一种稳定平台实时轨迹规划方法技术

本发明专利技术涉及一种轨迹规划方法，具体为一种稳定平台实时轨迹规划方法；包括如下步骤：步骤一、建立稳定补偿控制系统，由上位机和下位机构成，上位机用于监督和产生一系列指令信号，下位机实时地执行控制算法；控制过程以循环的方式进行工作，步骤二、基于贝塞尔曲线的路径规划；步骤三、基于变结构状态滤波器的轨迹规划；本发明专利技术的设计由基于贝塞尔曲线插值的路径规划与基于变结构非线性滤波器轨迹规划算法构成。实验结果表明，该运动规划方案可以在线生成光滑曲线有效提高平台跟踪补偿精度与运动平稳性。对提升稳定平台补偿精度具有积极效果。极效果。极效果。

【技术实现步骤摘要】
一种稳定平台实时轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及一种实时轨迹规划方法，具体为一种稳定平台实时轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]舰船稳定平台是一套实时检测并补偿船体运动的机电设备，为舰载设备提供稳定的工作空间。典型的应用包括舰载武器、舰载雷达、海上吊装设备、海上直升机安全着舰设备以及海上安全引桥设备等。并联稳定平台以其高承载能力以高机动性的得到广泛关注。稳定平台系统实时根据载体运动作出相应补偿。为了实现稳定平台高精度补偿，实现具有高实时性且满足机构运动要求的运动规划具有重要意义。
[0003]一般条件下，运动规划被分为路径规划问题和轨迹规划问题。路径规划针对执行器动作要求设计出一条可执行的几何路径，而轨迹规划针对给定执行路径的设计时间律。与常规机器人系统或自动化机械系统相比，稳定平台轨迹生成有其特殊性：一般条件下执行机构的路径规划过程与轨迹规划过程是分离的，即机构在轨迹规划之前就已经得到了待执行路径的完整信息。稳定平台实时检测并补偿船体运动，在轨迹规划之前并联稳定平台补偿轨迹是未知，即稳定平台需要在线的完成路径规划与轨迹规划任务。这种工况一方面对轨迹算法生成的实时性做出了更高要求，另一方面对轨迹的时间属性做出了更强的约束。稳定平台的运行轨迹取决于船体的运动轨迹，稳定平台轨迹运行时间相对船体运动中的任何超前与滞后都会造成补偿误差。因此运行时间最短的优化指标就不再适用于并联稳定平台的轨迹生成。
[0004]实时运动规划问题是机构智能化发展的关键问题之一，相关学者做出了大量研究；面向控制需求，相关学者也提出了一系列系统设计和大量研究。对并联稳定平台装置稳定补偿工况做出了详细分析，指出稳定补偿系统具有强实时性并且运动形式复杂。提出稳定补偿过程中面临的两个问题：上下位机周期协调问题与平台轨迹光滑性约束问题。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
中提到的问题，本专利技术提供一种稳定平台实时轨迹规划方法，以解决
技术介绍
提出的技术问题。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种稳定平台实时轨迹规划方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、建立稳定补偿控制系统，由上位机和下位机构成，上位机用于监督和产生一系列指令信号，下位机实时地执行控制算法；控制过程以循环的方式进行工作，并且上位机与下位机使用不同的工作周期，受姿态传感器性能的限制，上位机采用周期T，下位机使用Ts作为执行周期；实际工作中需要实时地通过轨迹规划得到每个Ts执行周期的位置与速度以供控制器参考，进而形成跟踪指令；
[0008]在稳定平台系统实时运动规划方案整体结构中，上位机按照周期T进行采集船体姿态信息，驱动系统以周期Ts进行闭环控制，为协调控制过程中两者周期差异，采用基于贝
塞尔曲线的插值算法针对姿态信息节点进行插补；然后，将插补后的姿态信息经由运动学反解生成三缸实时轨迹；
[0009]步骤二、基于贝塞尔曲线的路径规划
[0010]m阶贝塞尔曲线定义为控制点与伯恩斯坦多项式乘积形式
[0011][0012]式中，系数p
j
为控制点，基函数为m阶伯恩斯坦多项式，定义为
[0013][0014]式中，二项式系数定义为
[0015][0016]选择三阶贝塞尔曲线进行插值，当m＝3时，贝塞尔曲线可以表示成
[0017][0018]对参数u求导，可由端点处一阶导数表达
[0019]b
(1)
(0)＝3(p1‑
p0),b
(1)
(1)＝3(p3‑
p2)
[0020]p0,p3为待插补的两个端点，为了完成插补算法需要确定中间控制点坐标；
[0021]其中间控制点的确定方法，令贝塞尔曲线在起始点和终点导数具有相同的幅值
[0022]|b
(1)
(0)|＝|b
(1)
(1)|＝|b
(1)
(0.5)|＝α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]即满足
[0024][0025]式中，α是以下方程的正数解
[0026]aα2+bα+c＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0027]式中，
[0028]a＝16
‑
|t0+t3|2,b＝12(p3‑
p0)
T
(t0+t3),c＝
‑
36|p3‑
p0|2[0029]根据上述中间控制点确定过程，需要对待插补节点斜率进行估计，其斜率估计方法可以表示为
[0030]t
k
＝(1
‑
α
k
)δ
k
+α
k
δ
k+1
,k＝1,...,n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0031]式中，
[0032][0033][0034]Δq
k
＝q
k
‑
q
k
‑1,
[0035]表征节点对应时间属性，用于计算轨迹瞬时速度，假设轨迹以单位速度匀速生成并以节点直线距离替代曲线距离，则有
[0036][0037]以上过程仅可以对中间节点斜率进行估计，对端点采用如下方式进行估计
[0038]t0＝2δ1‑
t1,t
n
＝2δ
n
‑
t
n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0039]步骤三、基于变结构状态滤波器的轨迹规划
[0040]采用基于变机构非线性滤波的方法进行实时轨迹规划，对其速度加速度以及加加速度进行限制，建立离散系统，给定任意标准参考信号r(t)，都可以得到满足如下约束条件的光滑信号q(t):
[0041][0042]轨迹优化方法依赖于轨迹误差，定义归一化标准误差变量
[0043][0044]式中，U为有效控制量的最大值；
[0045]驱动在速度及加速度上的约束在转化为标准约束范围
[0046][0047]控制器C3的具体表达形式为
[0048][0049]式中，s
δ
＝sign(δ)
[0050]符号函数sign(
·
)定义为
[0051][0052]函数u
v
(
·
)定义为
[0053][0054]作为优选，所述步骤一中可采用基于变结构的状态滤波器对液压缸驱动轨迹速度及加速度进行约束，进而得到满足实时性及平稳性要求的指令轨迹。
[0055]作为优选，所述步骤二中基于贝塞尔曲线的轨迹实时插补的过程实际上是根据船体位姿测量节点获取驱动单元指令序列的过程；插补算法可以分为：获取节点、估计节点斜率、以相邻节点作为端点进行插补和输出，上述计算过程如下：
[0056]1:Input：q0,q1,q2；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稳定平台实时轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、建立稳定补偿控制系统，由上位机和下位机构成，上位机用于监督和产生一系列指令信号，下位机实时地执行控制算法；控制过程以循环的方式进行工作，并且上位机与下位机使用不同的工作周期，受姿态传感器性能的限制，上位机采用周期T，下位机使用Ts作为执行周期；实际工作中需要实时地通过轨迹规划得到每个Ts执行周期的位置与速度以供控制器参考，进而形成跟踪指令；在稳定平台系统实时运动规划方案整体结构中，上位机按照周期T进行采集船体姿态信息，驱动系统以周期Ts进行闭环控制，为协调控制过程中两者周期差异，采用基于贝塞尔曲线的插值算法针对姿态信息节点进行插补；然后，将插补后的姿态信息经由运动学反解生成三缸实时轨迹；步骤二、基于贝塞尔曲线的路径规划m阶贝塞尔曲线定义为控制点与伯恩斯坦多项式乘积形式式中，系数p
j
为控制点，基函数为m阶伯恩斯坦多项式，定义为式中，二项式系数定义为选择三阶贝塞尔曲线进行插值，当m＝3时，贝塞尔曲线可以表示成对参数u求导，可由端点处一阶导数表达b
(1)
(0)＝3(p1‑
p0),b
(1)
(1)＝3(p3‑
p2)p0,p3为待插补的两个端点，为了完成插补算法需要确定中间控制点坐标；其中间控制点的确定方法，令贝塞尔曲线在起始点和终点导数具有相同的幅值|b
(1)
(0)|＝|b
(1)
(1)|＝|b
(1)
(0.5)|＝α
ꢀꢀꢀ
(5)即满足式中，α是以下方程的正数解aα2+bα+c＝0
ꢀꢀꢀ
(7)式中，a＝16
‑
|t0+t3|2,b＝12(p3‑
p0)
T
(t0+t3),c＝
‑
36|p3‑
p0|2根据上述中间控制点确定过程，需要对待插补节点斜率进行估计，一种常用的斜率估计方法可以表示为
t
k
＝(1
‑
α
k
)δ
k
+α
k
δ
k+1
,k＝1,...,n
‑1ꢀꢀꢀ
(8)式中，式中，Δq
k

【专利技术属性】
技术研发人员：王力航，史乃煜，范丽荣，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：