CN117718973A - 基于轴向加速度的机器人离散控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉机器人速度控制技术领域，具体提供一种基于轴向加速度的机器人离散控制系统及方法，系统包括：由比较元件、控制器、执行器相连构成的前向通道，以及由采样器和反馈环节相连构成的反馈通道；比较元件获取反馈信号，并根据反馈信号与预设速度信号，得到误差信号，将误差信号传递给控制器进行处理；控制器用于根据误差信号，处理得出控制信号；执行器用于根据控制信号得到输出量，再根据输出量调整机器人的驱动轮变速。本申请通过加速度传感器采样无缝钢管轴向瞬时加速度作为反馈通道的输入信号，实现机器人轴向速度的精准反馈，可抵抗管内行走过程的瞬时振动现象，并解决驱动轮转速与机器人在无缝钢管内轴向行走速度不一致的问题。

Description

基于轴向加速度的机器人离散控制系统及方法

技术领域

本申请涉机器人速度控制技术领域，尤其涉及一种基于轴向加速度的机器人离散控制系统及方法。

背景技术

无缝钢管是一种广泛使用的工业材料，其质量对于许多关键应用（如石油、天然气传输，锅炉和压力容器制造等）至关重要。为了确保无缝钢管的质量，内检测机器人被引入以检测钢管内部的缺陷。然而，这些机器人在无缝钢管内的行走控制面临许多挑战。

现有的技术控制系统通常采用控制补偿的方式调整控制系统，而非直接的速度控制，不能针对速度控制进行优化，精度的控制提升效果差，效率低。且传统的基于编码器、里程轮或GPS的速度控制系统在钢管内部的应用中，常常因为环境条件（如光照、GPS信号遮挡等）和机械结构限制（如里程轮打滑，编码器精度问题等），导致控制精度低、稳定性差。

发明内容

为解决上述现有的控制系统通常采用补偿的方式调整控制系统，而非直接的速度控制，不能针对速度控制进行优化，精度的控制提升效果差，效率低的问题。

本申请一方面，提供一种基于轴向加速度的机器人离散控制系统，包括：由比较元件、控制器、执行器相连构成的前向通道，以及由采样器和反馈环节相连构成的反馈通道；

所述比较元件的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述执行器的输入端连接，所述执行器的输出端与机器人的驱动轮通信连接，所述执行器为直流电机伺服系统，所述执行器的输出端通过串口与所述机器人的驱动轮通信连接；

所述采样器的输入端与所述机器人本体上的加速度传感器通信连接，所述采样器的输出端与所述反馈环节的输入端连接，所述反馈环节的输出端与所述比较元件的输入端连接；

其中，所述采样器用于采集所述机器人本体的轴向瞬时加速度信号，处理得到采样信号，并将所述采样信号由连续信号转变为离散信号；

所述反馈环节用于将所述采样信号处理后得到反馈信号，并将所述反馈信号反馈到所述比较元件，以使所述比较元件根据所述反馈信号得到误差信号；

所述比较元件用于获取反馈信号，并根据所述反馈信号与预设速度信号，得到误差信号，将所述误差信号传递给所述控制器进行处理；

所述控制器用于根据所述误差信号，处理得出控制信号；

所述执行器用于根据所述控制信号得到输出量，再根据所述输出量调整所述机器人的驱动轮变速。

在一种可行的实现方式中，所述前向通道还包括控制开关，所述控制开关设在所述控制器和所述比较元件之间，所述控制开关用于调整所述控制器的控制周期。

在一种可行的实现方式中，所述反馈通道还包括采样开关，所述采样开关设在所述采样器的输入端之前；

所述采样开关用于调整所述采样器的采样周期；当所述采样开关闭合时，所述采样器开始采集所述轴向瞬时加速度信号；当所述采样开关断开时，所述采样器停止采集所述轴向瞬时加速度信号；所述采样开关从闭合到断开的时长为所述采样周期的长度。

在一种可行的实现方式中，所述前向通道还包括第一零阶保持器，所述第一零阶保持器设在所述控制器和执行器之间，所述第一零阶保持器用于将所述控制信号从离散信号处理为连续信号；

所述反馈环节还包括第二零阶保持器，所述第二零阶保持器设在所述反馈环节末端，所述第二零阶保持器用于将所述反馈信号从离散信号处理为连续信号。

在一种可行的实现方式中，所述反馈环节包括反馈滤波器，所述反馈滤波器用于从采样信号中提取有用的信息得到反馈信号。

本申请另一方面，提供一种基于轴向加速度的机器人离散控制方法，包括步骤：

在Simulink软件中建立基于轴向加速度的机器人离散控制系统模型；

设置模型参数，对系统模型进行调试，调试后，将部分模型参数设置为常数，并给定轴向加速度的机器人离散控制系统模型中预设速度信号的值；

通过比较元件得到误差信号，其中，初次反馈信号的值为0，误差信号的值与预设速度信号的值相同；

通过控制器对误差信号采用脉冲传递函数及差分方程表进行计算，得到控制信号；

通过执行器根据所述控制信号得到输出量，根据所述输出量调整控制驱动轮变速；

通过采样器采集调整后的驱动轮的轴向瞬时加速度信号，处理得到采样信号，并将所述采样信号由连续信号转变为离散信号；

通过反馈环节将所述采样信号处理后得到反馈信号，将反馈信号再次通过比较元件进行处理并重复上述步骤。

在一种可行的实现方式中，部分模型参数包括控制周期、数字控制器系数、直流电机机械时间常数、采样周期、差分采样计算次数、反馈滤波器记忆因子。

在一种可行的实现方式中，还包括：通过系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)及不同输入模式下的动态响应得到系统动特性分析结构；

根据所述系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)得到的离散控制系统中误差的稳态值；

其中，系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)为：

；

；

式中，z是复数变量，表示离散时间点的移位，G_main(z)表示主系统的脉冲传递函数；G_s(z)表示执行器的脉冲传递函数；G_f(z)表示反馈滤波器的脉冲传递函数；G_d(z)表示控制器的脉冲传递函数。

在一种可行的实现方式中，所述通过控制器对误差信号采用脉冲传递函数及差分方程进行计算，得到控制信号的步骤中，所述差分方程如下：

；

；

表示PID控制器的传递函数；u(k)表示PID控制器的输出函数，其中z是复数变量，表示离散时间点的移位；u(k)表示当前时间步的控制器输出；/>表示前一个时间步的控制器输出；

e(k)表示当前时间步的误差信号；k_P表示比例增益；k_I表示积分增益；k_D表示微分增益；表示离散时间点的移位，即时间向前推移一个单位；/>表示离散时间点的移位，即时间向前推移两个单位。

在一种可行的实现方式中，根据所述脉冲传递函数得到的离散控制系统中误差的稳态值如下式：

；

；

e_p(∞)表示离散控制系统中误差的位置误差稳态值，e_v(∞)离散控制系统中误差的速度误差稳态值；式中，E(z)是离散控制系统中误差系统的脉冲传递函数，R_p(z)是给定位置参考信号的脉冲传递函数，R_v(z)是给定速度参考信号的脉冲传递函数，K_p是位置误差系统的增益，K_v是速度误差系统的增益。

由上述内容可知，本申请提供一种基于轴向加速度的机器人离散控制系统及方法，系统包括：由比较元件、控制器、执行器相连构成的前向通道，以及由采样器和反馈环节相连构成的反馈通道；执行器为直流电机伺服系统，所述执行器的输出端通过串口与所述机器人的驱动轮通信连接；所述采样器的输入端与所述机器人本体上的加速度传感器通信连接，所述比较元件获取反馈信号，并根据所述反馈信号与预设速度信号，得到误差信号，将所述误差信号传递给所述控制器进行处理；所述控制器用于根据所述误差信号，处理得出控制信号；所述执行器用于根据所述控制信号得到输出量，再根据所述输出量调整所述机器人的驱动轮变速。本申请将通过加速度传感器采样无缝钢管轴向的瞬时加速度作为反馈通道的输入信号，实现机器人轴向速度的精准反馈，可抵抗管内行走过程的瞬时振动现象，并通过与现有直流伺服系统融合的方案，在驱动轮发生转矩波动时能保持系统动态稳定，同时解决了驱动轮转速与机器人在无缝钢管内轴向行走速度不一致问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明实施的实施例，并与说明书一起用于解释本发明实施例的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的基于轴向加速度的机器人离散控制系统的闭环结构示意图；

图2是本申请实施例提供的基于轴向加速度的机器人离散控制方法的流程示意图；

图3是本申请实施例提供的常规控制系统的闭环结构示意图；

图4是本申请实施例提供的机器人驱动轮的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明实施例将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明实施例的实施方式的充分理解。

无缝钢管是一种广泛使用的工业材料，其质量对于许多关键应用（如石油、天然气传输，锅炉和压力容器制造等）至关重要。为了确保无缝钢管的质量，内检测机器人被引入以检测钢管内部的缺陷。然而，这些机器人在无缝钢管内的行走控制面临许多挑战。传统的基于编码器、里程轮或GPS的速度控制系统在钢管内部的应用中，常常因为环境条件（如光照、GPS信号遮挡等）和机械结构限制（如里程轮打滑，编码器精度问题等），导致控制精度低、稳定性差。为了解决这些问题，本申请一方面提供一种基于轴向加速度的机器人离散控制系统，利用轴向加速度传感器构建离散速度闭环控制系统，使得管内机器人在数字全闭环速度模式下运行。这种方法旨在提高机器人在无缝钢管内的行走控制精度和稳定性。

参照图1所示，本申请实施例中的基于轴向加速度的机器人离散控制系统包括：由比较元件、控制器、执行器相连构成的前向通道，控制器根据比较元件的误差信号信号，输出相应的控制信号给执行器。执行器，作为系统的驱动部分，将控制信号转化为实际的动作，驱动机器人的驱动轮进行变速。

同时，系统还包括反馈通道，反馈通道由采样器和反馈环节组成。采样器负责从机器人的驱动轮上的加速度传感器采集轴向瞬时加速度信号，将这些连续的信号转化为离散的采样信号。这些采样信号经过反馈环节的处理，形成反馈信号，再反馈到比较元件中。这样，比较元件可以根据反馈信号与预设的速度信号进行比较，得到误差信号。

同时，反馈环节的输出端与所述比较元件的输入端连接，使离散控制系统形成完整的闭环反馈。

具体的，本申请实施例中采样器作为系统的感知部分，能够实时感知机器人本体的加速度变化，并将这些连续的信号转化为离散的采样信号，为后续的处理提供数据基础；反馈环节能够将采样器采集的采样信号进行处理，得到反馈信号，这个反馈信号能够反映机器人当前的状态，为比较元件提供参考；比较元件对反馈信号与预设的速度信号进行比较，得到误差信号。这个误差信号代表了实际速度与预设速度之间的差异，是控制器进行调节的依据；控制器根据误差信号进行计算，输出控制信号给执行器。这个控制信号决定了执行器如何动作，进而影响机器人的运动状态；执行器根据控制器的控制信号来调整机器人的驱动轮的变速。这个部分的动作直接影响到机器人的运动轨迹和速度。

综上所述，本申请实施例中的基于轴向加速度的机器人离散控制系统通过比较元件、控制器、执行器等各部分的协同工作，实现了对机器人运动的精确控制。同时，通过反馈通道的引入，系统能够实时感知机器人状态并进行调整，提高了控制的实时性和准确性。

在本申请一些实施例中，继续参照图1所示，所述前向通道不仅包含了比较元件、控制器和执行器，还设有控制开关。控制开关被设置在控制器和比较元件之间，作用是调整控制器的控制周期。

控制开关作为一个重要的调节元件，对整个系统的控制精度和响应速度起到了关键作用。它的闭合与断开的切换频率直接决定了控制器的控制周期。具体的，控制开关的切换频率越高，控制器的控制周期就越短，系统对外部变化的响应速度就越快，控制精度也相应提高。相反，如果控制开关的切换频率较低，控制器的控制周期就会变长，系统的响应速度减慢，然而，可以设在某些需要减少计算负担的场景下。

因此，通过调整控制开关的切换频率，可以在不同的应用场景下，灵活地调整控制器的控制周期，以适应不同的控制需求。这不仅提高了系统的灵活性和适应性，还为机器人的精确控制提供了更多的可能性。

在本申请一些实施例中，继续参照图1所示，所述反馈通道中，除了采样器和反馈环节外，还具有采样开关。采样开关被设置在采样器的输入端之前，作用是调整采样器的采样周期。

采样开关的功能在于控制采样器的工作状态。当采样开关闭合时，采样器开始采集轴向瞬时加速度信号；而当采样开关断开时，采样器则会停止采集。采样开关从闭合到断开的时长，就决定了采样周期的长度。因此，通过调整采样开关的状态，可以灵活地改变采样器的采样频率，从而影响整个反馈通道的工作方式。

采样周期是离散控制系统中的一个关键参数，它决定了系统对外部变化的响应速度和精度。较短的采样周期意味着更高的采样频率，系统能更快速地响应外部变化，但同时也增加了处理器的负担和功耗。而较长的采样周期则相反，系统响应速度减慢，但处理器负担减轻。

通过引入采样开关，系统可以根据实际需求，灵活地调整采样周期，以在性能和能耗之间取得平衡。例如，在需要快速响应的场景下，可以缩短采样周期以提高系统的响应速度；而在对实时性要求不高的场景下，可以适当延长采样周期以降低能耗。因此，当采样开关作为反馈通道中的一部分，通过调整采样器的采样周期，为系统提供了更大的灵活性，使得离散控制系统能够更好地适应不同的应用场景和需求。

在本申请一些实施例中，继续参照图1所示，前向通道中设有第一零阶保持器，第一零阶保持器设置在控制器和执行器之间。第一零阶保持器的主要功能是将控制器输出的控制信号从离散信号转换为连续信号。离散信号是指只在特定的时间点上有定义的信号，而连续信号则是在整个时间轴上都有定义的信号。

通过第一零阶保持器的转换，控制器输出的控制信号从离散形式变为连续形式，使得执行器能够更好地理解和执行控制信号，确保机器人驱动轮的变速动作平滑且精确。这一转换过程对保持系统的稳定性和控制的精确性至关重要。

另一方面，反馈环节中设有第二零阶保持器，第二零阶保持器位于反馈环节的末端，第二零阶保持器的主要功能是将反馈信号从离散信号转换为连续信号。这一转换过程使得反馈信号能够更好地反映机器人的实时状态，为比较元件提供更准确的信息，从而提高了误差信号的准确性。

可以理解的是，第一零阶保持器和第二零阶保持器在离散控制系统中起到了信号转换的作用。它们将离散信号转换为连续信号，确保了系统各部分之间的顺畅通信和协同工作，提高了整个系统的稳定性和控制精度。

在本申请一些实施例中，继续参照图1所示，所述前向通道还包括反馈滤波器。反馈滤波器的主要作用是从采样信号中提取有用的信息，从而得到更加纯净和准确的反馈信号。

在离散控制系统中，采样信号包含了机器人的加速度信息，但同时也可能包含噪声和其他干扰信号。这些噪声和干扰可能会对反馈信号的准确性产生影响，进而影响整个系统的控制性能。为了解决这个问题，在本申请实施例中引入了反馈滤波器。

反馈滤波器采用特定的算法和滤波器设计，对采样信号进行滤波处理，去除其中的噪声和干扰成分，只保留有用的信息。通过这样的处理，反馈信号能够更加准确地反映机器人的实际状态，为比较元件提供更加可靠的参考。本申请实施例中的反馈滤波处理在离散控制系统中不仅能够提高反馈信号的准确性，还有助于提高整个系统的稳定性和控制精度。

本申请另一方面提供一种基于轴向加速度的机器人离散控制方法，参照图2所示，包括步骤：

S100：在Simulink软件中建立基于轴向加速度的机器人离散控制系统模型。通过Simulink软件，可以根据机器人运动学和动力学原理，构建一个离散控制系统模型，并将用于后续的仿真和调试。

S200：设置模型参数，对系统模型进行调试。在系统模型建立后，需要对其参数进行设置并进行调试，确保模型的正确性和稳定性。调试过程中，可以不断调整参数，使模型更接近实际机器人系统的特性。其中，部分模型参数在调试后可以设置为常数，以简化后续计算。同时，预设速度信号的值也需要给定，这是控制机器人运动的关键参数。

在本申请一些实施例中，部分模型参数包括控制周期、数字控制器系数、直流电机机械时间常数、采样周期、差分采样计算次数、反馈滤波器记忆因子。

S300：通过比较元件得到误差信号。误差信号是控制系统中非常重要的部分，反映了实际输出与期望输出的差距。在本步骤中，初次反馈信号的值为0，误差信号的值与预设速度信号的值相同。这意味着首次按照预设速度信号对机器人的实际速度通过控制信号进行调整，后续再根据误差逐渐矫正。

S400：通过控制器对误差信号采用脉冲传递函数及差分方程表进行计算，得到控制信号。控制器是离散控制系统的核心部分，它根据误差信号和其他输入信号，通过特定的算法计算出控制信号。在本步骤中，控制器利用脉冲传递函数和差分方程表对误差信号进行处理，得到精确的控制信号。

具体的，本步骤中，所述通过控制器对误差信号采用脉冲传递函数及差分方程进行计算，得到控制信号的步骤中，所述差分方程如下：

(1)

(2)

表示PID控制器的传递函数；u(k)表示PID控制器的输出函数，其中z是复数变量，表示离散时间点的移位；u(k)表示当前时间步的控制器输出；/>表示前一个时间步的控制器输出。

e(k)表示第当前时间步的误差信号；k_P表示比例增益；k_I表示积分增益；k_D表示微分增益；表示离散时间点的移位，即时间向前推移一个单位；/>表示离散时间点的移位，即时间向前推移两个单位。

在本申请实施例中，参照图1所示，最初给定速度设定n_set(t)时，速度反馈n_f(t)=0，对应偏差e(t)=n_set(t)，在运行过程中偏差e(t)呈现正负交替变化。偏差e(t)经过控制开关（控制周期Tc）分时读取后转换为离散信号e(k)，作为数字控制器D(z)输入信号。公式（1）和公式（2）给出了数字PID控制器脉冲传递函数及计算机软件采用的差分方程表达方式，用于将e(k)转换为直流电机控制信号u(k)。指令信号u(k)需对经第一零阶保持器ZOH连续化处理得到控制量u(t)，方能对执行器连续控制，进而得到输出量n_out(t)。

进一步的，本案中执行器指直流电机伺服系统，参照图3所示，执行器G(s)一阶模型表达可按照图3所式的闭环系统模型中的执行器。

S500：通过执行器根据所述控制信号得到输出量。执行器是机器人系统的末端执行机构，负责根据控制信号调整驱动轮的变速。输出量决定了驱动轮的轴向行走速度，进而影响机器人的运动轨迹和速度。

S600：通过采样器采集调整后的机器人本体的轴向瞬时加速度信号，处理得到采样信号。采样器用于实时监测机器人本体的轴向瞬时加速度，这是一个重要的运动学参数。采集到的加速度信号经过处理后，得到一个离散的采样信号，用于后续的反馈控制。

具体的，在本申请实施例中，参照图1所示，输出量n_out(t)在本案中对应机器人轴向行进瞬时速度，通过采样开关（采样周期T_f）可将其转为离散信号n_out(k)，为简化系统建模与分析，可取T_c=T_f。加速度传感器等效模型由差分采样环节表达，通过对前n_Tf组加速度信号平滑后得到a(k)。反馈滤波器G_f(z)对当前加速度a(k)与前一时刻a(k-1)作加权平均，反馈滤波器记忆因子α_f与前一时刻的记忆能力正相关，α_f取值范围在0与1之间。此后得到加速度有效估计值并进一步得到当前速度估计n_f(k)，再经过第二零阶保持器得到连续的反馈信号n_f(t)。

S700：通过反馈环节将所述采样信号处理后得到反馈信号，将反馈信号再次通过比较元件进行处理并重复上述步骤。反馈环节是离散控制系统中的重要组成部分，它能够实时监测系统的输出并返回给控制器进行新一轮的控制。在本步骤中，采样信号经过处理后得到反馈信号，该信号再次通过比较元件与预设速度信号进行比较，产生新的误差信号，从而启动新一轮的控制过程。这个循环过程使得机器人系统能够持续地根据预设速度进行调整，实现精确的运动控制。

在本申请一些实施例中，继续参照图3所示，还包括步骤：

S800：通过系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)及不同输入模式下的动态响应得到系统动特性分析结构；

S900：根据所述系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)得到的离散控制系统中误差的稳态值。

其中，系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)为：

(3)

(4)

式中，z是复数变量，表示离散时间点的移位，G_main(z)表示主系统的脉冲传递函数；G_s(z)表示执行器的脉冲传递函数；G_f(z)表示反馈滤波器的脉冲传递函数；G_d(z)表示控制器的脉冲传递函数。

具体的，在本申请实施例中，还可以将1与对应的动特性分析公式导入Simulink软件仿真分析系统动特性。

对应的动特性分析公式包括：

主系统的脉冲传递函数Gmain(z)为：

(5)

式中，D(z)是离散时间系统中的控制器的开环传递函数，是离散时间控制系统中反馈环节的开环传递函数。

：这部分表示开环传递函数D(z)与开环传递函数/>的乘积。

其中，离散时间控制系统中执行器的开环传递函数为：

(6)

式中，G(s)表示一个复数域上的函数，其中s是复数，z是复数变量，表示离散时间点的移位，Z变换是离散时间信号处理中的一个工具，用于将一个离散时间序列转换为一个复数域上的函数；式中，Z[G(s)/s]表示对G(s)除以s进行Z变换。

具体的，表示由原始连续函数G(s)与零阶保持器的Z变换形式相乘得到，其中/s相当于为原始函数G(s)提供一个积分环节。

综上所述，离散时间控制系统中的开环传递函数表示的是对一个时域函数进行离散化处理并使其在下一时刻前保持不变。

进一步的，子系统的脉冲传递函数G_s(z)为：

(7)

式中，T_f为采样周期，表示系统的频率或时间特性；表示对一系列的值进行求和；/>,/>：这些是指z的负整数次幂，表示在离散时间系统中的过去不同时刻系数。

执行器的脉冲传递函数G_s(z)描述了系统对单位脉冲的响应以及系统对过去状态的记忆特性。

进一步的，反馈滤波器的脉冲传递函数G_f(z)为：

(8)

式中，，表示系统对单位脉冲的响应；/>表示系统的传递函数。其中，/>表示反馈滤波器记忆因子，它是一个标量，用于描述反馈滤波器的特性。/>表示前一时刻系数，表示系统对过去状态的记忆。

进一步的，控制器的脉冲传递函数G_d(z)为：

(9)

式中，T_f为采样周期；表示单位延迟，表示系统对过去状态的记忆。

在本申请一些实施例中，根据所述脉冲传递函数得到的离散控制系统中误差的稳态值如下式：

(10)

(11)

e_p(∞)表示离散控制系统中误差的位置误差稳态值，e_v(∞)离散控制系统中误差的速度误差稳态值；式中，E(z)是离散控制系统中误差系统的脉冲传递函数，R_p(z)是给定位置参考信号的脉冲传递函数，R_v(z)是给定速度参考信号的脉冲传递函数，K_p是位置误差系统的增益，K_v是速度误差系统的增益。

本申请提供一具体实施例应用上述基于轴向加速度的机器人离散控制系统，参照图4所示，S₁为内检测机器人直流伺服电机驱动轮，控制指令u(t)通过腔体S₃内控制器串口信号线输入，S₂为加速度传感器，负责将采样信号n_out(k)通过串口输入至控制器内。S₄为加速度传感器固定安装盘。

机器人在行走过程各轮速度方向（V_x1、V_x2、V_x3）并不一致，驱动轮行进偏离轴向，因此反馈通道主要工作是对轴向加速度的准确、快速估计。为简化系统建模，将采样频率与控制频率设置为一致，通常情况取0.1s。此外，差分采样不易过度平滑，否则容易造成系统不稳定，一般取n_Tf=2～3即可，这样可以保证动态响应能力。

由上述内容可知，本申请提供一种基于轴向加速度的机器人离散控制系统及方法，系统包括：由比较元件、控制器、执行器相连构成的前向通道，以及由采样器和反馈环节相连构成的反馈通道；执行器为直流电机伺服系统，所述执行器的输出端通过串口与所述机器人的驱动轮通信连接；所述采样器的输入端与所述机器人本体上的加速度传感器通信连接，所述比较元件获取反馈信号，并根据所述反馈信号与预设速度信号，得到误差信号，将所述误差信号传递给所述控制器进行处理；所述控制器用于根据所述误差信号，处理得出控制信号；所述执行器用于根据所述控制信号得到输出量，再根据所述输出量调整所述机器人的驱动轮变速。本申请通过加速度传感器采样无缝钢管轴向瞬时加速度作为反馈通道的输入信号，实现机器人轴向速度的精准反馈，可抵抗管内行走过程的瞬时振动现象，并通过与现有直流伺服系统融合的方案，在驱动轮发生转矩波动时能保持系统动态稳定的同时，解决驱动轮转速与机器人在无缝钢管内轴向行走速度不一致问题。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种基于轴向加速度的机器人离散控制系统，其特征在于，包括：由比较元件、控制器、执行器相连构成的前向通道，以及由采样器和反馈环节相连构成的反馈通道；

所述比较元件的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述执行器的输入端连接，所述执行器的输出端与机器人的驱动轮通信连接，所述执行器为直流电机伺服系统，所述执行器的输出端通过串口与所述机器人的驱动轮通信连接；

所述采样器的输入端与所述机器人本体上的加速度传感器通信连接，所述采样器的输出端与所述反馈环节的输入端连接，所述反馈环节的输出端与所述比较元件的输入端连接；

其中，所述采样器用于采集所述机器人本体的轴向瞬时加速度信号，处理得到采样信号，并将所述采样信号由连续信号转变为离散信号；

所述反馈环节用于将所述采样信号处理后得到反馈信号，并将所述反馈信号反馈到所述比较元件，以使所述比较元件根据所述反馈信号得到误差信号；

所述比较元件用于获取反馈信号，并根据所述反馈信号与预设速度信号，得到误差信号，将所述误差信号传递给所述控制器进行处理；

所述控制器用于根据所述误差信号，处理得出控制信号；

所述执行器用于根据所述控制信号得到输出量，再根据所述输出量调整所述机器人的驱动轮变速。

2.根据权利要求1所述的基于轴向加速度的机器人离散控制系统，其特征在于，所述前向通道还包括控制开关，所述控制开关设在所述控制器和所述比较元件之间，所述控制开关用于调整所述控制器的控制周期。

3.根据权利要求1所述的基于轴向加速度的机器人离散控制系统，其特征在于，所述反馈通道还包括采样开关，所述采样开关设在所述采样器的输入端之前；

所述采样开关用于调整所述采样器的采样周期；当所述采样开关闭合时，所述采样器开始采集所述轴向瞬时加速度信号；当所述采样开关断开时，所述采样器停止采集所述轴向瞬时加速度信号；所述采样开关从闭合到断开的时长为所述采样周期的长度。

4.根据权利要求1所述的基于轴向加速度的机器人离散控制系统，其特征在于，所述前向通道还包括第一零阶保持器，所述第一零阶保持器设在所述控制器和执行器之间，所述第一零阶保持器用于将所述控制信号从离散信号处理为连续信号；

所述反馈环节还包括第二零阶保持器，所述第二零阶保持器设在所述反馈环节末端，所述第二零阶保持器用于将所述反馈信号从离散信号处理为连续信号。

5.根据权利要求1所述的基于轴向加速度的机器人离散控制系统，其特征在于，所述反馈环节包括反馈滤波器，所述反馈滤波器用于从采样信号中提取有用的信息得到反馈信号。

6.一种基于轴向加速度的机器人离散控制方法，其特征在于，包括步骤：

在Simulink软件中建立基于轴向加速度的机器人离散控制系统模型；

设置模型参数，对系统模型进行调试，调试后，将部分模型参数设置为常数，并给定轴向加速度的机器人离散控制系统模型中预设速度信号的值；

通过比较元件得到误差信号，其中，初次反馈信号的值为0，误差信号的值与预设速度信号的值相同；

通过控制器对误差信号采用脉冲传递函数及差分方程表进行计算，得到控制信号；

通过执行器根据所述控制信号得到输出量，根据所述输出量调整控制驱动轮变速；

通过采样器采集调整后的驱动轮的轴向瞬时加速度信号，处理得到采样信号，并将所述采样信号由连续信号转变为离散信号；

通过反馈环节将所述采样信号处理后得到反馈信号，将反馈信号再次通过比较元件进行处理并重复上述步骤。

7.根据权利要求6所述的基于轴向加速度的机器人离散控制方法，其特征在于，部分模型参数包括控制周期、数字控制器系数、直流电机机械时间常数、采样周期、差分采样计算次数、反馈滤波器记忆因子。

8.根据权利要求6所述的基于轴向加速度的机器人离散控制方法，其特征在于，还包括：通过系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)及不同输入模式下的动态响应得到系统动特性分析结构；

根据所述系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)得到的离散控制系统中误差的稳态值；

其中，系统脉冲传函H(z)、稳态误差传函E(z)为：

；

；

式中，z是复数变量，表示离散时间点的移位，G_main(z)表示主系统的脉冲传递函数；G_s(z)表示执行器的脉冲传递函数；G_f(z)表示反馈滤波器的脉冲传递函数；G_d(z)表示控制器的脉冲传递函数。

9.根据权利要求6所述的基于轴向加速度的机器人离散控制方法，其特征在于，所述通过控制器对误差信号采用脉冲传递函数及差分方程进行计算，得到控制信号的步骤中，所述差分方程如下：

；

；

表示PID控制器的传递函数；u(k)表示PID控制器的输出函数，其中z是复数变量，表示离散时间点的移位；u(k)表示当前时间步的控制器输出；/>表示前一个时间步的控制器输出；

e(k)表示当前时间步的误差信号；k_P表示比例增益；k_I表示积分增益；k_D表示微分增益；表示离散时间点的移位，即时间向前推移一个单位；/>表示离散时间点的移位，即时间向前推移两个单位。

10.根据权利要求8所述的基于轴向加速度的机器人离散控制方法，其特征在于，根据所述脉冲传递函数得到的离散控制系统中误差的稳态值如下式：

；

；

e_p(∞)表示离散控制系统中误差的位置误差稳态值，e_v(∞)离散控制系统中误差的速度误差稳态值；式中，E(z)是离散控制系统中误差系统的脉冲传递函数，R_p(z)是给定位置参考信号的脉冲传递函数，R_v(z)是给定速度参考信号的脉冲传递函数，K_p是位置误差系统的增益，K_v是速度误差系统的增益。