专利名称：用于路径规划装置的加加速度受限的轨迹规划的系统和方法
技术领域：
本文公开的主题大致涉及自动运动控制器，更具体地涉及加加速度受限的轨迹规 划。
背景技术：
路径规划装置或路径生成装置通常包括运动控制器。路径规划装置用来控制需要 运动的机械设备并确定机械设备中受控元件的移动。采用路径规划的机械设备用于各种工 业系统中，诸如制造、组装、包装和其它能力。例如，伺服马达是此类装置的一种。其它马达 可控制诸如钻头或机械臂的元件的移动。路径生成装置使用各种运动路径算法以及离散时间控制器来提供路径轮廓(path profile)。路径轮廓基于特定的运动参数。特定的运动参数可包括以下命令输入终止位 置、最大速度、最大加速度、最大减速度和命令加加速度。移动的初始条件由路径规划装置 的初始状态确定，所以初始位置、初始速度、初始加速度和初始加加速度也是已知的值。将加加速度定义为加速度的变化率或加速度斜率。因此，加加速度为加速度的导 数并且在许多需要平稳起动的应用中是一个重要的变量。根据加速度、减速度和速度约束 生成从初始位置到最终位置的恒定加加速度路径的运动方程是众所周知的。因此，上述已 知的值以及运动方程形成方程组，该方程组随后可被解出以获得所需的轨迹。可基于已知/未知变量在执行任何运动之前解出相关的运动方程。该方法确实能 够得到解，但其需要不适合实时执行的复杂计算。此外，在许多情况下，复杂的解导致不能 得到闭合形式。因此，需要一种用以生成满足初始和最终条件同时不超过编程极限值的基于时间 的轮廓的方法，并提供可在实时控制器中解出的解集。
发明内容
按照本发明的一个实施例，一种用于实时生成运动轮廓的系统包括处理器。该处 理器配置成将移动拆分为第一阶段和第二阶段。第一阶段包括命令移动朝向恒定速度段， 而第二阶段包括在移动进行期间计算成功达到终止条件所需的加加速度值。在本发明的另一实施例中，一种用于实时生成运动轮廓的系统包括处理器。该处 理器配置成传送基于运动轮廓的命令信号，将移动拆分为第一阶段和第二阶段，并计算第 二阶段必须采取控制以到达目标位置的点。该系统还包括配置成接收命令信号的至少一个 输入/输出模块以及用于移动的受控设备。在本发明的另一实施例中，一种用于实时生成运动轮廓的方法包括将移动拆分为 第一阶段和第二阶段。第一阶段包括命令移动朝向恒定速度段，而第二阶段包括在移动进 行期间计算成功达到终止条件所需的加加速度值。
以下参照附图进行详细描述，在附图中图1是根据本发明的一个实施例的执行路径规划的控制系统的示意图。图2是示出了通过图1的控制系统用于本发明的一个实施例中的基本移动类型的 七段的叠式图。图3是显示了贯穿七段的共同的时间标尺上路径命令与时间的关系的叠式图。图4是显示了贯穿段1-3的共同的时间标尺上路径命令与时间的关系的叠式图。图5是显示了不存在段2和6的共同的时间标尺上路径命令与时间的关系的叠式 图。图6是显示了具有新移动命令的共同的时间标尺上路径命令与时间的关系的叠 式图。图7是显示了具有超出编程极限值的新移动命令的共同的时间标尺上路径命令 与时间的关系的叠式图。图8是显示了贯穿段5-7而不存在段6的共同的时间标尺上路径命令与时间的关 系的图示。
具体实施例方式本发明的一个实施例涉及一种系统和方法，其用于生成可被实时解出并且还满足 初始和最终条件同时不超过编程极限值的基于时间的运动轮廓。极限值可为最小值或最大 值或其结合。现参照图1，根据本发明的一个实施例示出了用于路径规划的可编程自动控制器 (PAC)型运动系统1的框图。PAC系统1包括PAC系统型运动控制器9、PAC系统型运动模 块(PMM)光纤端子排5和由微处理器子系统3组成的(PMM)母板2。也可使用处理器系统。 PMM母板2还包括若干包括路径生成器4的子系统。路径生成器4是在专门用于路径规划 的微处理器3上运行的固件子系统。支持PMM母板2的功能的其它固件子系统包括通信总 线6，诸如PCI底板驱动器、状态机、命令处理、命令接口、伺服控制，以及其它相关的硬件支 持功能。PAC系统1可包括用于从设备接收各种状态、警报或输入信号的多重I/O模块7。 I/O模块7联接到输入和输出设备。尽管在图1中仅示出一个I/O模块，但PAC系统可包括 多个I/O模块，例如，用于与马达交互的I/O模块。PAC运动系统还包括PMM伺服控制板8。伺服控制板8可为收容在运动控制模块 (PMM)内部的子板。例如，伺服控制板8用作用于机械设备如机械臂的受控元件的运动控制器。处理器3执行包括路径生成和路径跟随的各种主要功能。路径生成是指在初始位 置与目标位置之间实时产生命令轨迹。路径跟随是指马达的控制，其用于实现诸如可定位 的部件和受控元件的设备按照希望的轨迹移动。初始位置与目标位置之间的最佳时间路径是利用用户编程的命令加加速度值的 路径。然而，跟随最佳时间路径并不适合于实时应用。为了跟随最佳时间路径，当处理设备 必须执行命令加加速度值以到达目标位置时其必须计算沿路径的精确时间。如果计算出精确时间，则知道理想轨迹并且可跟随它。找出整个移动的精确时间需要解决在许多情形中 并不产生闭合形式解的复杂的计算。在本发明的一个实施例中，处理器3利用将移动拆分为两阶段的两阶段轨迹生成 方法。为了实时地尽可能接近地跟随最佳时间路径，处理器3使用用户指定的命令加加速 度值直到第二阶段开始为止。在命令任何运动之前，处理器3在移动进行期间为每个采样 周期计算达到终止条件所需的加加速度值。同样，在移动进行期间，将用于加加速度的命令 值与计算出的对于当前采样周期达到终止条件所需的加加速度值进行对比并与计算出的 对于下一采样周期达到终止条件所需的加加速度值进行对比。当加加速度的命令值J。位 于计算出的当前采样周期的加加速度值Jn与计算出的下一采样周期的加加速度值Jn+1之间 时，在时间η执行的加加速度值为Jn。这就是移动的第二阶段开始的时间。结果，运动轮廓尽实时地可能接近地跟随最佳时间路径而不会超过编程极限值或 超出用户指定的输入命令值。运动轮廓展现出到达已知目标位置的最短时间路径，其中减 速度(或加速度)在采样周期上开始。取决于终止条件，达到终止条件的加加速度值可代 表减速至较低速度的减速度或加速至较高速度的加速度。基于在移动开始前生成的运动轮廓，处理器3传送用于执行已知初始位置与已知 目标位置之间的移动的命令信号。I/O模块7从处理器3接收命令信号。现参照图2的叠式图，示出了使用两阶段方法生成的共同时间标尺上路径命令与 时间的关系。图2还示出了其中需要七段来完成移动的基本移动类型。具体而言，该七段 包括来自第一阶段的三段、恒定速度段、以及来自第二阶段的三段。在恒定加加速度模式中，加加速度曲线或轮廓20在各段1-3中保持恒定命令值。 移动的第二阶段始于段5的起始处。特别地，移动继续经过恒定速度段(段4)，直到命令加 加速度值J。大于计算出的当前采样周期的加加速度值Jn，但小于计算出的下一采样周期的 加加速度值Jn+1为止。在第二阶段的起始处(段5)，在时间n，处理器3执行Jn作为加加速 度值。如图2所示，加加速度曲线20在采样时间η并贯穿段5的持续时间具有值Jn。段 5、6和7的加加速度的值将总是小于或等于命令值。在该示例性情形中，达到终止条件所需 的加加速度值代表减速至较低速度的减速度。在图2中，加速度曲线22展现出与贯穿移动的加加速度曲线20相对应的加速度 并在段2中达到其最大值。速度曲线24展现出与贯穿移动的加加速度曲线20和加速度曲 线22相对应的速度。速度在段4中达到其最大值。受控设备的位移由位移曲线26示出， 其对应于加加速度轮廓20、加速度轮廓22和速度轮廓24。具有恒定速度段的两阶段移动是由于其中所有未受控变量达到最大值的点对点 移动而得到的。速度、加速度和减速度全部达到它们的最大值。表1描述了各段及其独特 的方面。表 权利要求
一种用于实时生成运动轮廓的系统，所述系统包括处理器，所述处理器配置成将移动拆分为第一阶段和第二阶段，所述第一阶段包括命令所述移动朝向恒定速度段，并且所述第二阶段包括在移动进行期间计算成功到达终止条件所需的加加速度值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成计算所述第二阶段必须采取控制以到达目标位置的点，其中所述第二阶段必须采取控 制的点能够出现在所述第一阶段开始之后的任何时间；以及传送命令信号，用于在已知的初始位置与所述目标位置之间执行移动。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成将对第一阶段 计算和第二阶段计算的处理划分在多个采样周期上。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成在不超过编程 极限值的前提下生成所述运动轮廓，所述运动轮廓展现出到达所述目标位置的时间最短的 路径，其中在采样周期上执行成功地满足终止条件所需的加加速度值。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成确定完成所述 移动所需的离散时间段的数量，其中所述运动轮廓包括在所述初始位置与所述目标位置之 间的多个离散时间段。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述第二阶段与所述多个离散时间段中 的一个同时开始。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成将正确的符 号赋予输入命令值，其中加加速度、速度、加速度和减速度的输入命令值被用户指定为绝对值。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成在接收到至少一个用户指定的新移动命令值后放弃正在进行的移动，其中所述至少一 个新移动命令值不超出所述编程极限值；以及执行所述至少一个新命令值而继续所述移动。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成在接收到至少一个用户指定的新移动命令值后产生警告，其中所述至少一个新移动命 令值超出所述编程极限值；以及使用当前命令值继续正在进行的移动。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成计算成功达到当前采样周期的终止条件所需的加加速度值；计算成功达到下一采样周期的终止条件所需的加加速度值；以及将计算出的当前采样周期所需的加加速度值和计算出的下一采样周期所需的加加速 度值与命令加加速度值进行对比。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成当所述命令 加加速度值介于计算出的当前采样周期所需的加加速度值与计算出的下一采样周期的加 加速度值之间时，执行计算出的当前采样周期所需的加加速度值以开始所述移动的第二阶 段。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在当前采样周期的时间执行计算出的 当前采样周期所需的加加速度值。
13.一种用于实时生成运动轮廓的系统，所述系统包括 处理器，所述处理器配置成传送基于所述运动轮廓的命令信号；将移动拆分为第一阶段和第二阶段；计算所述第二阶段必须采取控制以到达目标位置的点；配置成接收所述命令信号的至少一个输入/输出模块；以及用于所述移动的受控设备。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成在移动进行期间计算成功到达所述目标位置所需的加加速度值并在所述第二阶段必 须采取控制的点执行计算出的加加速度值；其中，所述第二阶段必须采取控制的点出现在采样周期上；并且其中，所述第二阶段必须采取控制的点能够出现在所述第一阶段开始之后的任何时间。
15.一种用于实时生成运动轮廓的方法，所述方法包括将移动拆分为第一阶段和第二阶段，所述第一阶段包括命令所述移动朝向恒定速度 段，并且所述第二阶段包括在移动进行期间计算成功到达终止条件所需的加加速度值。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算所述第二阶段必须采取控制以到达目标位置的点，其中所述第二阶段必须采取控 制的点能够出现在所述第一阶段开始之后的任何时间；以及传送命令信号，用于在已知的初始位置与所述目标位置之间执行移动。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在不超过编程极限值 的前提下生成所述运动轮廓，所述运动轮廓展现出到达所述目标位置的时间最短的路径， 其中在采样周期上执行成功满足终止条件所需的加加速度值。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 计算成功达到当前采样周期的终止条件所需的加加速度值；计算成功达到下一采样周期的终止条件所需的加加速度值；以及 将计算出的当前采样周期所需的加加速度值和计算出的下一采样周期所需的加加速 度值与命令加加速度值进行对比。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述命令加加速度 值介于计算出的当前采样周期所需的加加速度值与计算出的下一采样周期的加加速度值 之间时，执行计算出的当前采样周期所需的加加速度值以开始所述移动的所述第二阶段。
全文摘要
本发明涉及一种用于实时生成运动轮廓的系统，该系统包括处理器。该处理器将移动拆分为第一阶段和第二阶段。第一阶段包括命令移动朝向恒定速度段，而第二阶段包括在移动进行期间计算成功达到终止条件所需的加加速度值。处理器还传送基于运动轮廓的命令信号并计算第二阶段必须采取控制以到达目标位置的点。该系统还包括用于移动的受控设备和接收命令信号的至少一个输入/输出模块。本发明还涉及一种用于实时生成运动轮廓的方法。
文档编号G05B19/416GK101939711SQ200880113417
公开日2011年1月5日 申请日期2008年8月13日 优先权日2007年10月21日
发明者D·H·米勒, W·L·莫里森 申请人:通用电气智能平台有限公司