运动控制算法轨迹规划.ppt

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1、运动控制系统中的算法运动控制设计两个基本问题：一是运动规划；二是控制算法，运动规划是在给定的路径端点之间插入用于控制的中间点序列从而实现沿给定的平稳运动。运动控制则是主要解决如何控制目标系统准确跟踪指令轨迹的问题。即对于给定的指令轨迹，选择适合的控制算法和参数，产生输出，控制目标实时，准确地跟踪给定的指令轨迹。运动规划通常又称运动插补。插补就是按给定曲线生成相应逼近轨迹的方法，其实质是对给定曲线进行“数据点的密化”。数控加工零件的刀具路径一般由直线、圆弧、椭圆等简单曲线或B样条、NURBS等复杂曲线组成。对于由简单曲线组成的刀具路径，可以由相应的简单插补算法进行插补。如对于

2、直线路径有直线插补算法，对于圆弧路径则有缘故插补算法。而对于复杂曲线组成的刀具路径目前一般有两种做法：第一种做法是预先将这些复杂曲线按照给定的精度要求分成大量的直线或圆弧段，再由数控系统对这些直线或圆弧段进行插补运算；另外一种做法是直接讲这些复杂曲线的参数传递到数控系统中，由数控系统对这些复杂曲线进行实时插补运算数控系统中用到的运动规划算法逐点比较插补法：从给定的轨迹点出发，每进给一步都要与给定轨迹上的坐标值进行比较，决定下一步的进给朝着减少偏差的方向运动，直至到达轨迹的终点。数字积分法（DDA法）：利用对速度分量的积分的方法来分配脉冲，控制目标沿给定的路径平稳移动。其插补

3、速度较快，输出脉冲均匀，易于实现多坐标联动。时间分割法：又叫数据采样插补法。是把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为单位时间间隔（或插补周期），每经过一个单位时间间隔就进行一次插补计算，算出在这段时间间隔内各坐标轴的进给量，边计算，边加工，直至加工结束。其插补速度更快，对于复杂多维曲线的运动规划尤其有利。运动控制的控制对象在启动和停止阶段分别会出现加速和减速的过度过程。这既是伺服电机对速度指令的时域响应而产生的自然现象，又是为了保证进给运动的平稳而经人为顺势设计的。为了保证伺服系统运动的平稳性，要避免冲击和振荡，做到启动时不失步、停止时不超程，就必须对

4、过渡过程进行专门而有效的加速控制，使加减速过程按照所采用的控制算法进行。运动控制算法传统的交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必须在伺服电机和控制系统之间构成一个位置环。这个位置环是由数字伺服控制单元来完成的。位置环的功能是实现位置闭环控制，输入脉冲实际上是一个差动脉冲，即由预先设定好的脉冲给定与反馈回的实际测量脉冲的差值，即根据给定位置和测量位置以及动态的误差，计算所要求要达到的速度参考，并将其提供给伺服驱动单元。如图1所示为数字伺服控制单元的运动控制算法框图：整个数字伺服控制系统是靠实时监控和调整速度参数，即伺服

5、驱动单元的输入脉冲来控制伺服马达。而运动控制算法用来计算这个速度参数。由上图，可以看出速度参数是由位置给定、测量脉冲和反馈误差这三个参数来决定的。整个算法是以PID(比例、积分和微分)控制为理论基础，其最大的优点在于不需了解被控对象的数学模型，只要根据经验调整上述增益参数，便可获得满意的结果。算法的实现根据上述运动控制算法的分析，利用C语言设计、编制了全闭环运动控制的测试程序。具体的控制流程图如下：为了增强系统的稳定性，位置增量采取限幅处理，因为位置增量过大不利于安全操作和系统的稳定，而输出限幅处理是为了在位置设定值突变时，防止计算结果可能大于执行机构的极限。机器人的轨迹规

6、划1工业机器人的轨迹规划１.轨迹规划的一般性问题常见的机器人作业有两种：这里所谓的轨迹是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。点位作业（PTP=point-to-pointmotion）连续路径作业（continuous-pathmotion），或者称为轮廓运动（contourmotion）。操作臂最常用的轨迹规划方法有两种：轨迹规划既可以在关节空间也可以在直角空间中进行。第一种是要求对于选定的轨迹结点（插值点）上的位姿、速度和加速度给出一组显式约束（例如连续性和光滑程度等），轨迹规划器从一类函数（例如n次多项式）选取参数化轨迹，对结点进行插值，并满足约束条件。第二种方

7、法要求给出运动路径的解析式。轨迹规划方法一般是在机器人的初始位置和目标位置之间用多项式函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列的控制点。a.三次多项式插值关节空间法计算简单、容易。再者，不会发生机构的奇异性问题。2.关节轨迹的插值只给定机器人起始点和终止点的关节角度。为了实现平稳运动，轨迹函数至少需要四个约束条件。即————满足起点和终点的关节角度约束————满足起点和终点的关节速度约束（满足关节速度的连续性要求）解上面四个方程得：注意：这组解只适用于关节起点、终点速度为零的运动情况。例：设只有一个自由度的