1、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Lv0Lv5将自动驾驶依据控制方式和适用环境分为了6个等级。详见表9-1.表9-1为自动驾驶汽车等级标准自
2、动驾驶不等于无人驾驶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。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
3、外壳组成。图图9-1 无人驾驶汽车结构框图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 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
4、用毫米波雷达摄像头的方案。摄像头（计算机视觉）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9-2 无人
5、驾驶汽车感知结构图决策规划部分决策规划部分 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
6、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“if-then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。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。控制执行部分控制执行部分 智能驾驶汽车的
7、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。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
8、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。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。
9、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，学生了解和掌握有关无人驾驶汽车技术。9.2 高速电子锯 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
10、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。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
11、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。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：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；图9-6图9-6(b)图9-7图9
12、-7图9-8图9-89-8(a)9-8(b)9-8(c)9-8(d)图9-8 5结论结论 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。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问题提出 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
13、析。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(9-1)(9-2)图9-5图9-94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：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；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
14、工作头灌装态时的速度V2进行同步控制；灌装工作头，其功能是对空瓶进行定量灌装；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；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；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35倍；滚珠丝杠，其功能是带动灌装工作头移动；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
15、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；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。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
16、；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，灌装结束位置传感器接收到相应信号，并传送给运动控制器；图9-11(e)是灌装工作台准备回位；图9-11(f)是灌装工作台回位进行中；图9-11(g)是回到开始灌装位，准备下一次的灌装。以上过程是一个循环过程。图9-10图9-11图9-11图9-119.4 点 胶 机 1问题提出 2功能分析 3运动对象分析 4系统组成 5点胶流程图解 1问题提出 点胶常常是工业制造过程中不可缺少的工艺环节。点胶机的点胶动作也是一个典型的运动控制问题。2功能分析 某公司需要对长度1200 mm、宽度400 mm的中密板进行点胶处理工作，点胶
17、位置如图9-12所示。工件长为a，宽为b，点A是点胶位置的起点，点B是点胶位置的结束点，点C、D、E是点胶轨迹中的特征点，点A、B的间距为c，点C、D的间距为d，AC在宽度方向上的投影为e。要求点胶夹具台能够同时装卡三块板 图9-123运动对象分析 由图9-13所示可知，大型平面板式点胶机的运动是围绕点胶工作头与夹具平台的平面复合运动。其中，夹具平台的运动是V1，运动特点是往复运动；点胶工作头的运动是V2，运动特点也同样是往复运动。喷嘴Q采用恒压恒速定量控制，这样可以确保喷嘴喷出的胶量是恒定的。图9-134系统组成 如图9-14所示，点胶机由夹具工作台、丝杠、伺服电机、喷嘴组件、夹具工作台定位
18、传感器、点胶工作头轴定位传感器、点胶工作头轴端丝杠、伺服驱动器和人机界面组成。其中，夹具工作台放置待处理板材，并由伺服电机驱动，通过丝杠使得夹具工作台能够沿着V1方向移动；点胶喷嘴组件通过伺服电机、丝杠的驱动，使点胶喷嘴组件沿着V2方向往复运动；夹具工作台定位传感器负责对夹具工作台的传动状态进行检测和限位；点胶工作头轴定位传感器负责对点胶喷嘴组件的轴的位置与运动速度进行实时测量与检测；伺服驱动器分别驱动两台伺服电机，全部控制指令的设置与监视都由人机界面来完成。操纵者根据实际需要，将运动轨迹特征点输入到控制器，然后由控制器实现所期望的图形。图9-145点胶流程图解 图9-15所示的是一个完整的点
19、胶工艺流程。其中，图9-15(a)是A板点胶起点位置；图9-15(b)是A板点胶结束位置；图9-15(c)是B板点胶起点位置；图9-15(d)是B板点胶结束位置；图9-15(e)是C板点胶起点位置；图9-15(f)是C板点胶结束回位进行中。以上过程是一个循环过程。图9-15图9-15图9-159.5 包装生产线 1问题提出 2功能分析 3运动分析运动分析 4系统组成系统组成 5包装流程图解包装流程图解 1问题提出 包装作为产品面向市场之前最后一个关键环节，在日用化工、食品生产等诸多领域有着广泛的应用。包装动作是一个典型的运动控制问题。下面将结合一个具体的实例对包装进行分析。2功能分析 某日用化
20、妆品公司需要对长度120 mm、宽度40 mm，高度30 mm的粉盒进行装箱操作，要求每箱4盒，产能是每小时1800箱。很明显，包装过程包括点对点运动、吸放和搬移，如图9-16所示。图图9-163运动分析运动分析 如图9-17所示，包装生产线的运动由7台电机驱动控制。其中，两组伺服电机以速度V1、V2实现图示的运动轨迹；AA和BB是送料输送线，AA线输送被包装粉盒；BB线输送包装箱，其中AA线由三组输送带组成，每条输送带由一台电机驱动，其速度分别是V3、V4和V5；BB线也由两组输送带组成，每条输送带由一台电机驱动，其速度分别是V6和V7；AA线和BB线都是单向运动。包装动作的时序完全通过吸嘴
21、的吸放节拍来决定。图9-174系统组成 包装生产线的组成如图9-18所示。图9-185包装流程图解 图9-19所示的是包装工艺流程的5个节拍。其中，图9-19(a)所示的是第一次开始装箱，吸嘴吸起粉盒；图9-19(b)所示的是吸嘴由AA线向BB线的粉盒；图9-19(c)所示的是第一次装箱结束，返回过程中；图9-19(d)所示的是第二次装箱，吸嘴吸起粉盒；图9-19(e)所示的是第二次装箱结束。此时，一个完整的装箱流程完成，如此循环。图9-19图9-199.6 缠绕生产线 1问题提出 2需求分析 3运动特性分析 4系统组成 5缠绕流程图解 1问题提出 现实生活中，人们离不开电缆。电缆的最终商品基
22、本上都是被缠绕成卷的。此类机械动作的原理可以拓展到各类线材的卷绕问题，因此很有必要对这类问题进行分析研究。其重点应放在对象运动轨迹的分析上 2需求分析 某电缆生产厂需要对其生成的各类电缆进行定量缠绕包装，要求线轴直径，产能为10件/h。3运动特性分析 由图9-20可见，电缆缠绕生产线的运动轨迹如下。(1)丝杠副沿着V1做往复运动。电缆经过丝杠副上的孔，随着丝杠副位置的移动而移动，从而确定电缆在绕线轴上的位置。(2)绕线轴沿着顺时针方向做快速旋转运动，缠绕效率的快慢取决于电机的转速。图9-204系统组成 由图9-21可知，缠绕生产线系统由电缆、丝杠副、位置传感器、伺服电机、绕线轴、绕线电机、皮带
23、轮传动机构、光电编码器、伺服驱动控制器和人机界面组成。绕线电机带动皮带轮传动机构驱动绕线轴沿着顺时针方向快速旋转，电缆通过丝杠副被缠绕到绕线轴上；光电编码器负责把绕线轴的旋转情况反馈到伺服驱动控制器，伺服驱动控制器根据光电编码器的实时信号控制伺服电机的旋转速度，以配合丝杠副在丝杠上的位置。丝杆副在丝杠上的位置与导线在绕线轴上的位置成0角，使得缠绕顺利进行。缠绕速度取决于绕线电机的旋转速度，故要提升劳动生产率，必须对绕线电机进行调速控制。图9-215缠绕流程图解 如图9-22所示，可以清楚地看到一个完整的缠绕工艺流程，由右至左，丝杠副与电缆分别在丝杠和绕线轴上进行缠绕。图9-22图9-229.7
24、 恒压供水系统 1问题提出 2供水技术问题 3变频恒压供水特点 4工作原理 1问题提出 风机、水泵、空气压缩机等流量和压力控制是运动控制的一大类别需求。本例通过对恒压供水系统的分析，使读者理解风机、水泵和空气压缩机这类负载的控制问题，以及其解决方法。2供水技术问题 1)供水的一般技术问题 供水的核心问题是流量控制问题。从水源开始，通过水泵输出到终端用户。图9-23所示的是供水方式图，由图可见，整个供水系统是由供水管路、控制阀、水泵、电机和蓄水池组成。早期的供水技术与现在的供水技术的差别在于它们的基本控制技术不同。图9-23 无论何种供水方式，都要对流量进行控制。对于早期的供水技术，电机基本不调
25、速，水流的调节是靠阀门加溢流的模式；现在的供水技术主要是通过供水回路的压力控制水泵电机的转速，从而达到控制水流量的目的。其具体控制方式如图9-24所示。从图9-24可以看出水泵的两种控制方式：恒速和变速。采用变速控制的最佳方法就是采用变频器控制技术。图9-249-25 3)主要元件的选择原则(1)水泵 水泵作为供水系统的核心器件，对供水品质起着至关重要的作用。通常，供水系统基本上都采用离心式水泵，其主要参数有水流量、扬程、功率等。(2)电机 水泵的运行离不开电机，通常采用异步交流电机为水泵提供动力。(3)驱动器 电机控制采用以变频调速控制为主的变频器。(4)压力传感器 恒压供水控制的整个管路控
26、制离不开压力检测，选择合适的压力传感器是完成恒压供水的关键。图9-253变频恒压供水特点 (1)恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管路破裂及水龙头共振现象。(2)动平滑，减小了电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。(3)采用变频恒压供水，保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。(4)系统配置可实现全自动定时供水，彻底实现无人值守自动供水，控制系统具有故障报警和显示功能，并可进行工变频转换、应急供水。(5)系统根据用户用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作
27、在高效区，当系统零流量时，机组进入休眠状态，水泵停止，流量增加后才进行工作，节电效果明显，比恒速水泵节电23%55%。(6)变频恒压供水设备不设楼顶水池，既降低建筑物的造价，又克服了水源二次污染、气压波动大、水泵启动频繁、建造水塔一次性投资大、施工周期长、费用高等缺点。(7)整套设备只需一组控制柜和水泵机组，安装非常方便，占地面积小。(8)采用全自动控制，操作人员只需转换电控柜开关就可以实现用户所需的工况，操作简单。4工作原理 图9-26所示的是一个通过远程压力传感器控制水泵的电路图。变频恒压供水系统采用电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为420 mA）检测管
28、路中的压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减小的信号，控制电机的转速。如果在一定延时时间内，压力还不足或过大，则通过变频器作为工频/变频切换启动另一台水泵，使实际管路压力与设定压力相一致。另外，随着用水量的减小，变频器自动降低输出频率，达到了节能的目的。图9-27所示的是水泵转速、流量与转速的关系。由图可见，速度下降，扬程减小。扬程与压力相关。同等扬程的条件下，速度越大，流量越大，即压力不变时，转速越高，流量越大。图9-26图9-27 图9-28所示的是一个基于PLC控制器的多台水泵。其中变频器采用“一拖三”的形式，利用一套变频器加上辅助电路可是实
29、现对三台水泵进行流量控制。在供水管路的主干管上安装一个压力传感器对管路压力进行检测，根据用户对水流量的需求，变频器调节电机转速，从而控制三台水泵的流量。按照图9-29所示的操作流程，在流量小的情况，2号水泵停机，1号水泵采取变频运行；当用户水量增大到1号水泵全功率、满负荷运行时，1号水泵进入工频运行模式；如果此时流量继续增大，那么2号水泵进入变频模式；如果用户水流量进一步增大，2号水泵也进入工频运行模式，3号水泵处于变频模式，以此类推。如果水量进一步增大，三台水泵全部进入工频模式运行，则此时是全负荷供水。图9-28图9-29 图9-30 恒压变频供水机组 如果水量减小，首先3号水泵退出工频模式，处于变频运行；如果水量进一步减小，3号水泵停止运行，2号水泵退出工频模式，进入变频模式；同样，水量再进一步减小，2号水泵停机，1号水泵退出工频模式，进入变频模式。图9-30所示的是恒压变频供水机组的实物图片。很显然，这套机组有一个储水罐、四台水泵构成。图9-31所示的是三组水泵供水系统管路连接示意图。其中图9-31(a)是系统图，图9-31(b)是整体装置实物图。图图9-30图9-31思考题运动轨迹生成是如何体现在工程例之中的？
