[发明专利]基于轨迹在线规划的桥式吊车高效消摆控制方法

说明书

技术领域

本发明属于欠驱动机器人的轨迹规划技术领域，特别是涉及一种通过轨迹在线规划消除桥式吊车摆动的方法。

背景技术

现如今，机器人已广泛应用于工业加工、装配、家庭服务等领域。从机械学的角度看，机器人是由移动与旋转关节经有机组合而形成的系统。对于机器人而言，如果它的自由度与其独立的控制输入维数相等，则称其为完全驱动机器人（fully-actuated robots）；若部分关节不可驱动，则称其为欠驱动机器人（underactuated robots）[1]。机器人的控制方式可分为镇定控制策略与轨迹跟踪控制策略两种。对于后者而言，可方便地将控制指标（如工作效率等）融入到轨迹规划中，然后设计合适的跟踪控制器使机器人关节跟踪这些轨迹，从而实现控制目标。合理的轨迹规划不仅可优化关节的运动，提高系统的工作效率，还能减轻控制器的负担，取得优于镇定策略的控制效果。

桥式吊车可看作一种特殊的欠驱动机器人，其中，台车可看作是移动关节，吊绳可看作是旋转关节，负载则为相应的末端执行器。相应地，吊车的控制目标是将末端执行器（负载）运送到目标位置处。针对吊车系统，目前研究人员已经提出了大量的镇定控制方法[2]-[5]。然而，根据上面分析知，轨迹规划能提高吊车系统的工作效率，比镇定策略有着更好的暂态与稳态控制效果，如运动超调小、负载消摆更为迅速等。遗憾的是，由于系统的欠驱动特性，我们只能对可驱动的台车进行轨迹规划。如果仅从台车高效运行的角度出发进行轨迹规划，则负载将出现大幅度摆动，因此，在进行台车轨迹规划时必须充分考虑负载的摆动。

对于桥式吊车系统而言，已有的轨迹规划方法大多属于离线方式。如文献[6]设计了一种时间最优台车轨迹离线规划方法，但得到的加速度轨迹需不连续的切换，难以用于实际跟踪控制。随后，文献[7]提出了一种基于相平面分析的台车轨迹规划方法，该方法需要根据台车与目标位置之间的距离事先离线地计算轨迹参数。文献[8]则提出了一种基于迭代策略的台车运动规划方法，该方法需要进行离线的迭代优化以保证台车能准确地定位到目标位置。目前，已有的轨迹规划方法（如文献[6]-[8]）均需离线进行，在不同的运送过程中，当台车目标位置变化时，使用者需要重新计算轨迹参数或进行迭代优化，既繁琐又费时。

发明内容

本发明目的是解决现有的台车轨迹离线规划方法在运送过程中，当台车目标位置变化时需要重新计算的问题，提供一种基于轨迹在线规划的桥式吊车高效消摆控制方法，避免离线计算与迭代优化，实现在线轨迹规划，用于实时吊车控制，提高吊车系统的运送效率，有效地抑制并消除负载摆动。

本发明提供的基于轨迹在线规划的桥式吊车高效消摆控制方法，包括如下步骤：

第1、轨迹规划方案

由于桥式吊车的欠驱动特性，无法为负载的运动进行规划，因而常规工业机器人的轨迹规划方法不适用于吊车系统；为此，提出一种全新的桥式吊车在线轨迹规划方案；要规划的加速度轨迹具有如下表达式：

x··c(t)=x··r(t)+ρ(θ,θ·)---(4)]]>

式中，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间的变量，第一部分为定位参考加速度轨迹，用来保证台车的精确定位；第二部分则表示摆角消除环节，是关于负载摆角θ(t)及其角速度的函数，用以抑制与消除负载的摆动，其中负载摆角θ(t)简记为θ，角速度简记为