本發(fā)明屬于運(yùn)動控制中的速度規(guī)劃參數(shù)選擇技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法。

背景技術(shù)：

速度規(guī)劃是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)中插補(bǔ)模塊的最基本步驟，通過合理的速度規(guī)劃，可以提升數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人運(yùn)動的精度和平滑性。隨著數(shù)控技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，加工產(chǎn)品復(fù)雜性的提高，多項(xiàng)式線條曲線、Bezier曲線及NURBS曲線等參數(shù)曲線與直線、弧線直接混合共用是插補(bǔ)過程中一個不可避免的趨勢，而基于不同類型的曲線的不同特性，在進(jìn)行速度規(guī)劃的時候不可避免會在各曲線之間的過渡點(diǎn)處產(chǎn)生殘差，從而出現(xiàn)精度達(dá)不到或者運(yùn)動速度出現(xiàn)躍變等情況，而速度規(guī)劃的不連貫性，勢必導(dǎo)致加工產(chǎn)品表面質(zhì)量和加工效率的降低。

目前，對于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃主要采用分段速度規(guī)劃和整體速度規(guī)劃兩種方式，而這兩種方式都涉及到混合曲線段銜接，且均會導(dǎo)致不同程度的誤差。其中，采用分段速度規(guī)劃勢必會使銜接點(diǎn)處產(chǎn)生停頓，而整體速度規(guī)劃則因插補(bǔ)周期為固定小數(shù)，易導(dǎo)致曲線的插補(bǔ)點(diǎn)遺漏，進(jìn)而引起殘差。對于殘差，大部分速度規(guī)劃方法采用的方法是求取總的殘差再對殘差進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，然而，目前常規(guī)的殘差補(bǔ)償方法一方面會產(chǎn)生其他方面的誤差，另一個方面，殘差補(bǔ)償方法大都復(fù)雜，可能涉及到迭代運(yùn)算，計(jì)算量大，且不能從整體各曲線的特性來進(jìn)行考慮，導(dǎo)致不能保證某特定曲線段或者相應(yīng)過渡點(diǎn)處的平穩(wěn)運(yùn)行，從而影響數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體的效率和平滑性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法，其基于混合曲線的速度規(guī)劃特點(diǎn)，針對適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所述速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法采用對速度規(guī)劃參數(shù)建模，通過優(yōu)化工具優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)了對低殘差的速度規(guī)劃中各個參數(shù)的選擇與求解，簡化了整個速度規(guī)劃步驟，避免了繁瑣的殘差補(bǔ)償過程，運(yùn)算量小且簡單；綜合考慮了各個曲線段，充分利用了各個曲線段特性，提高了速度平滑性及插補(bǔ)連續(xù)性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法，其包括以下步驟：

(1)將數(shù)控機(jī)床或者機(jī)器人控制系統(tǒng)中的插補(bǔ)模塊預(yù)讀出的N段代碼作為一個速度規(guī)劃單元，構(gòu)造N段連續(xù)曲線；其中N為正整數(shù)；

(2)對構(gòu)造的各個連續(xù)曲線段進(jìn)行統(tǒng)一的速度規(guī)劃參數(shù)化；

(3)選擇速度規(guī)劃算法；

(4)根據(jù)選擇的速度規(guī)劃算法對速度規(guī)劃參數(shù)進(jìn)行建模，以得到速度規(guī)劃參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；

(5)確定各個速度規(guī)劃參數(shù)的數(shù)值范圍；

(6)依據(jù)所述數(shù)學(xué)模型及各個速度規(guī)劃參數(shù)的取值范圍，采用優(yōu)化工具求取各個速度規(guī)劃參數(shù)的數(shù)值。

進(jìn)一步的，所述速度規(guī)劃算法包含T型速度規(guī)劃算法、S型速度規(guī)劃算法及正弦型速度規(guī)劃算法。

進(jìn)一步的，所述速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法選用T型速度規(guī)劃算法。

進(jìn)一步的，所述速度規(guī)劃參數(shù)包括插補(bǔ)周期、目標(biāo)速度及加速度。

進(jìn)一步的，所述優(yōu)化工具為1stOPT。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法，其采用對速度規(guī)劃參數(shù)建模，通過優(yōu)化工具優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)了對低殘差的速度規(guī)劃中各個參數(shù)的選擇與求解，簡化了整個速度規(guī)劃步驟，避免了繁瑣的殘差補(bǔ)償過程，運(yùn)算量小且簡單；綜合考慮了各個曲線段，充分利用了各個曲線段的特性，提高了速度平滑性及插補(bǔ)連續(xù)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明較佳實(shí)施方式提供的適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法的流程示意圖。

圖2是圖1中的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法涉及的曲線段的示意圖。

圖3的(a)、(b)是圖1中的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法涉及的速度及加速度的規(guī)劃圖。

圖4的(a)、(b)是圖1中的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法涉及的正弦速度的規(guī)劃示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

請參閱圖1至圖4，本發(fā)明較佳實(shí)施方式提供的適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法，其采用對速度規(guī)劃參數(shù)建模，通過優(yōu)化工具優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)了對低殘差的速度規(guī)劃中各參數(shù)的選擇與求解，克服了目前殘差補(bǔ)償方法復(fù)雜、計(jì)算量大、不能對于整段混合曲線的局部進(jìn)行很好的控制的缺陷。

本實(shí)施方式提供的適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法，其包括以下步驟：

步驟一，構(gòu)造混合曲線段，將數(shù)控機(jī)床或者機(jī)器人控制系統(tǒng)中的插補(bǔ)模塊預(yù)讀出的對應(yīng)混合曲線的N段代碼作為一個速度規(guī)劃單元，構(gòu)造N段連續(xù)曲線。本實(shí)施方式中，N為正整數(shù)。

具體地，本實(shí)施方式進(jìn)行速度規(guī)劃的連續(xù)混合曲線包括直線段AB、曲線段BC及直線段CD，所述曲線段BC連接所述直線段AB及所述直線段CD。S₁為所述直線段AB的最后一個插補(bǔ)點(diǎn)，S₂為所述曲線段BC的第一個插補(bǔ)點(diǎn)，S₃為所述曲線段BC的最后一個插補(bǔ)點(diǎn)，S₄為所述直線段CD的第一個插補(bǔ)點(diǎn)。

本實(shí)施方式中，將所述連續(xù)混合曲線作為一個速度規(guī)劃單元，分別構(gòu)造所述直線段AB、所述曲線段BC及所述直線段CD這三段連續(xù)曲線段。

步驟二，對各曲線段進(jìn)行統(tǒng)一的速度規(guī)劃參數(shù)化，一般選取各段曲線的弧長來進(jìn)行速度規(guī)劃，一般選擇各段曲線的弧長來進(jìn)行速度規(guī)劃，已知各段曲線的弧長分別為d₁,d₂,...,d_n。本實(shí)施方式中，設(shè)定所述直線段AB、所述曲線段BC及所述直線段CD的弧長分別為d₁＝44mm,d₂＝49.21828mm,d₃＝35mm。

步驟三，選擇速度規(guī)劃算法，可以選擇T型速度規(guī)劃、S型速度規(guī)劃及正弦速度規(guī)劃等三個速度規(guī)劃算法等算法中的一個，本實(shí)施方式選用T型速度規(guī)劃方法。

步驟四，根據(jù)速度規(guī)劃方法對速度規(guī)劃參數(shù)進(jìn)行建模。具體地，記速度規(guī)劃參數(shù)中的插補(bǔ)周期為T_周，目標(biāo)速度為v，加速度為a_max，所述直線段AB的弧長為d₁，所述曲線段BC的弧長為d₂，所述直線段CD的弧長為d₃，記AS₂為T型速度規(guī)劃中的k個周期T_周走過的弧長，S₂S₃之間為n個周期T_周走過的弧長，建模參數(shù)及約束條件如下：

(1)約束條件

1)使得所述曲線段BC在T型速度規(guī)劃中的勻速階段；

2)S₁為所述直線段AB的最后一個插補(bǔ)點(diǎn)，S₂為所述曲線段BC的第一個插補(bǔ)點(diǎn)，S₃為所述曲線段BC的最后一個插補(bǔ)點(diǎn)，S₄為所述直線段CD的第一個插補(bǔ)點(diǎn)；

(2)目標(biāo)函數(shù)

S_o＝(S₂S₃-BC)_max

式中，So為曲線段的構(gòu)造線與實(shí)際線之差；S₂S₃為S₃與S₂兩個插補(bǔ)點(diǎn)之間的弧長；BC為B點(diǎn)與C點(diǎn)之間的弧長。

由于T型速度規(guī)劃的位移表達(dá)式具體如下：

其中，L(T)＝d₁+d₂+d₃，t₁為勻加速的時間；T為總時間；L(t)為時間t內(nèi)的總位移)，t₂為勻速及勻加速的時間之和。

其中，對于T型速度規(guī)劃和正弦速度規(guī)劃，L_勻加速＝L(t₁)

又由約束條件，可得

L_勻加速≤L_AB，L_勻減速≤L_CD；

式中，L_勻加速為速度規(guī)劃中勻加速段的位移；L_AB為連續(xù)混合曲線上A點(diǎn)與B點(diǎn)兩點(diǎn)之間的弧長；L_勻減速為速度規(guī)劃中勻減速段的位移；L_CD為連續(xù)混合曲線上C點(diǎn)與D點(diǎn)兩點(diǎn)之間的弧長；L_AC為連續(xù)混合曲線上C點(diǎn)與A點(diǎn)兩點(diǎn)之間的弧長；L_BC為連續(xù)混合曲線上C點(diǎn)與B點(diǎn)兩點(diǎn)之間的弧長。

其對應(yīng)目標(biāo)函數(shù)如下：

S_O＝(n*T_周*v)_max

步驟五，確定各速度規(guī)劃參數(shù)的數(shù)值選擇范圍。具體地，T_周＝0.01,0<v≤200,0<a_max≤200,0<k≤200,0<n≤200,其中n、k均為正整數(shù)。

步驟六，依據(jù)約束條件、目標(biāo)函數(shù)及各速度規(guī)劃參數(shù)的取值范圍，利用優(yōu)化工具求取各速度規(guī)劃參數(shù)。具體地，可以采用優(yōu)化工具1stOPT或者M(jìn)ATLAB；本實(shí)施方式中，采用的優(yōu)化工具為1stOPT；在1stOPT的工具箱中輸入約束條件、目標(biāo)函數(shù)及各個速度規(guī)劃參數(shù)的取值范圍，并進(jìn)行運(yùn)行以求取各個速度規(guī)劃參數(shù)。本實(shí)施方式中，采用優(yōu)化工具計(jì)算獲得目標(biāo)函數(shù)的最大值為49.218，其中v＝48.731；n＝101；a_max＝78.971；k＝76。

本發(fā)明提供的適用于連續(xù)混合曲線的速度規(guī)劃參數(shù)選擇方法，其采用對速度規(guī)劃參數(shù)建模，通過優(yōu)化工具優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)了對低殘差的速度規(guī)劃中各個參數(shù)的選擇與求解，簡化了整個速度規(guī)劃步驟，避免了繁瑣的殘差補(bǔ)償過程，運(yùn)算量小且簡單；綜合考慮了各個曲線段，充分利用了各個曲線段的特性，提高了速度平滑性及插補(bǔ)連續(xù)性。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。