專利名稱：用于滿足運動控制系統(tǒng)中的結(jié)束條件的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所述的主題主要涉及用于滿足由運動控制系統(tǒng)的持續(xù)時間路徑規(guī)劃方法 (更具體地說是路徑規(guī)劃器)確定的結(jié)束條件的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
路徑規(guī)劃器或路徑生成器一般包括用于控制電機的運動控制器。采用路徑規(guī)劃的 電機能在諸如制造、組裝、封裝和其它生產(chǎn)能力的各種工業(yè)系統(tǒng)中找到。這些電機一般控制 諸如鉆頭或機器人臂的元件的移動。路徑生成器確定受控元件的移動。路徑生成器使用各種動力學(xué)路徑算法以及離散時間控制器。離散時間控制器結(jié)合 持續(xù)時間路徑規(guī)劃算法的使用造成了滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的問題。路徑規(guī)劃由在持續(xù) 基礎(chǔ)上而不是在采樣周期內(nèi)確定的移動來組成。離散時間控制器受限于在預(yù)定的采樣周期 上輸出數(shù)據(jù)。在上述情況中出現(xiàn)的問題的一個示例是確定的移動可以是結(jié)束條件，例如在 下個采樣周期前發(fā)生的某個時間點停止的指令。此問題能導(dǎo)致離散時間控制器在下一采樣 周期前不指示電機停止，從而可能導(dǎo)致沿不那么合乎需要的路徑行進，其例如違反移動的 約束?，F(xiàn)有路徑生成器實現(xiàn)了在減速開始時改變初始條件的補償方案，使得結(jié)束條件將 在偶數(shù)采樣周期上到達(dá)，例如，每5毫秒。雖然在計算上合乎需要，但由于它在該點對輸出 引入不受控制的步長更改，因此，它對于控制器應(yīng)用是不合乎需要的。這造成了規(guī)劃的路徑 中的不連續(xù)性。類似地，其它已知時間補償方案由于計算負(fù)載中的顯著增加而不合乎需要。因此，當(dāng)以離散時間控制器來利用持續(xù)時間路徑規(guī)劃時，存在對于更準(zhǔn)確的改進 的時間補償方案的需要以滿足結(jié)束條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例是用于滿足實現(xiàn)路徑生成器的路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的系統(tǒng) 和方法，所述路徑生成器在跟蹤對于路徑規(guī)劃期滿的總時間的同時持續(xù)生成用于路徑規(guī)劃 的命令。路徑生成器計算路徑規(guī)劃中剩余的時間，并在剩余時間的長度小于完整采樣周期 的長度時，用剩余時間替代最終采樣周期的長度。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法來實現(xiàn)路徑規(guī)劃的控制系統(tǒng)的示意圖。圖2是由圖1的路徑規(guī)劃生成的基本移動類型的七個段的堆疊的圖形表示。圖3是加速和速度相對時間接近路徑規(guī)劃的結(jié)束的圖形表示。圖4是圖3的放大視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于路徑生成器滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的方法。
具體實施例方式本發(fā)明的一個實施例包括用于利用在離散時間控制器中實現(xiàn)的持續(xù)路徑規(guī)劃進 行路徑規(guī)劃的方法和系統(tǒng)?，F(xiàn)在參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出用于路徑規(guī)劃的可編程自動化控制 器(PAC)類型運動系統(tǒng)1的框圖。PAC系統(tǒng)1包括PAC系統(tǒng)類型運動控制器9、PAC系統(tǒng)類 型運動模塊(PMM)光纖終端塊(fiber terminal block) 5以及由微處理器子系統(tǒng)3組成的 (PMM)主板2。PMM主板進一步包括含有路徑生成器4的幾個子系統(tǒng)。路徑生成器4是在專 用于路徑規(guī)劃的微處理器3上運行的固件子系統(tǒng)。支持PMM主板的功能的其它固件子系統(tǒng) 包括通信總線6，例如PCI底板，以及其它相關(guān)聯(lián)的硬件支持功能。PMM光纖終端塊5包括現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括輸入/輸 出模塊(I/O模塊)7。雖然圖1中只示出一個I/O模塊，但PAC系統(tǒng)可包括多個I/O模塊， 例如，用于接口到電機的I/O模塊，或用于從裝置接收各種狀態(tài)、警報或輸入信號的I/O模 塊。I/O模塊耦合到輸入和輸出裝置。PAC運動系統(tǒng)還包括PMM伺服控制板8。伺服控制板8可以是運動控制模塊(PMM) 內(nèi)被主管的子板。伺服控制板充當(dāng)用于例如機器人臂的受控元件的運動控制器。路徑生成器4從事路徑生成。路徑生成是指在初始位置與目標(biāo)位置之間的命令軌 跡的實時推導(dǎo)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，路徑生成器4定義初始位置與目標(biāo)位置之間的 最小時間路徑且不違反用戶提供的輸入命令值。路徑生成器基于指定的運動參數(shù)來提供路 徑剖面。指定的運動參數(shù)包括以下命令輸入結(jié)束位置、最大速度、最大加速、最大減速及命 令的加加速度(jerk)。移動的初始條件由形成初始位置、初始速度、初始加速和初始加加速 度已知值的路徑生成器的當(dāng)前狀態(tài)來定義。加加速度定義為加速或減速斜率的更改的速率。因此，加加速度是加速的導(dǎo)數(shù)，并 且是其中要求平滑開始的許多應(yīng)用中的一個重要變量。加加速度控制對于減少機器磨損也 很重要。受到加速、減速和速度約束的用于生成從初始位置到最終位置的恒定加加速度路 徑的動力學(xué)方程是眾所周知的。因此，上述已知值與動力學(xué)方程一起形成隨后能為未知數(shù) 求解以產(chǎn)生期望軌跡的方程組。在基于已知/未知變量來執(zhí)行任何運動之前，能求解相關(guān)的動力學(xué)方程。此方法 雖然在代數(shù)學(xué)上和在數(shù)字上是復(fù)雜的，但產(chǎn)生解。在一優(yōu)選實施例中，微處理器利用恒定加 加速度模式來實時計算路徑規(guī)劃。換而言之，加加速度是受控變量，并且加速和速度是最大值。在本發(fā)明的一個實施例中，路徑生成器4利用將移動分成兩個階段的兩階段軌跡 生成方法。在第一階段中，通過加速或減速來命令移動以達(dá)到恒定速度。在第二階段中，路 徑生成器不斷監(jiān)視移動進展以確定必須開始減速以達(dá)到目標(biāo)位置或期望最終條件的點。兩 階段軌跡生成在任何運動之前執(zhí)行?，F(xiàn)在參照圖2，它示出使用兩階段方法生成的路徑命令相對共同時標(biāo)上的時間的 圖形表示。圖2還示出其中要求七個段以完成該移動的基本移動。更具體地說，七個段包 括第一階段中的三個段、恒定速度段和第二階段中的三個段。在圖2中，加加速度在每個段 中是恒定的。具有恒定速度段的此兩階段的移動由點到點移動產(chǎn)生，其中，所有非受控變量 達(dá)到最大值。速度、加速和減速全部達(dá)到其最大值。表1描述每個段及其獨特的方面。
表1: 能使用加加速度受控的運動，但不是必需使用。在確定移動的時間時，能使用任何 受控運動來利用本發(fā)明的方法。理想的路徑軌跡已知，并且能位于兩個采樣周期之間的某 處。為了使結(jié)束條件得到滿足，路徑生成器必須對運動控制器補償路徑規(guī)劃的結(jié)束時間與 在其上命令移動的采樣周期之間的差。例如，現(xiàn)在參照圖3，它示出加速和速度相對時間接近采樣路徑規(guī)劃的結(jié)束的圖形表示。圖3中所示的時間值只是用于示例，并且不限制本發(fā)明。表示加速相對時間的圖示 出零加加速度、恒定減速段，其中，大約在141. 1與141. 4微秒之間提供恒定減速。在必需命 令加加速度以降低減速率來達(dá)到期望結(jié)束條件時，該段結(jié)束。恒定加加速度段示為在141. 4 微秒后開始，利用指定加加速度來控制減速率中的下降10。一旦運動達(dá)到期望結(jié)束條件，該 段便結(jié)束。Tf表示對于路徑規(guī)劃的采樣周期上的結(jié)束點。此外，表示速度相對時間的圖示 出運動的速度在接近路徑規(guī)劃15的結(jié)束時逼近每秒零米。在此示例中，最終結(jié)束條件要求 運動在141. 4與141. 5微秒之間停止。表示位置相對時間的圖示出在停止點受控元件的位 置?，F(xiàn)在參照圖4，它示出圖3的圖形表示的放大視圖。在圖4中所示的時間值只是 用于示例，并且不限制本發(fā)明。圖4示出在采樣周期之間達(dá)到其停止點的移動。雖然使用 了一微秒的采樣周期，但也可使用其它采樣時間。圖35示出一旦運動在141. 492與接近 141.492的141. 493微秒之間達(dá)到期望結(jié)束條件，則加速接近Om/s2。Τ,表示路徑規(guī)劃中的 剩余時間，而、表示對于路徑規(guī)劃的采樣周期上的結(jié)束點。此外，表示速度相對時間的圖 示出運動的速度在接近路徑規(guī)劃30的結(jié)束時逼近Om/s。表示位置相對時間的圖示出在停 止點26受控元件的位置?，F(xiàn)在參照圖5，它示出用于路徑生成器滿足從包括上述算法的任何持續(xù)路徑規(guī)劃 算法推導(dǎo)的路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的方法20。路徑生成器實時計算路徑將達(dá)到結(jié)束條件的期 望時間。路徑生成器不受離散時間控制器的離散采樣周期(其用于調(diào) 節(jié)何時將命令輸出到 受控元件的時序)的約束。路徑生成器生成用于路徑的移動命令，并且離散時間控制器輸 出命令(21)。路徑生成器記住路徑規(guī)劃中經(jīng)過的總時間(22)，并計算路徑規(guī)劃中的剩余時 間。如果剩余時間小于完整的采樣周期(23)，則路徑生成器將在路徑規(guī)劃算法中用剩余時 間的長度來替代完整采樣周期的長度(24)。通過將剩余時間視為最終采樣周期而計算結(jié)束 值，以便離散時間控制器將用于結(jié)束條件的命令輸出到受控元件，路徑生成器滿足路徑規(guī) 劃的結(jié)束條件(25)。此外，對照移動的最終結(jié)束條件來檢查所述方法計算的結(jié)束值。檢查 核實移動成功地完成，并且有關(guān)結(jié)束條件的所有計算是正確的。如本文所述的和附圖中所示的用于滿足運動控制系統(tǒng)中的結(jié)束條件的方法和系 統(tǒng)只是說明性的。雖然在本公開中只詳細(xì)描述了本發(fā)明的幾個實施例，但閱讀此公開的本 領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易理解，在實質(zhì)上不脫離隨附權(quán)利要求中記載的主題的新穎教導(dǎo)和優(yōu) 點的情況下，許多修改是可能的(例如，各種元件的大小、尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀和比例、參數(shù)的 值、安裝布置、材料的使用、定向等方面的變化)。因此，所有此類修改旨在包括在如隨附權(quán) 利要求中定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)。任何過程或方法步驟的次序或順序可根據(jù)備選實施例來 變化或重新排序。在權(quán)利要求中，任何部件加功能條款旨在涵蓋在本文中描述為執(zhí)行所記 載功能的結(jié)構(gòu)，并且不但涵蓋結(jié)構(gòu)等效物，而且涵蓋等效結(jié)構(gòu)。在不脫離如隨附權(quán)利要求中 所表達(dá)的本發(fā)明的實施例的精神的情況下，可在優(yōu)選和其它示范實施例的設(shè)計、操作條件 和布置中進行其它替代、修改、更改和省略。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍不但涵蓋上述的那些 實施例，而且涵蓋落在隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
一種用于滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的方法，所述方法利用路徑生成器，所述方法包括從所述路徑生成器輸出用于有關(guān)路徑規(guī)劃的移動的控制命令；計算對于完成有關(guān)所述路徑規(guī)劃的所述移動的剩余時間；確定剩余時間是否小于采樣周期的長度；以及在剩余時間小于采樣周期時，用所述剩余時間替代采樣周期的長度。
2.一種用于滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的方法，所述方法利用路徑生成器，所述方法包括從所述路徑生成器輸出用于有關(guān)路徑規(guī)劃的移動的控制命令； 計算對于完成有關(guān)所述路徑規(guī)劃的所述移動的剩余時間； 確定剩余時間是否小于采樣周期的長度；在剩余時間小于采樣周期時，通過用所述剩余時間替代采樣周期的長度來計算結(jié)束 值；以及對照所述移動的最終結(jié)束條件來檢查所述結(jié)束值。
3.一種用于滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的系統(tǒng)，包括 路徑生成器，用于生成用于路徑規(guī)劃的命令；計算對于完成有關(guān)所述路徑規(guī)劃的移動的剩余時間；確定剩余時間是否小于采樣周期的長度；以及在剩余時間小于采樣周期時，用所述剩余時間替代采樣周期的長度。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述路徑生成器是微處理器的固件子系統(tǒng)；以及 所述路徑生成器子系統(tǒng)專用于路徑規(guī)劃。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是用于滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的自動化 控制器，包括光纖終端塊，包括現(xiàn)場可編程門陣列子系統(tǒng)； 至少一個輸入/輸出模塊； 伺服控制器；以及 路徑生成器。
6.一種用于滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的系統(tǒng)，包括 路徑生成器，用于生成用于路徑規(guī)劃的命令；計算對于完成有關(guān)所述路徑規(guī)劃的移動的剩余時間； 確定剩余時間是否小于采樣周期的長度；在剩余時間小于采樣周期時，通過用所述剩余時間替代采樣周期的長度來計算結(jié)束 值；以及對照所述移動的最終結(jié)束條件來檢查所述結(jié)束值。
7.一種用于滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的微處理器，包括路徑生成器，用于生成用于路徑規(guī)劃的命令，配置成計算對于完成有關(guān)所述路徑規(guī)劃 的移動的剩余時間；確定剩余時間是否小于采樣周期的長度；以及在剩余時間小于所述采樣周期時，用所述剩余時間替代所述采樣周期的長度。
全文摘要
用于滿足路徑規(guī)劃的結(jié)束條件的系統(tǒng)和方法的一個實施例利用的路徑生成器(4)，其在跟蹤路徑規(guī)劃中期滿的總時間(22)的同時持續(xù)生成用于路徑規(guī)劃的命令(21)。路徑生成器計算路徑規(guī)劃中剩余的時間，并在剩余時間的長度小于完整采樣周期的長度時(23)，用剩余時間替代路徑規(guī)劃中最終采樣周期的長度(24)。
文檔編號G05B19/416GK101849215SQ200880113421
公開日2010年9月29日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月21日
發(fā)明者D·H·米勒, W·L·莫里森 申請人:通用電氣智能平臺有限公司