[发明专利]用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法

说明书

本发明公开了一种用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法，包括：对高精度运动平台控制所必须的规划指令，即任意阶S型运动规划曲线进行定义；针对所定义的任意阶S型运动规划曲线，构造该运动规划曲线的求导矩阵；根据高精度运动平台的规划距离、最大速度、最大加速度、速度连续、加速度连续等要求，建立等效的方程组，通过求解方程组得到任意阶次的S型曲线的表达式；利用该表达式进行高精度运动平台高阶S型曲线的运动规划。本发明所提出的方法可以为高精度运动平台的闭环控制提供任意阶次的S型曲线规划指令，便于编程实现，可以快速生成任意阶次的S型运动规划曲线。

技术领域

本发明涉及高精度控制及制造领域，具体涉及一种用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法。

背景技术

在现代化制造领域中，高精度运动平台，如高精度直线平台、高精度旋转平台、SCARA机器人等得到广泛应用。高精度运动平台的控制策略一般采用闭环控制，闭环控制中常需要用到规划指令信号与反馈信号，尤其在进行对精度和速度有较高要求的加工任务时，如何在保持定位精度的前提下尽可能地缩短定位时间对于提高设备的生产效率和改善加工质量至关重要，解决这类问题的关键技术之一就是高速高精度运动规划。

在高速高精度运动规划中，高阶运动规划曲线对执行部件的速度平滑和性能的充分发挥有着极大的提升。然而受限于现有控制器或控制卡的功能，目前在工程领域中应用较多的运动规划曲线多为低阶的运动规划曲线，对于高阶运动规划曲线的推导构造鲜有研究涉及。

高精度运动平台的控制多需要结合控制器或者控制卡实现，目前应用较为广泛的有固高运动控制卡、PMAC控制器、dSPACE控制器等。目前，控制器或控制卡中使用最为广泛的是二阶运动规划曲线和三阶运动规划曲线，即梯形速度规划和三阶S型速度规划。通常而言，采用梯形速度规划可以极大地缩短运动规划的时间，但是梯形速度规划曲线存在加速度突变，容易激发较大的残余振动，进而导致运动系统需要较多的振动衰减时间来满足定位精度。所以一般在半导体制造等精密工程领域中，使用较多的为三阶S型速度规划，然而三阶S型速度规划曲线中，仍存在急动度不连续的情况。在一些场合中，高阶非对称曲线的规划方法可以得到相比于低阶运动规划曲线更好的效果。然而，目前工程中常用的控制器或控制卡并不具备高阶S型曲线运动规划的功能，大多情况下需要使用者自己写出高阶S型运动规划曲线的表达式，然后根据采样时间逐步计算规划指令，最后发送给控制器或控制卡实现闭环控制。

目前尚没有一个统一的方法来设计用于高精度运动平台控制的任意阶次S型运动规划曲线，这对于工程应用的编程实现极为不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法，用以解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法，包括以下步骤：

步骤1，对高精度运动平台控制所必须的规划指令，即任意阶S型运动规划曲线进行定义；

步骤2，针对所定义的任意阶S型运动规划曲线，构造该运动规划曲线的求导矩阵；

步骤3，根据高精度运动平台的规划距离、最大速度、最大加速度、速度连续、加速度连续等要求，建立等效的方程组，通过求解方程组得到任意阶次的S型曲线的表达式；利用该表达式进行高精度运动平台高阶S型曲线的运动规划。

进一步地，所述任意阶S型运动规划曲线进行定义，包括：

n阶S型运动规划曲线的位移表达式是2ⁿ-1段且每段均为n次多项式的表达式，S_i(t)表示n阶S型运动规划曲线的第i段曲线的位移表达式：