智能機(jī)器人與運動控制系統(tǒng)1.運動控制系統(tǒng)導(dǎo)論課程基本內(nèi)容運動控制系統(tǒng)什么是運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成運動控制系統(tǒng)發(fā)展過程及其應(yīng)用運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢智能機(jī)器人智能機(jī)器人與運動控制系統(tǒng)的關(guān)系智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)什么是運動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)（按應(yīng)用分）：運動控制(Motioncontrol)過程控制(Processcontrol)主要區(qū)別：控制過程的快慢和被控量不同問題，哪種控制系統(tǒng)的控制過程更快，思考？過程控制運動控制什么是運動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)（按應(yīng)用分）：運動控制(Motioncontrol)過程控制(Processcontrol)主要區(qū)別：控制過程的快慢和被控量不同過程控制：啤酒發(fā)酵過程，化工提煉過程，鍋爐控制運動控制：軋鋼控制，數(shù)控機(jī)床控制，高速電鉆控制，工業(yè)機(jī)器人許多應(yīng)用同時具有這兩種控制，相互融合運動控制的被控量運動控制系統(tǒng)的被控量：位置、速度、加速度（力/力矩）等運動控制的被控量都是可測量的運動控制的控制過程快一般以秒或毫秒計思考：控制系統(tǒng)的基本組成？運動控制系統(tǒng)組成及相關(guān)技術(shù)運動控制系統(tǒng)（MotionControlSystem）電力拖動控制系統(tǒng)（ControlSystemsofElectricDrive）通過對電動機(jī)電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。運動控制系統(tǒng)的定義以電機(jī)與負(fù)載為控制對象，以控制器為核心，以功率變換為驅(qū)動，在自動控制理論指導(dǎo)下組成的自動控制系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)相關(guān)知識領(lǐng)域運動控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)相關(guān)技術(shù)有：電機(jī)學(xué)電力電子技術(shù)計算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳感器與信號處理技術(shù)控制理論與工程技術(shù)運動控制

技術(shù)自動化技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信計算機(jī)傳感測量電力電子電機(jī)學(xué)運動控制系統(tǒng)常見電機(jī)直流電機(jī)系列運動控制系統(tǒng)常見電機(jī)步進(jìn)電機(jī)系列接收數(shù)字控制信號，把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移運動控制系統(tǒng)常見電機(jī)交流電機(jī)系列運動控制系統(tǒng)常見電機(jī)直線電機(jī)運動控制系統(tǒng)電機(jī)變速與傳動器件變速器運動控制系統(tǒng)電機(jī)變速與傳動器件傳動器件運動控制系統(tǒng)特點過渡過程快，秒級或毫秒級；傳動功率范圍大，幾毫瓦到幾百兆瓦；調(diào)速范圍寬，1?100001，每小時幾轉(zhuǎn)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)；具有較高的動、靜態(tài)性能；四相限運行，能量回饋，多機(jī)協(xié)調(diào)合理地選擇系統(tǒng)方案幾乎可以適用任何電氣傳動場合的要求運動控制系統(tǒng)基本構(gòu)成三大部分：電機(jī)部分，功率變換部分，控制器部分。電機(jī)部分：直流電機(jī)，交流電機(jī)及減速與傳動裝置。功率變換部分：可控整流，直流斬波，逆變等。控制器部分：PID控制（單環(huán)，多環(huán)）,自適應(yīng)控制，模糊控制，智能控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。運動控制系統(tǒng)的分類一、運動控制系統(tǒng)的分類按驅(qū)動電機(jī)分：直流傳動系統(tǒng)－－用直流電機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械；交流傳動系統(tǒng)－－用交流電機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械；按被控物理量分：

調(diào)速系統(tǒng)－－以轉(zhuǎn)速為被控量；位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）－－以角位移或直線位移為被控量；按控制器的類型分：模擬控制系統(tǒng)－－以模擬電路構(gòu)成控制器；數(shù)字控制系統(tǒng)－－以數(shù)字電路構(gòu)成控制器；按閉環(huán)數(shù)分：單環(huán)，雙環(huán)，多環(huán)系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)發(fā)展過程19世紀(jì)80年代以前－－僅有直流電氣傳動19世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機(jī)（鼠籠式異步交流電機(jī)）－－開始逐步使用交流電氣傳動20世紀(jì)30年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局20世紀(jì)后期，交流調(diào)速興起運動控制系統(tǒng)發(fā)展過程微處理器的發(fā)展：

Z8080518098196TMS320電力電子器件的發(fā)展：

可控硅GTRMOSFETIGBTIPM控制理論的發(fā)展：經(jīng)典控制方法：反饋控制，PID，現(xiàn)代控制理論：多變量，狀態(tài)觀測，矢量控制等運動控制系統(tǒng)的發(fā)展智能型驅(qū)動控制系統(tǒng)Wire-LinkOptical-FibreLinkFieldBus系統(tǒng)整合技術(shù)

整合性高

傳輸速度快

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性高

穩(wěn)定性高可靠性高Field-OrientedControlSensor-lessControlV/FControlAuto-TuningSelf-Diagnosis驅(qū)動控制技術(shù)起動轉(zhuǎn)矩高

控制精度高峰值轉(zhuǎn)矩高

調(diào)速范圍大

動態(tài)響應(yīng)快

高轉(zhuǎn)速調(diào)整HYBRIDASIPMChip-IPMIPM器件集成MPU,DSP16bitCPUSOC控制芯片高效感應(yīng)電機(jī)新型永磁同機(jī)各種新型電機(jī)運動控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢網(wǎng)絡(luò)化高頻化智能化交流化超大型化數(shù)字化集成化高壓高速運動控制系統(tǒng)的共性問題

運動控制系統(tǒng)種類繁多，但根據(jù)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理，可以歸納出在運動控制系統(tǒng)設(shè)計和分析中需解決的共性問題：電動機(jī)的選擇

電力拖動系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)可靠地運行，正確選擇拖動電動機(jī)至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對驅(qū)動的要求，選擇合適的電動機(jī)的種類及額定參數(shù)、絕緣等級等，然后通過分析電動機(jī)的發(fā)熱和冷卻、工作環(huán)境、過載能力等進(jìn)行電動機(jī)容量的選擇和校驗。運動控制系統(tǒng)的共性問題(2)變流、調(diào)壓方式及驅(qū)動模塊選擇

由于電動機(jī)的控制是通過改變其供電方式來實現(xiàn)的，比如：直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵磁電壓的方向，而調(diào)速需要改變電樞電壓或勵磁電流的大??；交流電動機(jī)的調(diào)速需要改變其電源的電壓和頻率，因此，電能變換是實現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

(3)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測方法

狀態(tài)檢測是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵，根據(jù)反饋控制系統(tǒng)的原理，對于電力傳動控制系統(tǒng)需要根據(jù)需要實時檢測系統(tǒng)的各種狀態(tài)，比如：電壓、電流、頻率、相位、磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。運動控制系統(tǒng)的共性問題(4)控制策略和控制器的設(shè)計

從控制系統(tǒng)角度，任何自動控制系統(tǒng)的核心都是控制方法的研究和控制策略的選擇，電力傳動控制系統(tǒng)也不例外。

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇適當(dāng)?shù)牡目刂品椒ɑ虿呗允菍崿F(xiàn)電力傳動系統(tǒng)自動控制主要問題。

運動控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)械加工，冶金，交通運輸，石油加工，航天航空、國防工業(yè)、家電生產(chǎn)、輕工、農(nóng)業(yè)、娛樂設(shè)施、智能家居等領(lǐng)域。

工業(yè)領(lǐng)域：數(shù)控機(jī)床；印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔，機(jī)械手組裝器件；國防領(lǐng)域：雷達(dá)跟蹤，自動武器，飛行器控制，飛船等；家電領(lǐng)域：冰箱，空調(diào)，洗衣機(jī)，電腦光驅(qū)，電風(fēng)扇等；機(jī)器人：機(jī)械手、足球機(jī)器人、搬運機(jī)器人等。智能電網(wǎng)：熔斷器，開關(guān)機(jī)械加工工業(yè)機(jī)器人MarsRover2嫦娥玉兔中國高鐵CRH380A達(dá)到最高時速486.1km;京滬線平均時速大約250km，最高瞬時300km.2014年試驗臺測試時速605km軍事領(lǐng)域：

無人飛機(jī)，無人戰(zhàn)車，機(jī)器戰(zhàn)士“泰迪熊”機(jī)器人美軍MQ-9“收割者”無人機(jī)智能機(jī)器人與運動控制系統(tǒng)的關(guān)系智能機(jī)器人是運動控制系統(tǒng)未來的重要應(yīng)用運動控制系統(tǒng)是智能機(jī)器人的核心技術(shù)與普通機(jī)器人相比，智能機(jī)器人的“智能”很大程度上體現(xiàn)在其對于環(huán)境和自身的感知、建模能力以及自主規(guī)劃、決策、控制的能力。而機(jī)器人感知能力作為“智能”的基礎(chǔ)和構(gòu)成運動控制系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵，因此首先介紹機(jī)器人實現(xiàn)感知的部件——傳感器傳感器的作用和地位機(jī)器人傳感器一般用于感知自身狀態(tài)，如速度、加速度、姿態(tài)等周圍環(huán)境，如亮度、顏色、距離等是機(jī)器人智能化的基礎(chǔ)和執(zhí)行各種任務(wù)的前提隨著各種傳感器的應(yīng)用，機(jī)器人的智能化程度隨之提高與生物的感知能力互有千秋傳感器分類體外感知型本體感知型外傳感器分類旋轉(zhuǎn)角測量：增量式光電編碼器光電編碼器主要由光柵轉(zhuǎn)盤、光源、感光器件和信號處理電路構(gòu)成將輸出軸的機(jī)械轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)換為正弦波或方波電信號正弦波或方波的數(shù)量正比于旋轉(zhuǎn)的角度如何確定轉(zhuǎn)動方向？旋轉(zhuǎn)角測量：霍爾效應(yīng)編碼器霍爾效應(yīng)編碼器又簡稱霍爾編碼器/磁編碼器，是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器，將變化的磁場轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。為了精確測量旋轉(zhuǎn)角度，霍爾傳感器芯片中一般布局多個霍爾效應(yīng)器磁感線以相反方向穿越兩兩對稱的霍爾效應(yīng)器正弦波電信號的組合用于確定旋轉(zhuǎn)的角度目前主流芯片能夠達(dá)到14位分辨率（360度/4096線）可以測量絕對位置慣性器件：加速度計

慣性器件：加速度計在地球表面，加速度計在豎直方向一直受到重力的作用為了獲得實際的慣性加速度（僅與運動相關(guān)），需要將重力剔除如果沒有剔除重力作用，物體自由落體時加速度計的輸出將為0單個加速度計只能測量一個軸向的加速度，將三個加速度計正交安裝，可以獲得一個三軸加速度計慣性器件：陀螺儀陀螺儀（英文：gyroscope），基于角動量守恒的理論設(shè)計出來的，能夠測量角速度。陀螺儀主要是由一個位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。

陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。注意：要想獲得角度（姿態(tài)角）需要進(jìn)行積分，因此測量誤差會隨著積分而放大。慣性器件：慣性測量單元慣性測量單元（InertialMeasurementUnit）是測量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的裝置。一般的，一個IMU至少包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺，有的還會有三軸磁力計測量相對于地球磁場方向的朝向IMU的數(shù)據(jù)輸出頻率較高，能夠有效反映機(jī)器人等運動載體的瞬時運動由于存在累積誤差，IMU的漂移不可避免，可通過GPS等傳感器校正。測距傳感器飛行時間測距

激光雷達(dá)激光掃描儀、激光測距儀、激光雷達(dá)主動發(fā)射600-1000納米紅外線激光脈沖，接收經(jīng)目標(biāo)反射的脈沖，測量飛行時間，結(jié)合光速計算距離激光聚焦能力強(qiáng)，短距離內(nèi)基本不發(fā)散光速不易受溫濕度等環(huán)境變化影響對時間測量精度要求高1納秒（10-9秒）光脈沖將移動0.3米主流激光雷達(dá)精度能夠達(dá)到厘米級時間測量精度達(dá)到10-10秒級成本較高二維激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)鏡面，增加一個轉(zhuǎn)動自由度，將單點測距拓展為平面內(nèi)測距代表產(chǎn)品有德國西克（SICK）的LMS系列和日本北陽（HOKUYO）的UTM、URG系列重復(fù)測量精度3厘米以內(nèi)平面內(nèi)掃描角度180度-270度不等

二維激光雷達(dá)三維激光雷達(dá)在二維激光雷達(dá)的基礎(chǔ)上增加一個轉(zhuǎn)動自由度可以根據(jù)運行方式分為旋轉(zhuǎn)式、固態(tài)式和半固態(tài)式三維激光雷達(dá)三維旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)代表產(chǎn)品Velodyne系列Robosense系列三維激光雷達(dá)固態(tài)與半固態(tài)激光雷達(dá)代表產(chǎn)品Hesai系列Livox系列禾賽FTXLivoxMid360機(jī)器人視覺*對人類而言，視覺是感知外部世界最有效的感知模態(tài)眼球視網(wǎng)膜上有1.3億多感光細(xì)胞（視桿細(xì)胞約1.2億個，視錐細(xì)胞約700萬個）提供了約75％的外界信息，數(shù)據(jù)率達(dá)到3GB/s左右，大腦負(fù)荷的很大一部分用于處理視覺信息機(jī)器人視覺視覺系統(tǒng)已成為了各種自主移動機(jī)器人最重要的環(huán)境感知手段，能夠提供豐富的環(huán)境感知信息。相機(jī)是構(gòu)成各種機(jī)器人視覺系統(tǒng)的核心傳感器其成像原理借鑒了眼球成像將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字（或模擬）圖像視覺感知模態(tài)的優(yōu)勢信息豐富兼容性好成本低廉針孔模型相機(jī)針孔模型（小孔模型）一個小孔和一個成像平面小孔位于成像平面和原像之間任何光線只有通過小孔才能到達(dá)成像平面小孔被稱為光學(xué)中心成的像是倒立的圖片引自/wiki/Pinhole_camera針孔模型相機(jī)——薄透鏡方程

針孔模型相機(jī)——透視投影當(dāng)z遠(yuǎn)大于f時，可以忽略像平面與焦點的距離，在此近似模型下，物體成像大小與相機(jī)距離成反比，這種依賴關(guān)系叫做透視。