一种多电机同步定位系统及方法与流程

本发明涉及工业控制，尤其涉及一种多电机同步定位系统及方法。

背景技术：

1、多电机同步定位用于移动平台、同步输送平台、龙门式运动对象和多轴定位设备。此类应用要求多个电机在关联轨迹下保持位置同步，并在运行后停靠至目标位置。现有方案通常采用主从轴跟随、交叉耦合控制、周期同步通信、工业以太网同步插补或者通信延迟补偿实现多轴同步。

2、现有多电机同步和多轴运动控制能够利用同步误差、扰动估计和轨迹插补改善轨迹一致性。但是，当外环始终按照固定高频周期下发纠偏报文时，会增加主控制器和通信链路的负担；视觉结果如果只用于停靠后的校验，则不能提前修正尚未下发的位置指令；前馈模型如果没有实际残差监督和冻结条件，可能把未验证的预测结果再次用于参数更新；多个处理环节分别输出控制命令时，还会出现最终作用量不唯一的问题。

3、现有技术中，公开号为cn110705034b的中国专利文献公开了一种基于事件触发的永磁同步电机位置跟踪控制方法，其将事件触发机制引入单电机位置跟踪控制以节省网络资源，但未涉及多电机同步定位中的视觉预测缓冲修正、实际残差监督前馈补偿以及多控制量统一仲裁；公开号为cn107229291b的中国专利文献公开了一种在线视觉定位系统的同步方法，其通过相机触发信号实现伺服系统与视觉定位系统的时间同步，但未涉及事件触发纠偏和唯一综合控制输入的合成；公开号为cn106773683b的中国专利文献公开了一种双侧驱动电机的同步控制方法及装置，其通过虚拟主轴规划位置给定曲线并计算速度/转矩前馈曲线，但未涉及视觉缓冲修正、实际残差监督的模型更新以及异常冻结策略。上述方案均未将同步参考、事件触发、视觉缓冲修正、前馈补偿、末端减速、统一仲裁和异常冻结组织为输入输出顺序确定的连续方法链。

4、因此，需要一种不依赖特定电机安装位置、连接结构或运动机构构造的同步定位方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种多电机同步定位系统及方法。

2、本发明给出的第一个技术方案为：

3、一种多电机同步定位方法，包括：

4、获取多电机系统的定位对象标识、目标位置以及待执行位置指令，并基于位置参考系和时间戳建立基准电机与从动电机之间的同步定位参考关系；

5、获取当前负载状态量、基准电机速度和工况稳定度以确定动态阈值，并对比所述同步定位参考关系中所述从动电机的位移与基准电机位移，生成位移偏差；当所述位移偏差的绝对值大于所述动态阈值时，生成为真的事件触发标志；

6、获取视觉有效时间窗内的视觉实测位置和预测位置，结合机械间隙估计量计算缓冲区修正量，利用所述缓冲区修正量修正所述待执行位置指令生成输入误差，并将所述输入误差输入至本地闭环控制器以生成本地控制量；

7、融合所述视觉实测位置和上一阶段运动状态得到位置估计和速度估计，并结合允许减速度和安全距离确定减速开始时刻；

8、将至少包含所述动态阈值、所述缓冲区修正量以及所述基准电机速度的运行特征输入至前馈网络模型，生成前馈补偿量；

9、当系统执行时间达到所述减速开始时刻，获取所述目标位置与实时位置之间的位置误差；基于所述位置误差、预设的增强系数和非线性指数参数，生成增强误差信号；

10、基于所述事件触发标志对所述位移偏差进行门控处理以生成位置纠偏量；将所述本地控制量、所述位置纠偏量、所述前馈补偿量以及所述增强误差信号叠加形成候选合成控制量，对所述候选合成控制量执行统一限幅，生成唯一综合控制输入，并输出至电机控制执行载体。

11、进一步地，所述建立基准电机与从动电机之间的同步定位参考关系的步骤，包括：

12、将各电机的位移、视觉定位结果以及所述待执行位置指令转换至同一位移参考，并按时间戳对齐；

13、判定通信延迟是否处于预设的通信补偿窗口内；当通信延迟超出所述通信补偿窗口时，判定为通信异常，触发控制冻结并停止执行后续计算步骤。

14、进一步地，所述确定动态阈值的步骤，包括：基于初始阈值基准，分别叠加负载状态响应项、速度变化响应项和稳定度响应项，得到所述动态阈值；计算公式如下：

15、

16、式中，

17、为动态阈值；

18、为初始阈值基准；

19、为负载阈值权重；

20、为负载状态量；

21、为速度阈值权重；

22、为基准电机速度；

23、为稳定度阈值权重；

24、为工况稳定度。

25、进一步地，所述利用所述缓冲区修正量修正所述待执行位置指令生成输入误差的步骤，包括：

26、将所述预测位置与所述视觉实测位置作差，并扣除所述机械间隙估计量，再乘以缓冲补偿系数，得到所述缓冲区修正量；计算公式如下：

27、

28、式中，

29、为缓冲区修正量；

30、为缓冲补偿系数；

31、为视觉预测位置；

32、为视觉实测位置；

33、为机械间隙估计量；

34、将经所述缓冲区修正量修正后的所述待执行位置指令，减去所述从动电机的实际反馈位置，生成所述输入误差。

35、进一步地，所述确定减速开始时刻的步骤，包括：遍历当前位置对应的各个候选时刻，选择使所述目标位置与所述位置估计的差值首次满足制动距离要求的最早时刻作为所述减速开始时刻；制动距离判定公式如下：

36、

37、式中，

38、为减速开始时刻；

39、为候选时刻；

40、为目标位置；

41、为位置估计；

42、为速度估计；

43、为允许减速度；

44、为安全距离。

45、进一步地，所述将至少包含所述动态阈值、所述缓冲区修正量以及所述基准电机速度的运行特征输入至前馈网络模型的步骤，包括：

46、构建三层前馈网络作为所述前馈网络模型；

47、收集当前控制周期的基准电机运动参数、当前负载状态量、从动电机历史同步偏差、所述缓冲区修正量、所述动态阈值和所述工况稳定度，拼接形成所述运行特征的特征向量；

48、将所述特征向量输入至所述三层前馈网络，经隐层激活和输出层权重映射后，输出所述前馈补偿量；

49、所述前馈网络模型采用实际残差监督进行权重更新；模型更新步骤包括：

50、获取当前控制周期结束时的实际同步偏差；

51、获取电机停靠完成后的最终稳态误差作为实际定位残差；

52、获取前馈变化量；

53、以所述实际同步偏差的平方、所述实际定位残差的平方和所述前馈变化量的平方构建监督损失，并基于所述监督损失计算权重梯度以更新所述前馈网络模型的权重参数。

54、进一步地，在基于所述监督损失计算权重梯度以更新所述前馈网络模型的权重参数时，执行以下边界约束：

55、计算梯度下降得到的权重候选值；

56、对所述权重候选值施加对称饱和约束：当所述权重候选值的幅值大于预设的权重幅值上限时，保持相应正负符号并取该权重幅值上限作为更新后权重；

57、当所述实际定位残差越界或通信异常时，冻结上一有效权重参数。

58、进一步地，所述生成增强误差信号的规则为：保留所述位置误差的符号方向，并将所述位置误差的绝对值与非线性增强项相加；所述非线性增强项由所述增强系数乘以所述位置误差绝对值的所述非线性指数参数次幂得到；计算公式如下：

59、

60、式中，

61、为增强误差信号；

62、为位置误差；

63、为增强系数；

64、为非线性指数参数；

65、sgn()为符号函数。

66、进一步地，所述基于所述事件触发标志对所述位移偏差进行门控处理以生成位置纠偏量，以及叠加形成候选合成控制量的步骤，包括：

67、当所述事件触发标志为真时，取预设的事件纠偏增益与所述位移偏差的乘积作为所述位置纠偏量；当所述事件触发标志为假时，所述位置纠偏量为零；

68、将所述本地控制量、所述位置纠偏量、所述前馈补偿量，以及预设的增强误差增益与所述增强误差信号的乘积进行叠加计算，得到所述候选合成控制量；

69、对所述候选合成控制量进行基于限幅上限的对称饱和处理，输出被限制在安全边界内的所述唯一综合控制输入；计算公式如下：

70、

71、式中，

72、为第i个从动电机综合控制输入；

73、和分别为本地控制量和前馈补偿量；

74、为事件触发标志；

75、和分别为事件纠偏增益和增强误差增益；

76、和分别为位移偏差和增强误差信号；

77、为综合控制输入限幅上限；

78、为对称饱和处理函数。

79、本发明给出的第二个技术方案为：

80、一种多电机同步定位系统，用于执行多电机同步定位方法，包括：

81、参考关系建立模块，用于获取多电机系统的定位对象标识、目标位置以及待执行位置指令，并基于位置参考系和时间戳建立基准电机与从动电机之间的同步定位参考关系；

82、阈值与偏差处理模块，用于获取当前负载状态量、基准电机速度和工况稳定度以确定动态阈值，对比所述同步定位参考关系中所述从动电机的位移与基准电机位移生成位移偏差，并在所述位移偏差的绝对值大于所述动态阈值时生成为真的事件触发标志；

83、视觉前置修正模块，用于获取视觉有效时间窗内的视觉实测位置和预测位置，结合机械间隙估计量计算缓冲区修正量，利用所述缓冲区修正量修正所述待执行位置指令生成输入误差，并将所述输入误差输入至本地闭环控制器以生成本地控制量；

84、减速时间规划模块，用于融合所述视觉实测位置和上一阶段运动状态得到位置估计和速度估计，并结合允许减速度和安全距离确定减速开始时刻；

85、前馈自适应补偿模块，用于将至少包含所述动态阈值、所述缓冲区修正量以及所述基准电机速度的运行特征输入至前馈网络模型，生成前馈补偿量；

86、非线性增强模块，用于在系统执行时间达到所述减速开始时刻时，获取所述目标位置与实时位置之间的位置误差，基于所述位置误差、预设的增强系数和非线性指数参数，生成增强误差信号；

87、综合仲裁控制模块，用于基于所述事件触发标志对所述位移偏差进行门控处理以生成位置纠偏量；将所述本地控制量、所述位置纠偏量、所述前馈补偿量以及所述增强误差信号叠加形成候选合成控制量，对所述候选合成控制量执行统一限幅生成唯一综合控制输入，并输出至电机控制执行载体。

88、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

89、1.通过引入基于动态阈值的事件触发机制，使得当外环偏差较小时无需下发纠偏报文，极大地节省了网络资源并减轻了主控制器的通信负担；同时，在末端引入非线性的增强误差信号，保障了在微小误差区间内系统依然能生成足够的修正指令，防止末端信号衰减，实现高精度的精细微调。

90、2.有别于传统视觉结果仅用于停靠后校验的缺陷，本方案通过视觉数据和机械间隙预测结果生成缓冲区修正量，在控制指令下发前，提前修正缓冲区中尚未下发的位置指令，将其消化在底层闭环中，避免了时延带来的跟随误差。

91、3.前馈补偿网络强制利用运行后的实际同步偏差与最终定位残差来进行监督更新，避免了将未经验证的预测结果反复用于模型训练；且在通信异常或残差越界时实施严格的模型冻结策略，有效抑制了累计误差的放大。

92、4.面对本地闭环控制、事件触发偏差补偿、前馈补偿以及非线性增强等多个控制维度的输出，本方案通过统一限幅方程执行安全仲裁，确保电机执行载体能够接收到处于安全边界内的“唯一综合控制输入”，消除了多环路联合控制时的冲撞和作用量不唯一的隐患。

93、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。