运动控制系统 第九讲 运动控制系统应用实例

4．工作流程
• 无人驾驶汽车的工作流程是：1、由使用者 根据自己需求在行车电脑或者智能终端 (APP)上设定目的地；2、行车电脑或者智 能APP导航软件依据车辆现有位置与即将 前去的位置，把GIS与GPS相结合，生成可 能的运行轨迹，使用者按照自身的情况， 选择规划路径轨迹，并把选择的轨迹作为 行车电脑的输入设定轨迹；3、行车电脑依 据实时感知路况信息，开始对车辆经行控 制操纵。图9-4所示的就是一个无人驾驶汽 车的操控流程。
• 1．问题提出 • 2．功能分析
1．问题提出
• 高速电子锯是剪裁设备的一种类型，用于 各类固体板材的切割分离。图9-5所示的就 是一个实用型高速电子锯。本节将通过四 幅切割流程图对整个高速电子锯的应用进 行一个完全的解析。
2．功能分析
• 高速电子锯是一个典型的运动系统。从所实现的 任务功能看，其根据客户或者实际生产的需要裁 剪木板，木板的几何长度可根据要求输入给控制 器。图9-5所示的是高速电子锯的整体结构图，由 图可以看出高速电子锯的运动是由以下几个运动 组成的。首先，建立一个运动坐标系xyz，其方向 如图9-5所示。V0为木板运动的速度，方向从左 向右（y轴方向），由输送带负责实现。V1为高 速电子锯锯刀沿着x轴方向运动的速度，以实现高 速电子锯进刀裁切木板和切完退刀归位，由二维 平面工作台负责实现。
图9-5
(9-1) (9-2)
图9-9
4．系统组成
• 如图9-10所示，灌装生产线主要是由9大部 件组成，分别是：①输送带，其功能是输 送空瓶至灌装工作位，并把灌装之后的产 品送到下一工作位；②主编码器，其功能 是对输送带的运行速度进行检测，并反馈 到运动控制器，运动控制器按照输送带主 编码器的反馈值，对灌装工作头灌装态时 的速度V2进行同步控制；
图9-1 无人驾驶汽车结构框图 分析图9-1，由驾驶需求、外部感知识别、决策规划、控制执行和车本体等模 块组成。
其中：
感知部分由摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等多种方式共同组 成。 激光雷达 激光雷达的生产厂商集中在国外，包括美国Velodyne公司、 Quanegy公司以及德国的Ibeo公司等，国内激光雷达公司有深圳速腾、北京 北科、上海禾赛等。 毫米波雷达、超声波雷达 近年来毫米波雷达和超声波雷达也逐渐成为自动驾
• ⑦滚珠丝杠，其功能是带动灌装工作头移 动；⑧运动控制器，其功能是按照灌装的 要求，对整个工艺过程进行全自动控制， 本例中采用的是西门子公司的单轴1394运 动控制器，有关1394的详细资料，可以登 录西门子公司的网站进行查询；⑨人机操 作界面，其功能是实现控制参数设定，控 制过程数据实时检测，结果实时反馈，本 系统的人机界面采用的是Panel View 550， 有关Panel View 550的详细资料和技术参数， 读者可以通过相关网站查询。
2．功能分析
• 从车辆行驶的基本功能来看，无人驾驶应该完成 有人操作的所有功能，从操控性来看，要有自动 控制车辆加减速、制动、转向动作，要能依据感 知传感器实现对行驶环境的精确感知，依据GIS、 GPS（北斗）确定合理的行车线路。
3．系统组成
• 首先我们先对无人驾驶汽车进行分析，无人驾驶 汽车是什么？无人驾驶汽车是由一个车架+四个车 轮+油门控制（一个行走电机）+一套转向操控系 统（一个转向电机）+一套制动装置+一套行车控 制电脑+能源供给管理系统（电源管理）+外部行 车环境感知+一个外壳组成。
本讲主要内容
第九章运动控制系统应用实例 9.1 无人驾驶汽车 9.2高速电子锯 9.3胡萝卜汁的灌装 9.4点胶机 9.5包装生产线 9.6缠绕生产线 9.7恒压供水系统
9.1 无人驾驶汽车
• 1．问题提出 • 2．功能分析 • 3. 系统组成 • 4. 工作流程 • 5. 结论
1．问题提出
• 随着人民生活水平的提升和科学技术水平 的发展，市场对自动驾驶车辆的需求越来 越高，有关自动驾驶的标准的分级，主要 有SAE（美国机动车工程师学会）标准和 NHTSA（国家公路交通安全管理局）两个 标准；目前，前者受到大多数业内人士的 认可，它从Lv0－Lv5将自动驾驶依据控制 方式和适用环境分为了6个等级。
图9-6
图9-6(b)
图9-7
图9-7
9-8(a)
9-8(d)
9-8(b)
图9-8
图9-8 9-8(c)
图9-8
• 5．结论
• 本实例的重点不是对控制系统进行解构， 而是站在运动学的角度对生产需求的运动 形态进行分析，这是进行运动控制的基础。 本实例首先研究锯刀的运动轨迹，然后从 实现的角度，建立独立的四轴驱动系统， 最后通过对每一个独立的轴进行驱动，得 到所期望的结果，从而实现高速切割。
图9-5
• 图9-6所示的是高速电子锯运动轨迹分析。 其中，图9-6(a)是速度矢量点位图，y轴坐 标点分别有(V2/V0, 0, 0)和(-, 0, 0)，表明木 板运动方向只有一个，从左至右；锯刀沿 着y轴的运动有两种形式：①切割时，锯刀 沿y轴的运动速度与木板的移动速度相等， 即两轴同步运行，以确保切割的运动轨迹 是一条直线；
• 很显然，锯刀做往复运动。V2为高速电子锯工作 头的速度，锯刀沿着y轴方向运动，由于裁切木板 时，木板自身沿着y 轴以V0的速度在运动，因此 锯刀要沿着y轴方向以V0的速度与输送带同步运 动，以确保切割的运动轨迹是一条直线。待切割 完成后，锯刀工作头也要归位，可见其也做往复 运动。V3为锯刀沿着z 轴上下运动的速度，当裁 切板材时，工作头下移，锯刀与木板高速接触， 立即完成切割运动。待裁切完成后，工作头上移 与木板分离，归位等待下一次裁切。高速电子锯 的特点是其工作轨迹为多轴复合运动合成的结果。 具体的运动轨迹如图9-6所示。
驶汽车中，参与多传感器信息融合感知设备。其中，最为知名的例子就是特 斯拉在其智能汽车中，完全没有使用激光雷达，而采用毫米波雷达＋摄像头 的方案。
摄像头（计算机视觉）摄像头进行拍摄，在进行图像和视频识别，确定车辆 前方环境，是自动驾驶汽车的主要感知途径，这也是很多无人驾驶公司的主 要研发内容之一。 不过，在这一方面，ADAS要先于无人驾驶汽车向市场推广，因此在数据收集 反馈、工程化等方面，ADAS公司也处于领先地位。 国内双目ADAS公司中科慧眼CTO崔峰就表示，在未来无人驾驶汽车中，摄像 头（双目）将成为重要的感知部分，中科慧眼未来努力的目标，也是为自动 驾驶汽车，乃至各类出行机器人提供机器视觉方面的技术支持。 有关感知部 分的传感器. 布局图详见图9-2 目前，车载摄像头主要分为单目和双目两种。
图9-4 无人驾驶汽车的工作流程
5．结论
• 随着人工智能技术、计算机控制技术、传 感器与检测技术、电力电子技术以及运动 （智能）控制技术的快速发展，无人驾驶 汽车必将会对我们的未来生活产生积极的 影响，本例的目的就是希望通过此例的学 习，Ⅹ学生了解和掌握有关无人驾驶汽车 技术。
9.2 高速电子锯
详见表91satnhtsasaenhtsa分级标准定义驾驶主体由人类驾驶者操纵汽车过程中会获得警示和保护系统辅助人类判断驾驶环境对方向盘加减速制动中的一项提供驾驶支持其他驾驶动作由人类司机完成人类判断驾驶环境对方向盘加减速制动中的多项提供驾驶支持其他驾驶动作由人类司机完成人类由无人驾驶系统完成所有驾驶操纵人类需要对某些请求做出应答
3
3由无人驾驶系统完成所有驾驶操纵，人类需要对某些请求做出应人答类。及系统
由无4人驾驶系统完成所有驾驶操纵，人类不一定需要对所有系统请求做出应答，限系定统道路环境。 4
5 由无人驾驶系统完成所有驾驶操纵，人类可以随时进行接管操作，不限定道系路统环境。
自动驾驶不等于无人驾驶，本实例是以满足SAE等级4、5为目标，从满 足实现无人驾驶汽车，来对无人驾驶汽车系统进行解析。
图9-3 纵向控制结构图
车辆纵向控制是在行车速度方向上的控制，即车速以及本车与前后车或障碍 物距离的自动控制。巡航控制和紧急制动控制都是典型的自动驾驶纵向控制 案例。这类控制问题可归结为对电机驱动、发动机、传动和制动系统的控制。 各种电机-发动机-传动模型、汽车运行模型和刹车过程模型与不同的控制器算 法结合，构成了各种各样的纵向控制模式，典型结构如图 9-3 所示。 图9-3所 示的就是一个无人驾驶汽车的基本结构示意图，以感知为主，有关车辆本身 的操纵性则没有反映。
人工智能算法的实现需要强大的计算能力做支撑，特别是深度学习算法的大规模 使用，对计算能力提出了更高的要求。 随着人工智能业界对于计算能力要求的快速提升，进入2015年后，业界开始研 发针对人工智能的专用芯片，通过更好的硬件和芯片架构，在计算效率上进一步 带来大幅的提升。
控制执行部分 智能驾驶汽车的车辆控制技术旨在环境感知技术的基础之上， 根据决策规划出目标轨迹，通过纵向和横向控制系统的配合使汽车能够按照 跟踪目标轨迹准确稳定行驶，同时使汽车在行驶过程中能够实现车速调节、 车距保持、换道、超车等基本操作。自动驾驶控制的核心技术是车辆的纵向 控制和横向控制技术：纵向控制，即车辆的驱动与制动控制；横向控制，即 方向盘角度的调整以及轮胎力的控制。
5．灌装流程图解
• 灌装流程图解的目的，就是希望借助图片 的顺序使读者了解和掌握各类灌装的工艺 流程，达到快速理解的效果。
• 图9-11所示的是一个完整的灌装工艺的流 程。其中，图9-11(a)是空瓶到位，等待灌 装；
• 图9-11(b)是刚刚开始灌装，需要注意的是， 滚珠丝杠上灌装工作头的位置与图9-11(a) 中存在位置差；图9-11(c)是灌装进行中； 图9-11(d)是灌装结束，需要注意的是，灌
• 详见表9-1.
表9-1为自动驾驶汽车等级标准
分级标准 SAE NHTSA
自动驾驶汽车分级标准（SAT及NHTSA ） 定义
驾驶主体
0
0 由人类驾驶者操纵汽车，过程中会获得警示和保护系统辅助 人类
判断1驾驶环境1，对方向盘、加减速、制动中的一项提供驾驶支持，其他驾驶动作由人人类类司机完成
判断2驾驶环境2，对方向盘、加减速、制动中的多项提供驾驶支持，其他驾驶动作由人人类类司机完成
9.3 胡萝卜汁的灌装
• 1．问题提出 • 2．功能分析 • 3．运动对象分析 • 4．系统组成 • 5．灌装流程图解
1．Байду номын сангаас题提出
• 灌装在诸多领域都有着极其广泛的应用。 如何提高灌装的效率，对于企业而言是一 个核心的技术问题。本实例通过一个胡萝 卜汁的灌装问题，对此类系统的应用进行 一下图示解析。
• ③灌装工作头，其功能是对空瓶进行定量 灌装；④空瓶位置检测传感器，其功能是 对输送带上是否有空瓶进行检测，只有当 检测到待灌装位具有三个空瓶时，才运行 灌装工作头进行灌装操作；⑤灌装结束位 置传感器，其功能一是提示运动控制器灌 装结束，二是具有保护功能，以防滚珠丝 杠运动过头；⑥无刷直流伺服电机，其功 能是驱动滚珠丝杠，带动灌装工作头按照 实际需要运动，根据灌装工作头的要求， 伺服电机必须做往复式运动，而且来回的 运动速度是不同的，回程时的速度是灌装 态的3～5倍；
图9-2 无人驾驶汽车感知结构图
决策规划部分 决策规划模块由四个子模块信息融合、任务决策、轨迹规划和异 常处理组成。这部分的硬件载体是一部高性能行车电脑，但核心还是控制软件无人车软件系统模块。 通常情况下，无人驾驶汽车的决策与规划系统主要包含以下几点内容： 1.路径规划：无人驾驶车辆中的路径规划算法会在进行路径局部规划时，对路径 的曲率和弧长等进行综合考量，从而实现路径选择的最优化，避免碰撞和保持安 全距离。 2.驾驶任务规划：即全局路径规划，主要的规划内容是指行驶路径范围的规划。 目前，无人驾驶汽车主要使用的行为决策算法有以下3种： 1.基于神经网络：无人驾驶汽车的决策系统主要采用神经网络确定具体的场景并 做出适当的行为决策。 2.基于规则：工程师想出所有可能的“if-then规则”的组合，然后再用基于规则 的技术路线对汽车的决策系统进行编程。 3.混合路线：结合了以上两种决策方式，通过集中性神经网络优化，通过“ifthen规则”完善。混合路线是最流行的技术路线。 感知与决策技术的核心是人工智能算法与芯片。
2．功能分析
3．运动对象分析
• 图9-9所示的是胡萝卜汁灌装生产线的运动 分析示意图，V1是灌装瓶输送带的速度， 由专门的交流电机控制；灌装工作头的运 动是往复运动，其速度用V2来表示。对灌 装液体流量Q也需要一台电机进行控制。所 以，对于这样的一条胡萝卜汁的灌装生产 线可演化为3台电机的运动控制问题。需要 计算的参数V1为