CN113031657B - 一种手柄直接位置控制的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运动控制技术领域，公开了一种手柄直接位置控制的信号处理方法，包括对手柄角度信号进行失真矫正处理，获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号；将处理后的手柄有效角度信号转化为位置信号；对位置信号进行速度约束，获得进行速度约束后的目标位置信号；对进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号，伺服系统根据平滑处理后的手柄位置信号进行直接位置控制。本发明实现了绝对位置控制，满足需要直接位置控制的应用场景，本发明设定了手柄变化敏感度，相较于直接设置档位，不仅避免档位切换的扰动，而且位置控制精度高。

Description

一种手柄直接位置控制的信号处理方法

技术领域

本发明涉及运动控制技术领域，具体地涉及一种手柄直接位置控制的信号处理方法。

背景技术

现有技术中，操作手柄作为位置控制系统中的操纵部件，广泛应用于工程机械、交通运输工具、医疗设备、测量装置等仪器或设备，用于操控上述仪器或设备。操作手柄具有一个中心位置并可相对于该中心位置前后左右进行摆动，当左右或前后摆动操作手柄时，设置在手柄上的角度传感器实时测量手柄角度信号并将手柄角度信号发送至控制器进行处理，然而，现有位置控制系统中的操作手柄信号处理方法是将手柄角度信号作为速度进行积分，再进行位置控制，只能实现相对位置控制，位置控制精度差，无法满足需要直接位置控制的工业位置控制应用场景，另外，现有位置控制系统中是通过直接设置档位进行位置档位切换，位置档位切换时会给整个控制系统带来扰动，挡位的设置影响了位置控制精度。

发明内容

本发明提供一种手柄直接位置控制的信号处理方法，从而解决现有技术的上述问题。

本发明提供了一种手柄直接位置控制的信号处理方法，包括以下步骤：

S1)获取手柄角度信号，对所述手柄角度信号进行失真矫正处理，获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号θ(k)；

S2)将处理后的手柄有效角度信号转化为位置信号x_temp(k)；

S3)对位置信号进行速度约束，获得进行速度约束后的目标位置信号x(k)；

S4)对进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号x′(k)，伺服系统根据平滑处理后的位置信号x′(k)进行直接位置控制。

进一步的，在步骤S1)中，所述失真矫正处理后的手柄有效角度信号

u(k)是当前时刻手柄角度信号采样值；θ(k-1)是前一时刻的处理后的手柄有效角度信号，△θ_min是手柄变化敏感度。

进一步的，手柄变化敏感度△θ_min大于手柄角度信号失真值△u_max，所述手柄角度信号失真值△u_max＝max{u-u_real}，u为手柄角度信号采样值，u_real表示真实需要的手柄真实角度信号。

手柄角度信号采样值u既可以是模拟量，也可以是数字量，手柄角度信号采样值u中含有传感器采样高斯白噪声和手抖动带来的信号波动，会使手柄角度信号采样值u失真，当手柄直接进行位置控制时，这种失真会导致设备震动或不稳定。本发明定义了手柄角度信号失真值△u_max＝max{u-u_real}，设置△θ_min>△u_max，这样通过对手柄角度信号进行失真矫正处理后即可获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号θ(k)，本发明有效避免了手柄角度信号采样值u失真带来的不良影响。

进一步的，在步骤S2)中，所述位置信号

θ_lower是手柄角度下限值，θ_upper是手柄角度上限值，x_lower是设备位置下限值，x_upper是设备位置上限值。

进一步的，在步骤S3)中，所述进行速度约束后的目标位置信号

△x为目标位置对应的位置周期变化量，△x＝x_temp(k)-x(k-1)，△x_max为位置最大周期变化量，△x_max＝V_max△T，V_max为最大速度，V_max>0，△T为采样周期。

进一步的，在步骤S4)中，还包括采用低通滤波器对所述进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号x′(k)＝a*x(k)+(1-a)*x(k-1)，a为低通滤波器设定参数。

进一步的，在步骤S4)中，还包括采用跟踪微分器对所述进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，所述平滑处理后的位置信号满足

v_1,k、v_2,k分别为表示当前时刻第一系统状态量和当前时刻第二系统状态量；v_1,k-1、v_2,k-1是上一时刻的第一系统状态量和上一时刻的第二系统状态量；r为跟踪微分器设定参数；△T为采样周期。

对于电机伺服等系统来说，速度是不可以突变的，本发明通过对位置信号进行滤波平滑作用，实现了速度信号的柔顺。另外，本发明不仅能够直接针对位置进行的信号处理，而且也能实现手柄对速度的控制，通过将位置信号作为速度信号，此时位置信号的速度约束就变为速度信号的加速度约束。

本发明的有益效果是：本发明设计的手柄直接位置控制的信号处理方法首先通过设置手柄角度信号变化敏感度即手柄角度信号最小有效变化量，消除信号噪声和手抖扰动；其次，将获取的手柄角度信号按要求转换为位置信号并对速度进行限幅，保证直接位置控制的同时，速度也能满足设备要求；最后，对于信号要求高的快速伺服系统，对位置信号还要进行平滑，最后伺服系统根据平滑处理后的位置信号对手柄进行直接位置控制。现有技术中大多数手柄角度信号作为速度进行积分，再进行位置控制，只能实现相对位置控制，然而本发明实现了绝对位置控制，满足需要直接位置控制的应用场景，本发明设定了手柄变化敏感度，相较于直接设置档位，不仅避免档位切换的扰动，而且位置控制精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例一提供的手柄直接位置控制的信号处理方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一，一种手柄直接位置控制的信号处理方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1)获取手柄角度信号，对手柄角度信号进行失真矫正处理，获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号θ(k)；失真矫正处理后的手柄有效角度信号

u(k)是当前时刻手柄角度信号采样值；θ(k-1)是前一时刻的处理后的手柄有效角度信号，△θ_min是手柄变化敏感度。手柄变化敏感度△θ_min大于手柄角度信号失真值△u_max，所述手柄角度信号失真值△u_max＝max{u-u_real}，u为手柄角度信号采样值，u_real表示真实需要的手柄真实角度信号。

S2)将处理后的手柄有效角度信号转化为位置信号x_temp(k)；位置信号

θ_lower是手柄角度下限值，θ_upper是手柄角度上限值，x_lower是设备位置下限值，x_upper是设备位置上限值。

S3)对位置信号进行速度约束，获得进行速度约束后的目标位置信号x(k)；在步骤S3)中，进行速度约束后的目标位置信号

△x为目标位置对应的位置周期变化量，△x＝x_temp(k)-x(k-1)，△x_max为位置最大周期变化量，△x_max＝V_max△T，V_max为最大速度，V_max>0，△T为采样周期。

S4)对进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号x′(k)，伺服系统根据平滑处理后的位置信号x′(k)进行直接位置控制。

手柄角度信号采样值u既可以是模拟量，也可以是数字量，手柄角度信号采样值u中含有传感器采样高斯白噪声和手抖动带来的信号波动，会使手柄角度信号采样值u失真，当手柄直接进行位置控制时，这种失真会导致设备震动或不稳定。本发明定义了手柄角度信号失真值△u_max＝max{u-u_real}，设置△θ_min>△u_max，这样通过对手柄角度信号进行失真矫正处理后即可获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号θ(k)，本发明有效避免了手柄角度信号采样值u失真带来的不良影响。

在步骤S4)中，还包括采用低通滤波器对所述进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号x′(k)＝a*x(k)+(1-a)*x(k-1)，a为低通滤波器设定参数。

在步骤S4)中，还包括采用跟踪微分器对所述进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，所述平滑处理后的位置信号满足

v_1,k、v_2,k分别为表示当前时刻第一系统状态量和当前时刻第二系统状态量；v_1,k-1、v_2,k-1是上一时刻的第一系统状态量和上一时刻的第二系统状态量；r为跟踪微分器设定参数；△T为采样周期。

对于电机伺服等系统来说，速度是不可以突变的，本发明通过对位置信号进行滤波平滑作用，实现了速度信号的柔顺。另外，本发明不仅能够直接针对位置进行的信号处理，而且也能实现手柄对速度的控制，通过将位置信号作为速度信号，此时位置信号的速度约束就变为速度信号的加速度约束。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明设计的手柄直接位置控制的信号处理方法首先通过设置手柄角度信号变化敏感度即手柄角度信号最小有效变化量，消除信号噪声和手抖扰动；其次，将获取的手柄角度信号按要求转换为位置信号并对速度进行限幅，保证直接位置控制的同时，速度也能满足设备要求；最后，对于信号要求高的快速伺服系统，对位置信号还要进行平滑，最后伺服系统根据平滑处理后的位置信号对手柄进行直接位置控制。现有技术中大多数手柄角度信号作为速度进行积分，再进行位置控制，只能实现相对位置控制，然而本发明实现了绝对位置控制，满足需要直接位置控制的应用场景，本发明设定了手柄变化敏感度，相较于直接设置档位，不仅避免档位切换的扰动，而且位置控制精度高。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种手柄直接位置控制的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)获取手柄角度信号u(k)，对所述手柄角度信号进行失真矫正处理，获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号θ(k)；

S2)将所述处理后的手柄有效角度信号转化为位置信号x_temp(k)；

S3)对所述位置信号进行速度约束，获得进行速度约束后的目标位置信号x(k)；

S4)对所述进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号x′(k)，伺服系统根据所述平滑处理后的位置信号x′(k)进行直接位置控制；

在步骤S1)中，所述失真矫正处理后的手柄有效角度信号

u(k)是当前时刻手柄角度信号采样值；θ(k-1)是前一时刻的处理后的手柄有效角度信号，Δθ_min是手柄变化敏感度；

所述手柄变化敏感度Δθ_min大于手柄角度信号失真值Δu_max，所述手柄角度信号失真值Δu_max＝max{u-u_real}，u为手柄角度信号采样值，u_real表示真实需要的手柄真实角度信号。

2.根据权利要求1所述的手柄直接位置控制的信号处理方法，其特征在于，在步骤S2)中，所述位置信号

θ_lower是手柄角度下限值，θ_upper是手柄角度上限值，x_lower是设备位置下限值，x_upper是设备位置上限值。

3.根据权利要求2所述的手柄直接位置控制的信号处理方法，其特征在于，在步骤S3)中，所述进行速度约束后的目标位置信号

Δx为目标位置对应的位置周期变化量，Δx＝x_temp(k)-x(k-1)，Δx_max为位置最大周期变化量，Δx_max＝V_maxΔT，V_max为最大速度，V_max＞0，ΔT为采样周期。

4.根据权利要求1所述的手柄直接位置控制的信号处理方法，其特征在于，在步骤S4)中，还包括采用低通滤波器对所述进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号x′(k)＝a*x(k)+(1-a)*x(k-1)，a为低通滤波器设定参数。

5.根据权利要求1所述的手柄直接位置控制的信号处理方法，其特征在于，在步骤S4)中，还包括采用跟踪微分器对所述进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，所述平滑处理后的位置信号满足

v_1,k、v_2,k分别为表示当前时刻第一系统状态量和当前时刻第二系统状态量；v_1,k-1、v_2,k-1是上一时刻的第一系统状态量和上一时刻的第二系统状态量；r为跟踪微分器设定参数；ΔT为采样周期。

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