷达扫描系统动力学的不确定性，提高了系统的鲁棒性，使得激光雷达能够快速、准确、稳定的跟踪目标。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法的流程示意图；
图2是本方案对应的控制原理框图；
图3是激光雷达扫描机构的结构示意图；
图4是激光雷达扫描机构的形心结构示意图；
图5是激光雷达扫描机构的D-H连杆坐标系结构示意图；
图6是激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，激光雷达扫描机构包括基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2，基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2依次转动连接，该控制方法包括如下步骤S1至S3：
S1、利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
S2、根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
S3、建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
具体地，如图3-图5所示，方位旋转关节和俯仰旋转关节自身均包含了电机、驱动、传动装置，将电机作为执行机构带动方位旋转关节和俯仰旋转关节旋转。在上述步骤S1中：以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2分别作为关节点，基座B0、方位旋转关节B1以方位旋转轴进行转动，俯仰旋转关节B2以俯仰旋转轴进行转动，采用Denavit-Hartenberg(DH)法建立三个关节点的三维坐标系。如图4所示，方位旋转关节B1在竖直平面内转动，所述俯仰旋转关节B2在水平面内转动，将基座B0和方位旋转关节B1之间的转动连接点作为第一坐标系的坐标原点O0，将方位旋转轴和俯仰旋转轴的交点作为第二坐标系原点O1，将俯仰旋转轴上的一点作为第三坐标系的原点O2。
S0、S1和S2分别是B0、B1和B2的质心位置，和为关节角，其分别表示方位旋转关节的方位角和俯仰旋转关节的俯仰角；τ1和τ2分别表示电机施加于方位旋转关节B1的力矩和电机施加于俯仰旋转关节B2的力矩；O0O1之间的距离为d1，O1O2之间的距离为d2。
将B1至安装在B1上用于驱动B2的电机之间的连线作为第一连杆，将B2本体作为第二连杆，根据各关节之间的连杆参数得到所建坐标系对应的DH参数表，如表1所示：
表1
表中，a1为轴zi与轴zi-1的公垂线的长度，αi为轴zi-1与zi轴之间的夹角，当绕轴xi逆时针转动时为正；di为轴zi与轴zi-1的公垂线与轴zi-1的交点沿轴zi-1的坐标；为轴xi-1与轴xi之间的夹角，当绕轴zi-1逆时针转动时为正。
具体地，上述步骤S2：根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程，具体包括如下细分步骤S21至S22：
S21、根据所述关节坐标系对应的DH参数，建立所述激光雷达扫描机构的正运动学方程。
根据上述表1中的参数，建立激光雷达扫描机构的正运动学方程如下：
其中，表示从O0之坐标系到O1坐标系的齐次变换矩阵；分别表示分别表示表示O0坐标系到O1坐标系的一步齐次变换矩阵，表示O1坐标系到O2坐标系的一步齐次变换矩阵。
S22、根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程。
具体地，其包括如下步骤S221至S222：
S221、基于所述激光雷达扫描机构的正运动学方程，利用Newton-Euler方法进行前行迭代和后向迭代，得到激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学模型。
根据Newton-Euler方法，前向递推公式为：
其中，表示Bi的角速度，表示Bi-1的角速度，表示坐标系i的z轴方向的单位向量，表示坐标系i-1的z轴方向的单位向量，表示绕zi-1轴的角速度，表示Oi的加速度，表示Oi-1的加速度，表示Bi的角加速度，表示i向表示Si的加速度，表示向量 表示电机转子的角加速度，kri为齿轮减速比，为转子转轴的方向的单位向量，表示的二阶导数。
后向递推公式为
其中，表示连杆i-1对连杆i施加的作用力，表示连杆i对连杆i+1施加的作用力，mi表示Bi的质量，表示连杆i-1对连杆i关于坐标系i-1原点Oi-1的力矩，表示连杆i对连杆i+1关于坐标系i原点Oi的力矩，表示Bi关于坐标系i的惯性张量矩阵，和表示转子绕转轴的转动惯量，表示Bi+1转子转轴的单位向量，kr,i+1为齿轮减速比，表示绕zi轴的角速度，表示绕zi轴角加速度，为在坐标系i的z轴上的分量即力矩，表示的转置，表示连杆i-1对连杆i关于坐标系i-1原点Oi-1的力矩，表示的转置。
S222、将所述激光雷达扫描机构的动力参数代入所述力矩-关节角动力学模型，得到所述力矩-关节角动力学方程。
具体地，假设在当前连杆坐标系中的坐标中，激光雷达扫描机构的动力参数包括m1＝100，m2＝46.5，r0,1＝0.18，r1,2＝0.4，
代入激光雷达扫描机构的参数进行推导，得到激光雷达扫描机构的动力学方程为：
令τ＝(τ1 τ2)T，将所述力矩-关节角动力学方程转换为：
将上述动力学方程改写为：
其中，M(q)为广义惯性矩阵，为向心力与科里奥利力矩阵，G(q)为重力，τd为外部扰动，表示正对角增益矩阵，表示关节角速度，表示关节角加速度，具体如下：
具体地，上述步骤S3：建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩，包括如下细分步骤S31至S32：
S31、利用所述激光雷达扫描机构关节角的期望角度qd与实际角度q的差值e，以差值e为跟踪误差，构造积分滑模面
S32、利用所述积分滑模面，设计滑模角度控制以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩，该滑模角度控制规律为：
其中，表示期望角加速度，KD表示滑模控制规律的比例系数，表示跟踪误差的导数，Kp表示滑模控制规律的积分系数，比例项Kpe用于加快系统跟踪的动态响应，积分项用于消除系统跟踪的稳态误差，K(s)表示动态增益，表示的估计值，t为时间变量。
需要说明的是，本实施例通过采用积分滑模控制，消除了到达阶段的颤振和噪声敏感问题，消除了激光雷达扫描机构系统动力学的不确定性，提高了系统的鲁棒性，使得激光雷达扫描机构能够快速、准确、稳定的跟踪目标。同时在滑模控制中还采用了自适应动态增益，提高了滑模控制对参数变化的自适应性和控制精度。
优选地，动态增益K(s)的表示形式为：
αii表示自适应增益矩阵，表示接受层，βi表示与跟踪精度相关的规范因子，si表示滑模面向量s的第i个元素，sgn()表示符号函数，大于0时取1，小于0时取-1，表示矩阵K导数的第i个对角元素，表示矩阵K第i个对角元素的平方值。
本实施例还公开了一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，本实施例公开的方案在上述实施例公开内容的基础上，还包括如下步骤：
对滑模控制规律中的采用Nt-L时延估计，则所述转换为：
其中，L表示采样时间，且L足够小，τt-L表示τ在时刻t前L时间的值，表示在t时刻前L时间的值，Nt-L表示N矩阵在t时刻前L时间的值。
相应地，所述滑模角度控制规律为：
需要说明的是，由于激光雷达扫描机构动力学的不确定性，本实施例通过对采用时延估计，以消除系统动力学的非线性和不确定性，如参数变化和干扰，使得滑模不依赖于系统模型，可快速、准确、稳定的跟踪目标，与传统的方法相比，本实施例方案具有跟高的跟踪性能和更小的能量消耗。
进一步地，本实施例在选取参数矩阵的第i个对角元素时，从一个小值开始逐渐增大，直到系统震荡，因为较小的可以有效的削弱噪声的影响，使整个系统一致最终有界。
如图6所示，本实施例公开了一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统，包括激光雷达扫描机构10和控制器20，激光雷达扫描机构包括基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B3，基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2依次转动连接；
所述控制器20包括坐标系建立模块21、动力学方程建立模块22和滑模控制模块23，其中：
坐标系建立模块21用于利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
动力学方程建立模块22用于根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
滑模控制模块23用于建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
需要说明的是，本实施例公开的一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统与上述实施例公开的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法相对应，具体技术方案的实现及效果参见上述方法实施例中的描述，该处不再赘述。
本实施例还公开了一种计算机可读存储介质，包括与存储设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序用于被处理器执行，包括：
利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，所述激光雷达扫描机构包括基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2，基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2依次转动连接，该方法包括：
利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
2.如权利要求1所述的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，所述根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程，包括：
根据所述关节坐标系对应的DH参数，建立所述激光雷达扫描机构的正运动学方程；
根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程。
3.如权利要求2所述的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，所述根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程，包括：
基于所述激光雷达扫描机构的正运动学方程，利用Newton-Euler方法进行前行迭代和后向迭代，得到激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学模型；
将所述激光雷达扫描机构的动力参数代入所述力矩-关节角动力学模型，得到所述力矩-关节角动力学方程。
4.如权利要求1或2或3所述的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，所述激光雷达扫描机构的力矩包括电机施加于所述方位旋转关节B1的力矩τ1和俯仰旋转关节B2的力矩τ2，所述方位旋转关节B1的关节角为θ1，所述俯仰旋转关节B2的关节角为θ2；
在所述建立激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程之后，还包括：
令τ＝(τ1 τ2)T，q＝(θ1 θ2)T，将所述力矩-关节角动力学方程转换为：
其中，M(q)为广义惯性矩阵，为向心力与科里奥利力矩阵，G(q)为重力，τd为外部扰动，表示正对角增益矩阵，表示关节角速度，表示关节角加速度。
5.如权利要求4所述的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，所述建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩，包括：
利用所述激光雷达扫描机构关节角的期望角度qd与实际角度q的差值作为跟踪误差e，构造积分滑模面
利用所述积分滑模面，设计滑模角度控制以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩，该滑模角度控制规律为：
其中，表示期望角加速度，KD表示滑模控制规律的比例系数，表示跟踪误差e的导数，Kp表示滑模控制规律的积分系数，比例项Kpe用于加快系统跟踪的动态响应，积分项用于消除系统跟踪的稳态误差，K(s)表示动态增益，表示的估计值，t为时间变量。
6.如权利要求5所述的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，所述动态增益K(s)的表示形式为：
αii表示自适应增益矩阵，表示接受层，βi表示与跟踪精度相关的规范因子，si表示滑模面向量s的第i个元素，sgn()表示符号函数，大于0时取1，小于0时取-1，表示矩阵K导数的第i个对角元素，表示矩阵K第i个对角元素的平方值。
7.如权利要求5所述的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，还包括：
对所述采用时延估计，则所述转换为：
相应地，所述滑模角度控制规律为：
其中，L表示采样时间，τt-L表示τ在时刻t前L时间的值，表示在t时刻前L时间的值。
8.如权利要求1所述的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法，其特征在于，所述方位旋转关节B1在竖直平面内转动，所述俯仰旋转关节B2在水平面内转动。
9.一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统，其特征在于，包括激光雷达扫描机构和控制器，激光雷达扫描机构包括基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B3，基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2依次转动连接；
所述控制器包括坐标系建立模块、动力学方程建立模块和滑模控制模块，其中：
坐标系建立模块用于利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
动力学方程建立模块用于根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
滑模控制模块用于建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括与存储设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序用于被处理器执行，包括：
利用DH建模方法，以基座B0、方位旋转关节B1和俯仰旋转关节B2作为关节点，分别建立关节坐标系；
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数，建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程；
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节，得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
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