一种用于线阵CCD扫描过程的伺服运动控制方法与流程

本发明属于精密运动控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法。

背景技术：

ccd(chargecoupleddevice)是一种光电耦合型成像器件，能够直接将光信号转换为电信号，经信号放大模数转换后获取数字化图像。ccd器件按其感光单元的排列方式分为线阵ccd和面阵ccd两类。线阵ccd因为其结构简单、成本较低而得到广泛应用。不同于面阵ccd的图像采集系统只要简单的曝光就可取得面积影像，线阵ccd扫描的成像系统是需要利用运动速度连续扫描才能获得二维面积影像，其成像的特性与面阵ccd采集系统有一定的差别。

线扫描成像系统用于被测物体和相机之间有相对运动的情景，线阵相机每次仅采集一行像素，若要得到一幅完整的图像，被摄物体必须沿垂直于线阵传感器的方向以一定的速度运动，线阵ccd釆集完一行数据以后，被摄物体恰好运动到了下一个单位长度，形成连续不断的数据采集。

线阵ccd有固定的行扫描周期，当它仅按本身的扫描周期采集图像而与被摄物体运动速度不同步时，便会出现图像模糊的情形，其釆集的图像通常是失真的，可能丢失重要的数据或者增加重复无用的数据，呈现被测物体的压缩或拉伸图像，因此扫描过程中实现速度的无差控制是取得正确而且等比例的图像的关键。

现有线阵ccd扫描过程中的伺服控制大多采用单一控制模式，无法实现扫描过程中不同运动状态的精确控制。又或是双轴运动采用统一控制结构，没有考虑到扫描过程中双轴运所实现的功能的区别。即x轴的运动主要实现扫描过程中被摄物体的移动，要求实现速度的无差控制。y轴的运动主要实现的是定位功能。忽略此点通常会导致扫描运动过程中仍然产生非扫描方向的运动。从而导致相机拍摄的照片产生拉伸、压缩甚至是扭曲等现象，增加了所获取照片在后续图像处理中的难度，降低了系统的检测效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法，通过对扫描过程中速度进行无差控制，来避免线阵ccd相机扫描过程中因运动速度不平稳而产生的图像失真。

为实现上述发明目的，本发明一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、规划线阵光电耦合型成像器件ccd的扫描轨迹

(1.1)、规划扫描方向的运动轨迹

设置线阵ccd每行的像素为nr，线阵ccd的宽度为w0，线阵ccd的扫描速率为vc，被摄物体运动速度为v0，；

则有：横向扫描精度纵向扫描精度

保证采集的图像不失真，按照横向和纵向的分辨率相等的原则，被摄物体的最佳移动速度与线阵ccd的扫描速率满足以下关系：

v0＝vc×w0/nr

最后，根据运动速度v0规划扫描方向的运动轨迹；

(1.2)、规划非扫描方向的运动轨迹

将被摄物体的运动行程设置为线阵ccd的单次扫描宽度w0；

(1.3)、对规划轨迹进行优化

在规划的运动轨迹输出端增加滤波模块，滤掉规划轨迹中的噪声扰动；

(2)、参数整定

(2.1)、双环pid算法的参数整定

在速度外环和位置内环中，分别根据优化后的规划轨迹求出期望的加速度曲线ag(t)，再通过光栅尺传感器得到实际的加速度曲线ag0(t)，然后计算出加速度误差曲线ea(t)＝ag(t)-ag0(t)，最后根据ziegler-nichols算法调整比例系数kp和积分系数ki，从而完成双环pid算法的参数整定；

(2.2)、迭代学习前馈+pid反馈控制算法的参数整定；

(2.2.1)、屏蔽掉系统的速度外环，仅保留系统的位置内环；然后根据优化后的规划轨迹求出期望的速度曲线vs(t)，将vs(t)进行傅里叶变换得到vs(jw)，再以vs(jw)作为系统初始输入并输入至速度外环；根据光栅尺读出系统的实际速度曲线vs0(t)，将vs0(t)进行傅里叶变换得到vs0(jw)，再以vs0(jw)作为系统初始输出；

最后，代入迭代学习控制律至系统，得到系统的第一次输入yd(jw)为系统期望输出速度；

(2.2.2)、通过光栅尺传感器读出系统的第一次输出y1(jw)，然后，计算第一次输出的速度误差曲线δy1(jw)＝y1(jw)-yd(jw)；

再次通过迭代学习控制律，按照如下公式计算出系统的第二次输入u2(jw)；

其中，ur(jw)为系统的第r次输入，r＝2,3,4,…；yr-1(jw)为系统的第r-1次输出，ρ为差分项比例系数；

同时通过光栅尺传感器读出系统的第二次输出y2(jw)，然后，计算第二次输出的速度误差曲线δy2(jw)＝y2(jw)-yd(jw)；

判断前后两次得到速度误差曲线是否出现振荡，如果出现振荡，则将后一次得到输入作为系统的前馈输入信号，否则，再次通过迭代学习控制律计算出系统的下一次输入，并以此类推，直到速度误差曲线出现振荡时停止迭代；

(2.2.3)、将前馈输入信号输入至步骤(2.1)中已经整定好的双环pid的速度外环中，完成迭代学习前馈+pid反馈控制算法的参数整定；

(3)、判断被摄物体当前运动状态

对被摄物体的运动速度v0求一阶导数，得到被摄物体的加速度a，再将加速度a与给定阈值ε比较，当|a|＞ε时，被摄物体处于变速运动状态；当|a|≤ε时，被摄物体处于匀速运动状态；

(4)、不同运动状态之间的切换与切换优化

(4.1)、当被摄物体处于变速运动状态时，切换到前馈控制+pid反馈控制，具体控制过程为：

(4.1.1)、计算此运动状态下系统的初始输入u0；

u0＝kp1*kp2*vs(0)+ur(0)

其中，kp1、kp2为位置内环和速度外环的比例系数，ur(0)为前馈输入信号在初始时刻的值，vs(0)为期望速度曲线在初始时刻的值；

(4.1.2)、通过光栅尺读出运动状态下系统的加速度反馈信号a0(t)，然后带入前馈控制+pid反馈控制律，计算出此运动状态下系统的加速度信号a(t)；

ev(t)＝a(t)-a0(t)

其中，ki2为速度外环的积分系数；

(4.1.3)、重复步骤(4.1.1)-(4.1.2)，对加速度信号a(t)进行实时跟踪，使系统实时输出的速度曲线到达期望速度曲线，从而完成该运动状态下的控制；

(4.2)、当被摄物体处于匀速运动状态时，切换到双环pid控制，具体控制过程为：

(4.2.1)、计算此运动状态下系统的初始输入u0；

u0＝kp1*kp2*vs(0)

(4.2.2)、通过光栅尺读出运动状态下系统的加速度反馈信号a0(t)，然后带入双环pid控制律，计算出此运动状态下系统的加速度信号a(t)；

ev(t)＝a(t)-a0(t)

其中，ki2为速度外环的积分系数；

(4.2.3)、重复步骤(4.2.1)-(4.2.2)，对加速度信号a(t)进行实时跟踪，使系统实时输出的速度曲线到达期望速度曲线，从而完成该运动状态下的控制。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法，先规划线阵光电耦合型成像器件ccd的扫描轨迹，再对双环pid算法和迭代学习前馈+pid反馈控制算法的参数进行整定，最后，判断被摄物体当前运动状态，并根据不同运动状态之间的切换与切换优化后进行速度控制，从而来避免线阵ccd相机扫描过程中因运动速度不平稳而产生的图像失真。

同时，本发明一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法还具有以下有益效果：

(1)、加速度前馈采用的差分无模型迭代学习算法，可以避免由系统建模错误引起的误差，动态迭代过程可以不断修正由扰动引发的输出误差，实现对加速阶段的无差控制；其次，迭代过程中差分的应用可以消除系统固有误差，在本发明采用的算法中，差分项不仅考虑了当前状态前两次的系统的状态对系统的影响，还考虑了初始迭代过程中系统状态对系统残余影响，引入了比例系数ρ对各次迭代对系统的影响系数进行了分配；

(2)、本发明设计的两种控制模型切换控制，使系统在匀速扫描阶段进行双环pid控制，加速运动和减速运动阶段系统使用加速度前馈控制，这种控制结构使系统同时具有了双环pid控制结构的优点，又避免了系统处于单模态控制状态下的缺点；

(3)、切换过程中引入切换优化信号，避免了模型突然切换给系统带来的扰动，也减小了系统在两种控制模式之间切换的时间。

附图说明

图1是本发明一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法流程图；

图2是线阵ccd扫描过程示意图；

图3是滤波后的规划运动轨迹图；

图4是switch模块切换运动状态框图；

图5是切换优化信号示意图；

图6是优化前后的前馈输入信号对比图；

图7是前馈输入模块的结构框图；

图8是伺服运动控制系统的结构框图；

图9为传统pid控制与本发明速度曲线对比图；

图10为传统pid控制与本发明速度误差曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种用于线阵ccd扫描过程的伺服运动控制方法，包括以下步骤：

s1、规划线阵光电耦合型成像器件ccd的扫描轨迹

s1.1、规划扫描方向的运动轨迹

线扫描成像系统必须含有运动控制才能正常取像，运动控制最重要的环节是确定线扫描相机的行频率跟运动速度之间的关系，只有扫描频率和运动速度处于正确的匹配关系才可以得到正确不失真的图像，具体扫描过程如图2所示。

要保证采集到的图像不被拉伸或者压缩，必须遵从一点：物体的横向和纵向的分辨率相等，即一个行同步周期中物体移动的距离与像素采样的实际尺寸相同。

设置线阵ccd每行的像素为nr，线阵ccd的宽度为w0，线阵ccd的扫描速率为vc，被摄物体运动速度为v0，；

则有：横向扫描精度纵向扫描精度

保证采集的图像不失真，按照横向和纵向的分辨率相等的原则，被摄物体的最佳移动速度与线阵ccd的扫描速率满足以下关系：

v0＝vc×w0/nr

当镜头和相机选定的时候，其横向精度是固定的值，在线阵扫描像机行频不变的情况下图像的纵向精度是随着物体的运动速度而变化的。当物体运动速度过快时，使实际图像压缩，会造成某些数据段丢失，当物体运动速度快慢时，使实际图像拉伸，会带来重复无用数据。在机器视觉系统应用中，为了获取运动物体清晰的图像，避免图像模糊，线扫描影像必须锁定纵向精度：使纵向精度始终等于横向精度。

最后，根据运动速度v0规划扫描方向的运动轨迹；规划结果如图3所示，运动过程分为加速阶段，匀速运动阶段，减速阶段。在匀速运动阶段，又预留了r1和r2阶段，待速度完全匀速再开始扫描过程。

s1.2、规划非扫描方向的运动轨迹

非扫描方向的运动为空行程阶段，此时ccd线阵相机不工作。为了减少空行程时间，非线阵相机工作区域尽可能提高速度，但需保证定位精度。为了节省空行程时间，此时被扫描物体的运动分为加速段和减速段。整段运动的行程正好是将被摄物体的运动行程设置为线阵ccd的单次扫描宽度w0；

s1.3、对规划轨迹进行优化

为了避免扫描过程中速度、加速度的突变。运动过程中尽量平滑、平稳。就要求规划轨迹尽可能平滑、无高频成分。为了使规划轨迹更加平滑，本发明采用的在轨迹规划输出端加上滤波模块。滤波模块采用的是卡尔曼滤波器，可以过滤掉规划轨迹中的噪声扰动，也就是加速运动与匀速运动之间的轨迹不平滑阶段，实现对规划轨迹的优化。

加了滤波器进行轨迹优化后的的规划轨迹如图3所示，加了滤波器之后消除了加速运动阶段与匀速运动阶段之间的速度突变。

s2、参数整定

s2.1、双环pid算法的参数整定

在速度外环和位置内环中，分别根据优化后的规划轨迹求出期望的加速度曲线ag(t)，再通过光栅尺传感器得到实际的加速度曲线ag0(t)，然后计算出加速度误差曲线ea(t)＝ag(t)-ag0(t)，最后根据ziegler-nichols算法调整比例系数kp和积分系数ki，从而完成双环pid算法的参数整定；

双环pid算法的参数整定包括速度外环pid算法的参数整定和位置内环的pid算法的参数整定，整定过程完全相同，下面我们以速度外环pid算法的参数整定为例进行说明，具体过程为：

1)、将接入比例控制器到系统中；

2)、设置比例控制器的比例增益k，给比例控制器输入一个单位阶跃信号，观测电机对单位阶跃信号的加速度响应曲线as0(t)；

3)、由小到大改变比例增益k，直到系统出现振荡；

4)、当系统出现持续等幅振荡时，记录下此时的增益和振荡周期，分别标记为临界增益ku和临界周期tu；

5)、计算速度外环的比例系数kp2和积分系数ki2；

s2.2、迭代学习前馈+pid反馈控制算法的参数整定；

s2.2.1、屏蔽掉系统的速度外环，仅保留系统的位置内环；然后根据优化后的规划轨迹求出期望的速度曲线vs(t)，将vs(t)进行傅里叶变换得到vs(jw)，再以vs(jw)作为系统初始输入并输入至速度外环；根据光栅尺读出系统的实际速度曲线vs0(t)，将vs0(t)进行傅里叶变换得到vs0(jw)，再以vs0(jw)作为系统初始输出；

最后，代入迭代学习控制律至系统，得到系统的第一次输入yd(jw)为系统期望输出速度；

s2.2.2、通过光栅尺传感器读出系统的第一次输出y1(jw)，然后，计算第一次输出的速度误差曲线δy1(jw)＝y1(jw)-yd(jw)；

再次通过迭代学习控制律，按照如下公式计算出系统的第二次输入u2(jw)；

其中，ur(jw)为系统的第r次输入，r＝2,3,4,…；yr-1(jw)为系统的第r-1次输出，ρ为差分项比例系数；

同时通过光栅尺传感器读出系统的第二次输出y2(jw)，然后，计算第二次输出的速度误差曲线δy2(jw)＝y2(jw)-yd(jw)；

判断前后两次得到速度误差曲线是否出现振荡，如果出现振荡，则将后一次得到输入作为系统的前馈输入信号，否则，再次通过迭代学习控制律计算出系统的下一次输入，并以此类推，直到速度误差曲线出现振荡时停止迭代；

s2.2.3、将前馈输入信号输入至步骤s2.1中已经整定好的双环pid的速度外环中，完成迭代学习前馈+pid反馈控制算法的参数整定；

s3、判断被摄物体当前运动状态

运动状态判断模块的功能的实现由switch模块完成，如图4所示，对被摄物体的运动速度v0求一阶导数，得到被摄物体的加速度a，再将加速度a与给定阈值ε比较，当|a|＞ε时，被扫描物体存在一个允许误差范围外的误差，此时被摄物体处于变速运动状态；当|a|≤ε时，被扫描物体的加速度在零点附近漂移，此时被摄物体处于匀速运动状态；

s4、不同运动状态之间的切换与切换优化

为了保证系统的稳定性不被系统的控制模型的切换过程所影响，本发明设计了一个切换优化模块。切换优化信号的设计如图5所示，为了避免前馈信号在达到切换临界点时突然置零导致系统模型的突变，从而影响系统的稳定性。必须在切换初始阶段进行轨迹优化。考虑到切换优化信号的两个基本要求：1.实现切换临界点到零的平滑过渡。2.尽可能减小过渡时间，减小系统在两种模型之间的切换时间。

因此本发明将switch模块下路切换优化信号切换初始阶段选择最速降线，也就是摆线。最速降线能很好的满足我们对切换优化信号的要求。将系统临界状态ε到0之间的相互切换状态设计成最速降线可以很好的解决系统控制结构切换过程中引起的系统扰动问题。加了切换优化信号的加速度前馈模块输出如附图6所示，当系统达到临界切换状态ε时，前馈信号沿着最速降线下降到零，直至扫描过程结束。此时，加速度前馈信号输出为零。系统实现由加速度前馈控制到双环pid控制之间的平滑切换。

下面我们对切换控制的具体过程进行描述。

s4.1、当被摄物体处于变速运动状态时，切换到前馈控制+pid反馈控制，前馈输入模块的结构框图如图7所示，其基本思想是在迭代过程中用前k次迭代的得到的数据来调整第k+1次迭代的输入量，具体控制过程为：

s4.1.1、计算此运动状态下系统的初始输入u0；

u0＝kp1*kp2*vs(0)+ur(0)

其中，kp1、kp2为位置内环和速度外环的比例系数，ur(0)为前馈输入信号在初始时刻的值，vs(0)为期望速度曲线在初始时刻的值；

s4.1.2、通过光栅尺读出运动状态下系统的加速度反馈信号a0(t)，然后带入前馈控制+pid反馈控制律，计算出此运动状态下系统的加速度信号a(t)；

ev(t)＝a(t)-a0(t)

其中，ki2为速度外环的积分系数；

s4.1.3、重复步骤s4.1.1-s4.1.2，对加速度信号a(t)进行实时跟踪，使系统实时输出的速度曲线到达期望速度曲线，从而完成该运动状态下的控制；

s4.2、当被摄物体处于匀速运动状态时，切换到双环pid控制，具体控制过程为：

s4.2.1、计算此运动状态下系统的初始输入u0；

u0＝kp1*kp2*vs(0)

s4.2.2、通过光栅尺读出运动状态下系统的加速度反馈信号a0(t)，然后带入双环pid控制律，计算出此运动状态下系统的加速度信号a(t)；

ev(t)＝a(t)-a0(t)

其中，ki2为速度外环的积分系数；

s4.2.3、重复步骤s4.2.1-s4.2.2，对加速度信号a(t)进行实时跟踪，使系统实时输出的速度曲线到达期望速度曲线，从而完成该运动状态下的控制。

在本实施例中，本发明的整体控制框图如图8所示。将本发明所述方法与一组调试良好普通的双环pid伺服运动控制方法进行对比。图9为传统pid控制与本发明速度曲线对比图，图10为传统pid控制与本发明速度误差曲线对比图。如图9和图10所示。在变速运动阶段，本发明所采用的控制方法的跟踪误差明显小于传统pid控制，且响应速度有了较大提升，解决了传统pid控制的时滞性的问题。在匀速运动阶段，本发明所采用的控制方法的跟踪精度也明显较传统pid控制有所提升。实验结果表明：本发明通过以上的设计，运动伺服系统的动态性能显著提高，减小了稳态跟踪误差，同时，本发明还极大程度地降低了运动伺服系统的建模难度，并且会对扰动带来的模型不确定性进行跟踪，提高了跟踪精度，从而使运动伺服系统不仅可以保证稳定性和相应的快速性，还使运动伺服系统的输出速度在任何时刻都可以最大程度地复现出规划速度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。