运动控制算法轨迹规划-PPT.ppt
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1、运动控制系统中的算法运动规划通常又称运动插补。插补就是按给定曲线生成相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应逼近轨迹的方法,其实质是对给定曲线进行“数据点的数据点的密化密化”。数控加工零件的刀具路径一般由直线、圆弧、椭。数控加工零件的刀具路径一般由直线、圆弧、椭圆等简单曲线或圆等简单曲线或B B样条、样条、NURBSNURBS等复杂曲线组成。对于由等复杂曲线组成。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。如对于直线路径有直线插补算法,对于圆弧路径行插补。如对于直线路径有
2、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这些复杂曲线进行实时插补运算数控系统中用到的运
3、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。偏差的方向运动,直至到达轨迹的终点。数字积分法(数字积分法(DDADDA法):利用对速度分量的积分的方法来分法):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。其插补速度较快,配脉冲,控制目标沿给定的路径平稳移动。其插补速度较快,输出脉冲均匀,易于实现多坐标联动。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
4、补法。是把加工一段直线或圆时间分割法: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,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。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
5、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
6、控制单元来完成的。位置环的功能是实现位置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。如图参考,并将其提供给伺服驱动单元。如图1 1所示为数字伺服所示为数字伺服控制单元的运动控制算法框图: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
7、调整速度参数,即伺整个数字伺服控制系统是靠实时监控和调整速度参数,即伺服驱动单元的输入脉冲来控制伺服马达。而运动控制算法用服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。整个算法是以是以PID(PID(比例、积分和微分比例、积分和微分)控制为理论基础,其最大的优控制为理论基础,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
8、益参数,便可获得满意的结果。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根据上述运动控制算法的分析,利用法的分析,利用C C语语言设计、编制了全闭言设计、编制了全闭环运动控制的测试程环运动控制的测试程序。具体的控制流程序。具体的控制流程图如下:为了增强系图如下:为了增强系统的稳定性,位置增统的稳定性,位置增量采取限幅处理,因量采取限幅处理,因为位置增量过大不利为位置增量过大不利于安全操作和系统的于安全操作和系统的稳定,而输出限幅处稳定,而输出限幅处理是为了在位置设定理是为了在位置设定值突变时,防止计算值突变时,防止计算结果可能大于执行机结果可能大于执行机构的极限。构的极限。机器
9、人的轨迹规划机器人的轨迹规划1工业机器人的轨迹规划工业机器人的轨迹规划.轨迹规划的一般性问题轨迹规划的一般性问题常见的机器人作业有两种: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。速度。速度。速度。点位作业(点位作业(PTP=point-to-pointmotion)连续路径作业(连续路径作业(continuous-pathmotion),或者称为轮廓运动),或者称为轮廓运动(contourmotion
10、)。)。操作臂最常用的轨迹规划方法有两种:操作臂最常用的轨迹规划方法有两种:q轨迹规划既可以在关节空间也可以在直角空间中进行。轨迹规划既可以在关节空间也可以在直角空间中进行。轨迹规划既可以在关节空间也可以在直角空间中进行。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,对结次多项式)选取参数化轨迹,对结点进
11、行插值,并满足约束条件。点进行插值,并满足约束条件。第二种方法要求给出运动路径的解析式。第二种方法要求给出运动路径的解析式。轨轨迹迹规规划划方方法法一一般般是是在在机机器器人人的的初初始始位位置置和和目目标标位位置置之之间间用用多多项项式式函函数数来来“内内插插”或或“逼逼近近”给给定定的的路路径径,并并产产生生一一系系列列的的控制点。控制点。a.三次多项式插值三次多项式插值关关节节空空间间法法计计算算简简单单、容容易易。再再者者,不不会会发发生生机机构构的的奇奇异异性性问题。问题。2.关节轨迹的插值关节轨迹的插值只只给给定定机机器器人人起起始始点点和和终终止点的关节角度。止点的关节角度。为了
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