本发明涉及大气污染排放检测技术领域,特别涉及一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法及系统。
背景技术:
当前,我国大气环境形势严峻,污染物排放总量大,以细颗粒物为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出。频繁发生的灰霾等区域性大气污染问题,与机动车、工程车辆、船舶等城市移动污染源尾气的不达标排放密切相关。移动源污染已经成为我国大气污染问题中最突出、最急迫的问题之一。
在船舶等非道路移动污染源的排放监测方面,由于无法安装光学反射装置,必须采用被动式扫描观测系统,即大气测污激光雷达,其通过向大气中发射特定波长的激光,采集并分析与大气介质发生物理作用后的散射光谱,来获取大气成分的浓度信息。
但是,这种监测分析方法存在的缺陷在于:一是,测量光程距离长、监测区域面积小,导致观测目标的自定位非常困难;二是,在观测系统的随动过程中,微小振动就会带来极大的检测误差,抗干扰能力较差。
技术实现要素:
本发明的目的在于提供一种激光雷达扫描机构的自适应滑模控制方法及系统,以提高对外部干扰的自适应能力。
为实现以上目的,本发明采用一种激光雷达扫描机构的自适应滑模控制方法,激光雷达扫描机构包括基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2,基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2依次转动连接,该方法包括:
利用dh建模方法,以基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2作为关节点,分别建立关节坐标系;
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程;
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
进一步地,所述根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程,包括:
根据所述关节坐标系对应的dh参数,建立所述激光雷达扫描机构的正运动学方程;
根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程。
进一步地,所述根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程,包括:
基于所述激光雷达扫描机构的正运动学方程,利用newton-euler方法进行前行迭代和后向迭代,得到激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学模型;
将所述激光雷达扫描机构的动力参数代入所述力矩-关节角动力学模型,得到所述力矩-关节角动力学方程。
进一步地,所述激光雷达扫描机构的力矩包括电机施加于所述方位旋转关节b1的力矩τ1和俯仰旋转关节b2的力矩τ2,所述方位旋转关节b1的关节角为
在所述建立激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程之后,还包括:
令τ=(τ1τ2)t,
其中,
进一步地,所述建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩,包括:
利用所述激光雷达扫描机构关节角的期望角度qd与实际角度q的差值e,构造积分滑模面
利用所述积分滑模面,设计滑模角度控制以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩,该滑模角度控制规律为:
其中,
进一步地,所述动态增益k(s)的表示形式为:
αii表示自适应增益矩阵,
进一步地,还包括:
对所述
相应地,所述滑模角度控制规律为:
其中,l表示采样时间,τt-l表示τ在时刻t前l时间的值,
进一步地,所述方位旋转关节b1在竖直平面内转动,所述俯仰旋转关节b2在水平面内转动。
第二方面,提供一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统,包括激光雷达扫描机构和控制器,激光雷达扫描机构包括基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b3,基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2依次转动连接;
所述控制器包括坐标系建立模块、动力学方程建立模块和滑模控制模块,其中:
坐标系建立模块用于利用dh建模方法,以基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2作为关节点,分别建立关节坐标系;
动力学方程建立模块用于根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程;
滑模控制模块用于建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
第三方面,提供一种计算机可读存储介质,包括与存储设备结合使用的计算机程序,所述计算机程序用于被处理器执行,包括:
利用dh建模方法,以基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2作为关节点,分别建立关节坐标系;
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程;
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
与现有技术相比,本发明存在以下技术效果:本发明通过在激光雷达扫描机构的动力学方程基础上,利用定位平台各关节角的期望角度和实际角度的差值,构造积分滑模面,根据积分滑模面设计滑模控制规律以对实际关节角的角度进行调节,得到力矩值,以对激光雷达扫描机构的系统状态进行跟踪。通过采用积分滑模控制,消除了到达阶段的颤振和噪声敏感问题,消除了激光雷达扫描系统动力学的不确定性,提高了系统的鲁棒性,使得激光雷达能够快速、准确、稳定的跟踪目标。
附图说明
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述:
图1是一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法的流程示意图;
图2是本方案对应的控制原理框图;
图3是激光雷达扫描机构的结构示意图;
图4是激光雷达扫描机构的形心结构示意图;
图5是激光雷达扫描机构的d-h连杆坐标系结构示意图;
图6是激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征,请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用,并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示,本实施例公开了一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法,激光雷达扫描机构包括基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2,基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2依次转动连接,该控制方法包括如下步骤s1至s3:
s1、利用dh建模方法,以基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2作为关节点,分别建立关节坐标系;
s2、根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程;
s3、建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
具体地,如图3-图5所示,方位旋转关节和俯仰旋转关节自身均包含了电机、驱动、传动装置,将电机作为执行机构带动方位旋转关节和俯仰旋转关节旋转。在上述步骤s1中:以基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2分别作为关节点,基座b0、方位旋转关节b1以方位旋转轴进行转动,俯仰旋转关节b2以俯仰旋转轴进行转动,采用denavit-hartenberg(dh)法建立三个关节点的三维坐标系。如图4所示,方位旋转关节b1在竖直平面内转动,所述俯仰旋转关节b2在水平面内转动,将基座b0和方位旋转关节b1之间的转动连接点作为第一坐标系的坐标原点o0,将方位旋转轴和俯仰旋转轴的交点作为第二坐标系原点o1,将俯仰旋转轴上的一点作为第三坐标系的原点o2。
s0、s1和s2分别是b0、b1和b2的质心位置,
将b1至安装在b1上用于驱动b2的电机之间的连线作为第一连杆,将b2本体作为第二连杆,根据各关节之间的连杆参数得到所建坐标系对应的dh参数表,如表1所示:
表1
表中,a1为轴zi与轴zi-1的公垂线的长度,αi为轴zi-1与zi轴之间的夹角,当绕轴xi逆时针转动时为正;di为轴zi与轴zi-1的公垂线与轴zi-1的交点沿轴zi-1的坐标;
具体地,上述步骤s2:根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程,具体包括如下细分步骤s21至s22:
s21、根据所述关节坐标系对应的dh参数,建立所述激光雷达扫描机构的正运动学方程。
根据上述表1中的参数,建立激光雷达扫描机构的正运动学方程如下:
其中,
s22、根据所述激光雷达扫描机构的正运动学方程和所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程。
具体地,其包括如下步骤s221至s222:
s221、基于所述激光雷达扫描机构的正运动学方程,利用newton-euler方法进行前行迭代和后向迭代,得到激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学模型。
根据newton-euler方法,前向递推公式为:
其中,
后向递推公式为
其中,
s222、将所述激光雷达扫描机构的动力参数代入所述力矩-关节角动力学模型,得到所述力矩-关节角动力学方程。
具体地,假设在当前连杆坐标系中的坐标中,激光雷达扫描机构的动力参数包括m1=100,m2=46.5,r0,1=0.18,r1,2=0.4,
代入激光雷达扫描机构的参数进行推导,得到激光雷达扫描机构的动力学方程为:
令τ=(τ1τ2)t,
将上述动力学方程改写为:
其中,
具体地,上述步骤s3:建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩,包括如下细分步骤s31至s32:
s31、利用所述激光雷达扫描机构关节角的期望角度qd与实际角度q的差值e,以差值e为跟踪误差,构造积分滑模面
s32、利用所述积分滑模面,设计滑模角度控制以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩,该滑模角度控制规律为:
其中,
需要说明的是,本实施例通过采用积分滑模控制,消除了到达阶段的颤振和噪声敏感问题,消除了激光雷达扫描机构系统动力学的不确定性,提高了系统的鲁棒性,使得激光雷达扫描机构能够快速、准确、稳定的跟踪目标。同时在滑模控制中还采用了自适应动态增益,提高了滑模控制对参数变化的自适应性和控制精度。
优选地,动态增益k(s)的表示形式为:
αii表示自适应增益矩阵,
本实施例还公开了一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法,本实施例公开的方案在上述实施例公开内容的基础上,还包括如下步骤:
对滑模控制规律中的
其中,l表示采样时间,且l足够小,τt-l表示τ在时刻t前l时间的值,
相应地,所述滑模角度控制规律为:
需要说明的是,由于激光雷达扫描机构动力学的不确定性,本实施例通过对
进一步地,本实施例在选取参数
如图6所示,本实施例公开了一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统,包括激光雷达扫描机构10和控制器20,激光雷达扫描机构包括基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b3,基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2依次转动连接;
所述控制器20包括坐标系建立模块21、动力学方程建立模块22和滑模控制模块23,其中:
坐标系建立模块21用于利用dh建模方法,以基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2作为关节点,分别建立关节坐标系;
动力学方程建立模块22用于根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程;
滑模控制模块23用于建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
需要说明的是,本实施例公开的一种激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制系统与上述实施例公开的激光雷达扫描机构的自适应积分滑模控制方法相对应,具体技术方案的实现及效果参见上述方法实施例中的描述,该处不再赘述。
本实施例还公开了一种计算机可读存储介质,包括与存储设备结合使用的计算机程序,所述计算机程序用于被处理器执行,包括:
利用dh建模方法,以基座b0、方位旋转关节b1和俯仰旋转关节b2作为关节点,分别建立关节坐标系;
根据所建立的关节坐标系以及所述激光雷达扫描机构动力参数,建立所述激光雷达扫描机构的力矩-关节角动力学方程;
建立滑模角度控制器以对所述关节角实际角度进行调节,得到电机施加于所述激光雷达扫描机构的力矩。
本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成,前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。