基于轨迹预测和跟踪的捕捉液压控制系统研究_宋平翰 (1)

Ｒesearch on the Hydraulic Control System for Capture Based on Trajectory Prediction and Tracking
SONG Pinghan，SHI Guanglin，QIU Dongyuan （ School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240 ，China）
宋平翰，施光林，邱东苑
( 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240 )
摘要： 对于具有随机特性的快速移动物体的捕捉是控制领域的一项难题 。 成功地完成捕捉必须在目标物发生机动前以 最短的时间跟踪上目标物 。鉴于基于液压技术的捕捉控制系统研究较少，以及液压缸在快速直线位置控制上的优势，通过 电液比例方向阀控制高速液压缸构建了一套捕捉液压控制系统； 基于拟合预测的方法预测捕捉点目标位置，并将捕捉机构 引导到该位置再进行轨迹跟踪，从而保证捕捉系统能快速跟踪上随机目标 。相关的算法通过 Simulink 和 AMESim 的联合仿 真得到了验证。 关键词： 电液比例控制； 捕捉； 轨迹预测； 轨迹跟踪 中图分类号： TH137 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2013 ） 21 － 111 － 4
（ 3 ） 跟踪
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捕捉实验系统设计
机构带着目标物减速为零，并确保减速过程中不破坏 。由于目标运动的随机性，对于随机移动 目标的捕捉不同于一般的同步跟踪 。为了完成整个捕 捉过程，跟踪机构需要完成轨迹预测 、轨迹规划和轨 迹跟踪等过程 球
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用于捕捉实验的捕捉液压控制系统是一个带有动 作机构的高速液压缸 。 为了实现液压缸的快速运动， 选用最小型号的单出杆液压缸 。活塞直径 25 mm，活 塞杆直径 18 mm。液压缸行程 1 m，即在 1 m 的距离 以内必须完成追赶 、捕捉和减速 。选用 6 通径的电液 比例方向阀控制液压缸的运动，该阀的最大流量为 70 L / min，响应时间小于 10 ms。 以 70 L / min 的最大 流量计算，液压缸的最大速度可以达到约 2. 4 m / s。 整个捕捉液压控制系统的具体参数见表 1 。 随机移动 目标通过重物牵引下的滑块模拟 。由于滑块在运动过 程中受到摩擦等因素的影响，运动轨迹并不是匀加速 运动，而是受随机干扰的加速运动 。捕捉液压控制系 统的原理图见图 1 。
需要说明的是，仿真中随机目标的运动轨迹是通 过实验得到的，而不是人为给定的，具有一定的真实 性。
图4 随机运动轨迹拟合
虽然多项式模型未考虑随机干扰的影响，也不符 合实际情况，但是由于多项式拟合的简单性，在文中 的研究中仍然采用多项式模型进行预测 。具体的拟合 预测流程是，对最近的 N 个数据点进行拟合，得到 拟合曲线，假定随机目标按照此加速度继续运动，预 测某固定时刻的目标位置 。由于拟合的数据点实时更 捕捉控制与一般的轨迹跟踪的区别主要体现在轨
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。 光电经纬仪需要跟踪随机目
［8 ］
标，并尽量保证目标处于靶心
。智能小车对于目标
收稿日期： 2012 － 11 － 23 作者简介： 宋平翰 （ 1985 —） ，男，硕士研究生，主要从事液压传动与控制方面的研究工作 。 E － mail： pinghan_song@ sjtu. edu. cn。
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轨迹跟踪
控制系统可以依据其跟踪阶跃输入 、斜坡输入和 抛物线输入的能力进行分类 。Ⅱ型系统对于抛物线输 入没有稳态误差 。但是对于此捕捉系统，输入并不是 单纯的二次曲线，而是变加速度曲线 。另外，对所研 究的液压系统建模分析可以发现，此液压控制系统也 不是Ⅱ型系统，因此，需要在控制回路中增加环节， 改变系统的型次 。另外，考虑到闭环控制是按照偏差 进行的控制 。闭环控制能够抑制各种干扰，但是控制
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轨迹预测
迹预测与轨迹规划阶段 。一般的轨迹跟踪系统主要是 为了实现输出复现输入，而且轨迹一般都是人为给 定。捕捉控制系统的目标主要是在目标发生机动前的
第 21 期
宋平翰 等： 基于轨迹预测和跟踪的捕捉液压控制系统研究
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新，预测的目标位置也会实时更新，而且最终收敛 到真实位置 。图 5 中虚线为预测值，实线是在此预测 值下液压缸引导运动的轨迹 。在预测算法中，由于需 要足够的点数才能拟合预测，因此在 t = 0. 02 s 前预 测输出引导值是没有经过 处理的随机目标当前位置 。 t = 0. 02 s 以后，根据过去 的位置信息，对 t = 0. 05 s 时的位置进行预测 。 由于 摩擦力的随机性，预测值 的初始偏差较大，但是会 逐渐收敛到实际位置 。
Abstract： Catching a moving object is difficult in control filed． Successful capture demands fast track in minimum time before target manoeuvres． Given advantages of hydraulic cylinder in position control，a novel electrohydraulic proportional control system was which was constituted of hydraulic cylinder， proportional valve and displacement transducer． Based on fitting presented for fast capture， prediction，target position was predicted and capture system was navigated to this position to track the target． The algorithm is demonstrated through AMESim and Simulink cosimulation． Keywords： Electrohydraulic proportional control； Capture； Trajectory prediction； Tracking
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表1 捕捉液压控制系统参数 25 18 1 000 4 70 ＜ 10 28
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机床与液压
第 41 卷
活塞直径 / mm 活塞杆直径 / mm 液压缸行程 / mm
－1 液压缸容许最大速度 / （ m·s ）
时间窗口内对目标进行捕捉 。目标轨迹是未知的，或 者说是任意给定的 。正是由于以上两点，捕捉控制系 统必须具备预测能力，而且在最短的时间内追赶上目 标物，从而才能完成跟踪并实现捕捉 。另外，一般的 轨迹跟踪系统通常采用反馈控制，该控制方法的本质 是利用检测的偏差来减小 偏差 。如果单纯将反馈控 制应用到捕捉系统中，由 于机 动 目 标 运 动 的 随 机 性，容 易 产 生 较 大 的 振 荡，而且捕捉的时间不能 实现最优 。图 3 的仿真即 显示了在没有预测的情况 下，液压缸跟踪随机目标 的曲线 。
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AMESim 软件是集合机 、 电 、 液 、 气、 热、 磁等 于一体的统一平台建模系统仿真软件，它在液压系统 仿真领 域 有 成 熟 的 应 用， 文 中 实 验 的 仿 真 是 基 于 AMESim 进 行 的 。 另 外， AMESim 提 供 了 与 Simulink 的接口，可以在 AMESim 的草图模式下创建接口，并 将其模型编译为 S 函数供 Simulink 调用 。 鉴于 Simulink 在控制策略编写上的便捷，这里采用了 AMESim 和 Simulink 联合的仿真 。图 2 是在 AMESim 中搭建的 捕捉液压控制系统仿真模型 。
。对于随机移动目标捕捉的研究主要
集中在机器人的研究领域，例如棒球手带着手套抓 ， 、动态的抓取和放置［4］、抛接球［5 － 6］ 等 。 但 是 机器人对于随机移动目标的抓取由于机械臂的限制， 能够抓取的目标移动速度较低 。另外，由于捕捉系统 是轨迹预测和轨迹跟踪等知识的融合，因此在其他领 域的一些研究也具有借鉴意义 。导弹制导是要引导导 弹到攻击目标附近
（ 1）
摩擦力的随机变化对于运动轨迹的影响可以通过 对运动轨迹进行二次拟合看出 。图 4 是对重物牵引下 的滑块运动轨迹进行的拟合 。从图 4 中可以看出，真 实值和拟合值之间的最大偏差接近 0. 04 m。 由此可 以得出结论，该随机目标的运动轨迹不能简单地用匀 加速运动等效 。
图2
捕捉液压控制系统 AMESim 仿真模型
对于 随 机 移 动 物 体 的 捕 捉 一 般 分 为 3 个 阶 段： （ 1 ） 跟踪机构追赶上目标物，即实现位置上的逼近； （ 2 ） 跟踪机构跟踪目标物运动轨迹，当与目标物保 持相对静止时，捕捉机构动作实现捕捉； 捕捉机构
［1 ］
的跟踪或者避障也应用了相关的理论
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。文中的研究
有别于上述研究，主要致力于利用电液比例方向阀控 制高速液压缸捕捉具有随机运动特性的目标物 。
图5 拟合预测曲线
精度还不够高，存在原理性偏差，即通过偏差调节偏 差 。对于闭环系统，如果对稳态精度要求很高，就需 要提高系统的开环放大倍数或提高系统的型次 。 但 是，这样会引起系统稳态性能变差，甚至系统不稳 定，同时也会影响系统的动态性能 。前馈控制的传递 函数直接作用于系统的输入，对系统的输入具有预见 性，因此能够在不影响系统稳定性的前提下提高响应 速度和精度 。将前馈控制和反馈控制结合起来的控制 叫做复合控制 。复合控制很好地解决了系统稳定性和 稳态精度间的矛盾 。 预测引导阶段和轨迹跟踪阶段通过时间切换 。当 液压缸被引导到机动目标附近的时候，作为给定信号 的预测信号切换为滑块的实时位置 。具体的控制框图 见图 6 ，Simulink 仿真框图见图 7 ，其中的 S 函数表示 Simulink 和 AMESim 的接口 。