基于軌跡在線規劃的橋式吊車高效消擺控制方法技術

基于軌跡在線規劃的橋式吊車高效消擺控制方法。該方法包括：構造一個擺角消除環節，可有效地抑制負載的大幅度擺動，并快速地消除臺車到達目標位置之后負載的殘余擺角；將擺角消除環節與定位參考軌跡以線性方式組合在一起，生成最終軌跡，可保證臺車的精確定位，同時能夠有效地消除負載的擺角與殘余擺角。相比已有的吊車軌跡規劃技術，該方法可在線地生成消擺軌跡，其簡單易行、在線運算量小、臺車運送效率高、消擺速度快，非常適用于吊車系統的實時控制。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于欠驅動機器人的軌跡規劃
，特別是涉及一種通過軌跡在線規劃消除橋式吊車擺動的方法。
技術介紹
現如今，機器人已廣泛應用于工業加工、裝配、家庭服務等領域。從機械學的角度看，機器人是由移動與旋轉關節經有機組合而形成的系統。對于機器人而言，如果它的自由度與其獨立的控制輸入維數相等，則稱其為完全驅動機器人(fully-actuated robots);若部分關節不可驅動，則稱其為欠驅動機器人(underactuated robots) 。機器人的控制方式可分為鎮定控制策略與軌跡跟蹤控制策略兩種。對于后者而言，可方便地將控制指標(如工作效率等)融入到軌跡規劃中，然后設計合適的跟蹤控制器使機器人關節跟蹤這些軌 跡，從而實現控制目標。合理的軌跡規劃不僅可優化關節的運動，提高系統的工作效率，還能減輕控制器的負擔，取得優于鎮定策略的控制效果。橋式吊車可看作一種特殊的欠驅動機器人，其中，臺車可看作是移動關節，吊繩可看作是旋轉關節，負載則為相應的末端執行器。相應地，吊車的控制目標是將末端執行器(負載)運送到目標位置處。針對吊車系統，目前研究人員已經提出了大量的鎮定控制方法-。然而，根據上面分析知，軌跡規劃能提高吊車系統的工作效率，比鎮定策略有著更好的暫態與穩態控制效果，如運動超調小、負載消擺更為迅速等。遺憾的是，由于系統的欠驅動特性，我們只能對可驅動的臺車進行軌跡規劃。如果僅從臺車高效運行的角度出發進行軌跡規劃，則負載將出現大幅度擺動，因此，在進行臺車軌跡規劃時必須充分考慮負載的擺動。對于橋式吊車系統而言，已有的軌跡規劃方法大多屬于離線方式。如文獻設計了一種時間最優臺車軌跡離線規劃方法，但得到的加速度軌跡需不連續的切換，難以用于實際跟蹤控制。隨后，文獻提出了一種基于相平面分析的臺車軌跡規劃方法，該方法需要根據臺車與目標位置之間的距離事先離線地計算軌跡參數。文獻則提出了一種基于迭代策略的臺車運動規劃方法，該方法需要進行離線的迭代優化以保證臺車能準確地定位到目標位置。目前，已有的軌跡規劃方法(如文獻-)均需離線進行，在不同的運送過程中，當臺車目標位置變化時，使用者需要重新計算軌跡參數或進行迭代優化，既繁瑣又費時。
技術實現思路
本專利技術目的是解決現有的臺車軌跡離線規劃方法在運送過程中，當臺車目標位置變化時需要重新計算的問題，提供一種，避免離線計算與迭代優化，實現在線軌跡規劃，用于實時吊車控制，提高吊車系統的運送效率，有效地抑制并消除負載擺動。本專利技術提供的，包括如下步驟第I、軌跡規劃方案由于橋式吊車的欠驅動特性，無法為負載的運動進行規劃，因而常規工業機器人的軌跡規劃方法不適用于吊車系統；為此，提出一種全新的橋式吊車在線軌跡規劃方案；要規劃的加速度軌跡4⑷具有如下表達式￡c{t) = χΓ( ) + ρ(θ,θ)(4)式中，t表示時間，變量后面(t)表示該變量為關于時間的變量，第一部分|( )為定位參考加速度軌跡，用來保證臺車的精確定位；第二部分/>汍句則表示擺角消除環節，是關于負載擺角Θ (t)及其角速度#⑷的函數，用以抑制與消除負載的擺動，其中負載擺角Θ⑴簡記為Θ，角速度嶺)簡記為I 具體步驟包括第I. I、擺角消除環節設計；通過充分地分析臺車與負載之間的動態耦合關系，為臺車運動設計一種新型的擺角消除環節P沐句，它具有如下結構ρ(θ, Θ) = xe(t) = H0(t)(6)其中，i:r⑷為擺角消除環節，同句，為方便描述及統一表達而引進，k彡I為正的消擺增益；第I. 2、定位參考加速度軌跡&⑷的選取；主要考慮臺車的運行效率、軌跡的光滑性，在此應用常規的S形軌跡；第2、軌跡在線生成在確定參考加速度軌跡七⑷、擺角消除環節&( )的具體表達式后，借助實時仿真或實驗軟件在線求解如下微分方程，得到Θ (t)與火 ):W{t) + cos9{t) ■ ρ(θ,θ) + gsine{t) = — cos9{t) ■ xr(t)(5)式中，I為吊繩長度,與纟)為擺角加速度，g表示重力加速度；將在線計算得到的負載擺角Θ⑴及擺角速度^⑷代入式P隊句的表達式(6)，再由式⑷獲得規劃加速度軌跡元⑷，進而通過在線積分運算得到速度軌跡^(幻及位移軌跡Xc;(t)如下ic(t) = xr(t) + xc(t) = xr(t) + κθ( )(21)xc(t) = xr(t) + xe(t) = xr(t) + K f θ(1τ(22) 0式中，i.r (t)為& (t)關于時間的積分，Xr⑴為⑷關于時間的積分，4O)為乓(f)關于時間的積分，xc(t)為·4(0關于時間的積分Λ( )為乓(0關于時間的積分，xe(t)為ivW關于時間的積分；第3、控制方法實現借助傳感器實時反饋的臺車位移信號x(t)與速度信號 ( )，實時計算x(t)、i^)與軌跡Xc;(t)、宄⑴之間的偏差，利用常規的ro控制器產生相應的驅動電機控制指令，實現吊車系統的高效消擺控制。本專利技術理論依據分析I、吊車系統模型二維橋式吊車系統的動力學特性可表示如下(M + m)x + mW cos0 - mW2 sin0 = FJt) - fr(t)(I)m.l20 + ml cos θχ + mgl sin 0 = 0(2)其中，M表示臺車質量，m表示負載質量，x(t)為臺車的位移一⑴力臺車速度，⑷為臺車加速度，t為時間，變量后面(t)表示該變量為關于時間的變量，為簡明起見，在公式中略去大部分變量中的(t) ; Θ (t)為負載關于豎直方向的擺角，4⑷為角速度，為角加速度；1為吊繩的長度；g為重力加速度；Fa(t)為驅動力；fr(t)則為軌道摩擦力。由該動力學模型(I) - (2)可以看出，二維橋式吊車系統具有2維自由度與I維控制量，屬于典型的欠驅動系統。對式(2)兩邊同除以ml，可得如下方程W + cos θχ + gsinO = O(3) 該方程反映了臺車運動與負載擺角之間的動態耦合關系，是隨后進行軌跡規劃的基礎。對于吊車系統而言，最終的控制目標是將負載(可看作末端執行器)運送到目標位置，且運送結束時負載無擺動。然而，由于負載的欠驅動特性，要實現該控制目標，一般通過如下兩步實現1)將臺車及負載運送到目標位置；2)控制臺車的運動來抑制并最終消除負載的擺角。由于我們僅能規劃臺車的運動，接下來，將充分考慮臺車精確定位與負載擺角消除這兩方面的要求，并將它們融入到臺車的軌跡規劃中。在軌跡規劃之前，鑒于吊車系統的實際工作情況，做如下合理的假設。假設I :在整個負載運送過程中，負載不會到達臺車上方，即負載擺角Θ (t)始終保持在如下范圍內，-- Ji / 2〈 Θ ⑴〈/ 2 Vf > O2、軌跡規劃方法本專利技術將充分分析臺車運動與負載擺動之間的運動耦合關系，規劃一條新型的臺車軌跡，該軌跡能保證臺車的快速精確定位，并可有效地抑制負載擺角，尤其是當臺車到達目標位置之后的殘余擺角。不同于已有軌跡規劃方法(如文獻-)的是，本專利技術所規劃的軌跡具有更為簡單易行的結構，且無需迭代優化，可在線生成并直接應用，具有良好的實際應用價值。本專利技術提供的新型軌跡規劃方法包括第I、軌跡規劃的總體方案正如文獻_中所述，未考慮臺車與負載之間的運動耦合而得到的臺車軌跡(如文獻，所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于軌跡在線規劃的橋式吊車高效消擺控制方法，其特征在于該方法包括：第1、軌跡規劃方案由于橋式吊車的欠驅動特性，無法為負載的運動進行規劃，因而常規工業機器人的軌跡規劃方法不適用于吊車系統；為此，提出一種全新的橋式吊車在線軌跡規劃方案；要規劃的加速度軌跡具有如下表達式：x··c(t)=x··r(t)+ρ(θ,θ·)---(4)式中，t表示時間，變量后面(t)表示該變量為關于時間的變量，第一部分為定位參考加速度軌跡，用來保證臺車的精確定位；第二部分則表示擺角消除環節，是關于負載擺角θ(t)及其角速度的函數，用以抑制與消除負載的擺動，其中負載擺角θ(t)簡記為θ，角速度簡記為具體步驟包括：第1.1、擺角消除環節設計；通過充分地分析臺車與負載之間的動態耦合關系，為臺車運動設計一種新型的擺角消除環節它具有如下結構：ρ(θ,θ·)=x··e(t)=kθ·(t)---(6)其中，為擺角消除環節，同為方便描述及統一表達而引進，k＞1為正的消擺增益；第1.2、定位參考加速度軌跡的選取；主要考慮臺車的運行效率、軌跡的光滑性，在此應用常規的S形軌跡；第2、軌跡在線生成在確定參考加速度軌跡擺角消除環節的具體表達式后，借助實時仿真或實驗軟件在線求解如下微分方程，得到θ(t)與lθ··+cosθ(t)·ρ(θ,θ·)+gsinθ(t)=-cosθ(t)·x··r(t)---(5)式中，l為吊繩長度，為擺角加速度，g表示重力加速度；將在線計算得到的負載擺角θ(t)及擺角速度代入式的表達式(6)，再由式(4)獲得規劃加速度軌跡進而通過在線積分運算得到速度軌跡及位移軌跡xc(t)如下：x·c(t)=x·r(t)+x·e(t)=x·r(t)+kθ(t)---(21)xc(t)=xr(t)+xe(t)=xr(t)+k∫0tθdτ---(22)式中，為關于時間的積分，xr(t)為關于時間的積分，為關于時間的積分，xc(t)為關于時間的積分，為關于時間的積分，xe(t)為關于時間的積分；第3、控制方法實現借助傳感器實時反饋的臺車位移信號x(t)與速度信號實時計算x(t)、與軌跡xc(t)、之間的偏差，利用常規的PD控制器產生相應的驅動電機控制指令，實現吊車系統的高效消擺控制。FDA00002020246000011.jpg,FDA00002020246000013.jpg,FDA00002020246000014.jpg,FDA00002020246000015.jpg,FDA00002020246000016.jpg,FDA00002020246000017.jpg,FDA00002020246000018.jpg,FDA000020202460000110.jpg,FDA000020202460000111.jpg,FDA000020202460000112.jpg,FDA000020202460000113.jpg,FDA000020202460000114.jpg,FDA000020202460000115.jpg,FDA000020202460000117.jpg,FDA000020202460000118.jpg,FDA000020202460000119.jpg,FDA000020202460000120.jpg,FDA000020202460000121.jpg,FDA000020202460000124.jpg,FDA000020202460000125.jpg,FDA000020202460000126.jpg,FDA000020202460000127.jpg,FDA000020202460000128.jpg,FDA000020202460000129.jpg,FDA000020202460000130.jpg,FDA00002020246000013...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：方勇純，孫寧，張一淳，
申請(專利權)人：南開大學，
類型：發明
國別省市：