CN113031511A - 一种基于高阶b样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，包括以下步骤：将实时引导数据按照固定的通信周期压入输入队列；将实时引导数据进行B样条曲线路径规划；将规划好的B样条曲线路径按照控制周期离散的数据依次要入输出队列，当输出队列数据达到设定数量后，将队列中的数据依次取出，发个驱动设备。本发明采用高阶B样条对实时动态数据进行路径规划，保证了实时规划轨迹高阶可导。无需求解大量控制点完成轨迹规划，简化轨迹规划计算量。避免了由于引导数据不光滑造成多轴控制系统的抖动问题。因此即使引导数据不光滑也无需对数据进行滤波处理。

Description

一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法
技术领域
本发明属于实时规划技术领域，涉及多轴控制系统实时规划算法。根据实时动态数据，实时规划运动轨迹，保证多轴控制系统运动轨迹的是高阶可导的。
背景技术
离线规划一般仅能保证多轴控制系统完成特定的任务，无法根据实时数据进行动态调整。在某些应用场景需要根据外部传感设备引导多轴控制系统进行动态跟踪运动。如：视觉相机、力反馈手柄等。要求多轴控制系统在较小跟踪误差的同时保证跟踪运行的平滑。即使外部传感设备的引导数据不平滑时，仍能保证多轴控制系统跟踪轨迹的高阶可导。多轴控制系统实时规划应用广泛，如：如医疗设备、打磨机器人、机器人的视觉伺服系统等。多轴控制系统的实时规划策略的研究具有重要意义。
发明内容
针对多轴控制系统动态跟踪运动的跟踪误差小，运动轨迹高阶可导的问题。本发明提出一种基于B样条的多轴控制系统实时规划策略。对外部传感设备的引导数据，进行B样条规划，根据引导数据之间的距离计算B样条规划数据的节点向量；并将规划时间线性映射为B样条轨迹参数，最终获得规划轨迹关于时间的描述函数，该函数的可导性由B样条轨迹的可导性决定。而B样条的可导性由B样条的阶次和节点重合度决定。跟踪误差由分段规划所使用的引导数据的数目m及引导数据的周期ts决定。滞后时间为(m-1)*ts。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，包括以下步骤：
步骤S1：将实时引导数据按照固定的通信周期压入输入队列；
步骤S2：将实时引导数据进行B样条曲线路径规划；
步骤S3：将规划好的B样条曲线路径按照控制周期离散的数据依次要入输出队列，当输出队列数据达到设定数量后，将队列中的数据依次取出，发个驱动设备。
所述将实时引导数据按照固定的引导通信周期tg压入输入队列后，队列中的数据达到设定数目m后，发出B样条曲线路径规划信号，启动步骤S2。
设定数目m≥3。
所述将实时引导数据进行B样条曲线路径规划，包括以下步骤：
1)B样条曲线路径上的起点、中间必经点以及终点分别为Ai，Ai+1，Ai+2，i＝1,2,…；
2)所述B样条曲线的前半部分按控制周期离散，即Ai至Ai+1部分曲线，同时将Ai至
Figure BDA0002333460720000021
的所有数据点弹出队列,其中：
Figure BDA0002333460720000022
为Ai至Ai+1之间的第n点；
3)以Ai+1作为Ai点，并返回步骤1)。
所述Ai的一阶和二阶导数在i＝1处均为零、在i>1时为Ai-1处一阶和二阶导数；Ai+2的一阶和二阶导数均为零。
将S2规划的高阶B样条曲线按照多轴控制系统驱动周期ts离散，并压入输出队列。
外部引导设备通信周期tg与多轴控制系统的驱动周期ts可以相同也可不同；所述外部引导设备为力反馈手柄或视觉系统。
所述输出队列数目达到k后触发多轴控制系统的运动控制，依次将输出队列中的数据发给多轴控制系统的驱动设备。
本发明具有以下有益效果及优点：
(1)本发明采用高阶B样条对实时动态数据进行路径规划，保证了实时规划轨迹高阶可导。
(2)本发明对实时引导数据采用分段规划方法，由于分段规划所使用的数据点数目仅为3个，因此，无需求解大量控制点完成轨迹规划，简化轨迹规划计算量。
(3)本发明对非关键实时引导数据采用剔除策略，避免了由于引导数据不光滑造成多轴控制系统的抖动问题。因此即使引导数据不光滑也无需对数据进行滤波处理。
(4)本发明无需计算B样条规划的起始和终止点的一阶和二阶导数，实施过程简单方面。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法系统组成结构框图。
图2为本发明提供的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法的流程图。
图3为本发明图2中高阶B样条规划的具体实施示意图。规划仅使用3个必经点，并剔除不合理引导数据。其中，A1，
Figure BDA0002333460720000031
…为按照固定通信周期依次压入输入队列的引导数据。A1，A2，A3，…为参与规划的数据点。虚线为利用A1，A2，A3规划的高阶B样条曲线，点划线为利用A2，A3，A4规划的高阶B样条曲线，实线为利用A3，A4，A5规划化的高阶B样条曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的技术方案分三步：
第一步将外部引导设备给出的引导数据按照固定的引导通信周期tg压入输入队列，待输入队列数据数目达到m后，发出高阶B样条规划信号，启动第二步。
第二步为高阶B样条的规划过程将外部引导设备的实时引导数据进行高阶B样条规划，对压入输入队列的引导数据进行剔除处理，仅使用少量引导数据进行规划处理。即保证引导轨迹的平滑，又简化了规划处理。规划介绍后将队列中的已使用的规划数据弹出输入队列。当。输入队列数据再次达到m后，再次触发高级B样条规划。
同时将规划的B样条轨迹按照多轴控制系统驱动周期离散，并将离散结果要入输出队列。当输出队列数目达到k后，启动第三步。
第三步为将输出队列数据按照多轴控制系统驱动周期依次发个多轴控制系统的驱动设备。驱动多轴控制系统按照引导数据运动。
本发明采用了输入队列和输出队列对规划前和规划后数据进行管理。并在队列数目达到指定数目后发出相应的触发信号。输入队列保存外部设备的引导数据，用于高阶B样条轨迹规划。输出队列保存规划后的驱动数据，用于驱动多轴控制系统运动。
图1为本发明提供的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法系统组成结构框图，指出了系统的组成部分，包括外部设备、多轴控制系统及执行机构。其中外部设备可以为力反馈手柄、视觉系统等，用于给出实时引导数据；多轴控制系统主要承担多轴系统的运动规划与控制，本方法中主要是对引导数据进行B样条规划处理，为执行机构提供执行数据；多轴控制系统的执行机构执行规划数据，实现外部设备的实时引导跟踪。
图2给出了本发明的程序流程图。
步骤S1为将实时引导数据压入输入队列，是指将外部引导设备给出的引导数据按照固定的引导通信周期tg依次压入队列。并在输入队列数据达到指定数目m(m>3)后，发出高阶B样条规划信号，启动步骤S2。
步骤S2为高阶B样条的规划过程。将外部引导设备的实时引导数据进行高阶B样条规划，保证引导数据的平滑。具体规划示意图如图3所示。
以图3为例，当队列中数目达到m个时，触发高阶B样条规划，令m＝2n+3,即在压入A3点后开始A1至A3的高阶B样条规划，如图3中的虚线所示。其中n为Ai与Ai+1之间的数据数目。规划的起点，中间必经点以及终点分别为A1，A2，A3，且规划的起点和终点的一阶和二阶导数为零。完成规划后将规划的高阶B样条曲线的前半部分按多轴控制系统驱动周期离散，即A1至A2部分曲线，压入输出队列。同时将输入队列中的A1至
Figure BDA0002333460720000041
的数据弹出队列。
待输入队列数目再次达到m时，再次触发高阶B样条规划，即在压入A4点时进行高阶B样条规划，如图3中的点划线所示。规划的起点，中间必经点以及终点分别为A2，A3，A4，规划起点的一阶和二阶导数为上一次高阶B样条规划在A2点处的一阶导数和二阶导数，规划的终点的一阶和二阶导数为零。完成规划后将规划的高阶B样条曲线的前半部分按多轴控制系统驱动周期离散，即A2至A3部分曲线，压入输出对了。同时将输入队列中的A2至
Figure BDA0002333460720000051
的数据弹出队列。
依次类推，当输入引导数据依次达到A5，A6，…后都会触发高阶B样条规划，规划方式与A2，A3，A4点的规划曲线类似。
步骤S3为将步骤S2中规划并按照多轴控制系统驱动周期离散的数据依次要入队列，当输出队列数据达到数量k后，开始启动多轴控制系统的运动控制，依次将输出队列中的数据发给多轴控制系统的驱动设备。k的选择应确保步骤S2再次规划时，该队列非空。防止出现数据缺失现象。

Claims (9)

1.一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将实时引导数据按照固定的通信周期压入输入队列；
步骤S2：将实时引导数据进行B样条曲线路径规划；
步骤S3：将规划好的B样条曲线路径按照控制周期离散的数据依次要入输出队列，当输出队列数据达到设定数量后，将队列中的数据依次取出，发个驱动设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，所述将实时引导数据按照固定的引导通信周期tg压入输入队列后，队列中的数据达到设定数目m后，发出B样条曲线路径规划信号，启动步骤S2。
3.根据权利要求2所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，设定数目m≥3。
4.根据权利要求1所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，所述将实时引导数据进行B样条曲线路径规划，包括以下步骤：
1)B样条曲线路径上的起点、中间必经点以及终点分别为Ai，Ai+1，Ai+2，i＝1,2,…；
2)所述B样条曲线的前半部分按控制周期离散，即Ai至Ai+1部分曲线，同时将Ai至
Figure FDA0002333460710000011
的所有数据点弹出队列,其中：
Figure FDA0002333460710000012
为Ai至Ai+1之间的第n点；
3)以Ai+1作为Ai点，并返回步骤1)。
5.根据权利要求4所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，所述Ai的一阶和二阶导数在i＝1处均为零、在i>1时为Ai-1处一阶和二阶导数；Ai+2的一阶和二阶导数均为零。
6.根据权利要求1所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，将S2规划的高阶B样条曲线按照多轴控制系统驱动周期ts离散，并压入输出队列。
7.根据权利要求1所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，外部引导设备通信周期tg与多轴控制系统的驱动周期ts可以相同也可不同。
8.根据权利要求7所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，所述外部引导设备为力反馈手柄或视觉系统。
9.根据权利要求1所述的一种基于高阶B样条的多轴系统实时引导轨迹规划方法，其特征在于，所述输出队列数目达到k后触发多轴控制系统的运动控制，依次将输出队列中的数据发给多轴控制系统的驱动设备。
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