一种雷达倒伏装置的加减速控制方法及系统

技术领域

本发明属于雷达倒伏装置控制技术领域，具体涉及一种雷达倒伏装置的加减速控制方法及系统。

背景技术

雷达作为传统收集情报的必备手段，主要用于监视、探测、跟踪、导航以及高分辨率成像。雷达倒伏装置的运动情况对雷达性能影响很大，其决定着雷达天线是否能够准确地停在目标位置。然而，由于机械惯性大以及环境等因素的存在，加减速运行过程中会出现抖动现象，这使雷达倒伏装置拖动雷达天线进行俯仰运动时使得雷达系统的稳定性、快速性以及动态性能等有所下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种雷达倒伏装置的加减速控制方法及系统，本发明基于改进S形曲线方法，通过将正弦曲线引入S形曲线，根据给定的目标位置、最大速度以及最大加速度等信息确定轨迹规划曲线具体由哪几个阶段构成，再求出各个阶段的速度函数与时间。本发明提高了雷达雷达倒伏装置的运动柔性，同时使参数设定更为简单，使得雷达系统在加减速过程中具有更高的运动效率和平稳性。

为了到达预期效果，本发明采用了以下技术方案：

本发明公开了一种雷达倒伏装置的加减速控制方法，包括：将所述雷达倒伏装置的运动轨迹设置为S形曲线，在所述S形曲线中引入正弦函数以对雷达倒伏装置进行加减速控制。

进一步地，当雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离大于第一阈值，且预设加速度大于第二阈值时，选择7阶段S曲线对雷达倒伏装置进行控制。

进一步地，当选择7阶段S曲线对雷达倒伏装置进行控制时，所述加加速度函数表达式为：

式中，J

进一步地，所述7阶段S形曲线的加速度函数表达式为：

式中，J

进一步地，所述7阶段S形曲线的速度函数表达式为：

式中，J

进一步地，所述7阶段S形曲线的位移函数表达式为：

式中，J

进一步地，所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度的计算步骤包括：

S101.设置各项初始参数，所述初始参数包括：雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离、最大速度、最大加速度、最大加加速度；

S102.将雷达倒伏装置当前速度设置为所述最大速度，并计算得到第一加减速位移；

S103.判断所述第一加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则执行S104，否则所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度为初始设置的最大速度；

S104.将雷达倒伏装置当前速度设置为第一速度，并计算得到第二加减速位移；

S105.判断所述第二加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则执行S106，否则所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度为第一速度；

S106.将雷达倒伏装置当前速度设置为第二速度，并计算得到第三加减速位移；

S107.判断所述第三加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则设置的各项初始参数为非法数据，雷达倒伏装置禁止响应；否则所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度为第二速度。

进一步地，所述S形曲线的设计步骤如下：

S201.设置各项初始参数，所述初始参数包括：雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离、最大速度、最大加速度、最大加加速度；

S202.将雷达倒伏装置当前速度设置为所述最大速度，并计算得到第四加减速位移；

S203.判断所述第四加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则计算得到雷达倒伏装置匀速运动阶段的时间以及各运动阶段的速度与时间；否则执行S204；

S204.将雷达倒伏装置当前速度设置为第三速度，并计算得到第五加减速位移；

S205.判断所述第五加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则计算得到雷达倒伏装置各运动阶段的速度与时间并绘制出S形曲线；否则执行S206；

S206.将雷达倒伏装置当前速度设置为第四速度，并计算得到第六加减速位移；

S207.判断所述第六加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则计算得到雷达倒伏装置各运动阶段的速度与时间并绘制出S形曲线。

进一步地，该方法还包括：若所述第六加减速位移不大于所述初始位置与目标位置之间的距离，则再次调整雷达倒伏装置当前速度直到加减速位移大于所述初始位置与目标位置之间的距离，并计算得到雷达倒伏装置各运动阶段的速度与时间以绘制出S形曲线。

本发明还公开了一种雷达倒伏装置的加减速控制系统，包括：

采集模块，用于采集雷达倒伏装置的各项参数；

控制模块，用于根据上述所述任一一种方法对雷达倒伏装置进行加减速控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对现有的加加速度不连续的问题，本发明引入正弦曲线作为加加速度函数，提供了一种雷达倒伏装置的加减速控制方法及系统。本发明基于一种新型的S形曲线加减速控制算法，针对不同的给定目标位置、最大速度和最大加速度等信息，设计了不同运动阶段的轨迹曲线。在加速阶段和减速阶段，加速度曲线和加加速度曲线是连续的，速度是平滑的，可以有效改善雷达倒伏装置运动的柔性。在启停阶段，加速度曲线和加加速度曲线也是连续的，速度也是平滑的，有效地减弱了车载雷达倒伏装置惯性对控制系统的冲击，减少了雷达天线在启停阶段的抖振。本发明克服了传统加减速曲线中加加速度突变的缺点，提高了雷达倒伏装置运动的平稳性。本发明具有较高的实际应用价值，为车载等领域的雷达装置的运动设计提供了有意义的参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅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它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种传统的7阶段S形曲线示意图。

图3是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的7阶段S形曲线示意图。

图4是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的4阶段S形曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的5阶段S形曲线示意图。

图6是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的6阶段S形曲线示意图。

图7是本发明实施例提供的另一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的7阶段S形曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的流程图。

图9是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的计算运动过程中的最大速度的流程图。

图10是本发明实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法的S形曲线的设计流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图10，本发明公开了一种雷达倒伏装置的加减速控制方法，包括：将所述雷达倒伏装置的运动轨迹设置为S形曲线，在所述S形曲线中引入正弦函数以对雷达倒伏装置进行加减速控制。

本发明的雷达倒伏装置安装在工程车上，属于车载设备。所述雷达倒伏装置在永磁无刷直流电机的驱动下拖动雷达天线运动，其控制系统如图1所示。雷达倒伏装置控制系统是一个典型的位置-速度-电流三闭环控制系统。其中，位置环(θ)采用单纯的PID调节器，用以稳定位置；电流环(I)采用电流滞环作为控制器，方便控制转矩脉动，因为将电流限定在一个范围内，电流波动情况大大减小，因此电机的转矩脉动也相应减小；速度环(ω)采用RBF-PID神经网络控制作为控制器，旨在稳定转速和抗负载扰动。

在雷达倒伏运动控制中，为了缩短运动时间，需要保证具有足够大的加速度和加加速度，但是加速度和加加速度过大时会导致系统过冲，出现抖动。为了减少天线倒伏行程中由于惯性和外界环境等带来的冲击、失步及振荡等现象，引入加减速控制算法，选择合适的加减速控制算法以减小加速阶段和减速阶段的抖动，保证天线可以平滑地到达目标位置。

在雷达俯仰运动的控制中，为了保证控制器的平稳性和控制精度，引入轨迹规划对雷达天线的运行情况进行规划。一般地，轨迹规划曲线有四种，即梯形、指数型、正弦型以及S形曲线。其中，梯形速度曲线控制算法的优点是简单易实现，动作响应快，效率高，适用于低速、低成本的系统解决方案。但是在每个阶段的交界处加速度存在突变，有柔性冲击，会造成速度过度不平滑，导致系统震荡、降低运动精度。指数型规划曲线的加速度和速度以指数形式变化，相比梯形规划曲线，指数型曲线的速度的变化曲线更加平滑，运动精度更高，但是计算求解复杂，在加减速起点和终点存仍在柔性冲击，影响系统运动的平稳性。正弦型规划曲线控制的优点是可避免柔性冲击，运动过程更加平稳。但是计算求解过程复杂，在加减速起点和终点存在柔性冲击，因而加减速能力有限。而S形轨迹规划曲线可以有效减小设备运动过程中因加速度突变导致的转矩脉动，使速度具有良好的平滑性。S形曲线加减速的最重要特征是该算法存在加加速度，故加速度/减速度曲线的形状如字母S。S形加减速的速度曲线平滑，从而能够减少对控制过程中的冲击，并使插补过程具有柔性。传统的S形规划曲线主要包括加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速和减减速七个过程。设定速度的最大值为v

假设正向加加速度和反向加加速度的工作时间相等，该时间为系统特征常数t

式中：J为加加速度设定值的幅值；t是时间变量。

通过对加加速度函数进行积分可以得到加速度函数a(t)的表达式为：

通过对加速度函数进行积分可以得到速度函数v(t)的表达式为：

式中，v

通过对速度函数进行积分可得位移函数s(t)的表达式为：

式中，s

这种加减速控制算法的速度变化曲线更加平滑，可避免柔性冲击，运动精度高；但是该算法的计算量大，程序实现复杂，加加速度不连续。S形曲线加减速保证了加速度的一阶连续，且在算法的实现方面比指数曲线简单，但S形曲线的加加速度为跳变量，而正弦曲线可任意次微分，其加加速度仍旧是连续变化曲线，但S速度曲线型对正弦速度曲线更容易于数字拟合，计算量小，且电机速度的跟随性能更优，因此应用最广泛。故本发明采用S形曲线作为永磁无刷电机加减速过程中的速度曲线，能够保证永磁无刷电机在运动过程中速度和加速度没有突变，减小冲击，提高了永磁无刷电机运行的平稳定，增强了电机高速运行的稳定性和可靠性。

S形曲线是一种轨迹规划曲线，S形曲线虽然优于其他轨迹规划曲线，但是并不适应于所有的场合，因此需要针对不同的应用场景对传统的S形曲线加以改进，本发明提出了一种新的雷达倒伏装置的加减速控制方法。本发明基于正弦曲线取代常值作为加加速度的函数的改进S曲线方法，根据给定的目标位置、最大速度以及最大加速度等信息确定轨迹规划曲线具体由哪几个阶段构成，再求出各个阶段的速度函数与时间。针对在拟合曲线时误差过大的问题，本发明提出了使用NURBS拟合曲线与速度曲线相结合的轨迹规划算法。仿真分析得出该算法可以在一定程度上减小运算量，满足对不规则曲线拟合的要求。针对数控加工中传统S形曲线加减速控制加加速度不连续的问题，本发明提出将连续变化的正弦函数替代传统的恒定值作为加加速度的变化规律，实验结果表明该算法可以有效解决传统S形曲线加减速算法加加速度不连续的问题，既能保证数控系统的实时性，又能提高数控加工的运动平稳性。

为了确保雷达倒伏装置准确地到达目标位置，需要知道初始位置、目标位置和设定速度等信息，还需要知道系统最大速度和最大加速度对雷达倒伏装置的运行进行限制。根据初始位置与目标位置之间的距离与系统设定的加速度大小，可以将雷达倒伏装置从初始位置到目标位置的运动过程分为四种情况。传统的S形曲线有七个阶段，但是在实际使用过程中会根据控制目标的运行性能的不同，S形曲线可简化为4阶段S形曲线、5阶段S形曲线或者6阶段S形曲线。

优选的，当雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离小于第三阈值，且预设加速度小于第四阈值时，选择4阶段S曲线对雷达倒伏装置进行控制，并计算得到第一加速时间。具体地，当初始位置与目标位置之间的距离较近，而且初始设定的加速度较小时，雷达倒伏装置一开始进行加速运动，在速度达到设定值就开始减速，到达目标位置后刹车，该情况应使用4阶段S形曲线规划，如图4所示。

优选的，当雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离大于第一阈值，且预设加速度小于第四阈值时，选择5阶段S曲线对雷达倒伏装置进行控制，并计算得到第二加速时间和第二匀速时间。具体地，当初始位置与目标位置之间的距离较远，而且初始设定的加速度较小时，雷达倒伏装置一开始进行加速运动，在速度未达到或者刚达到设定值便以设定的速度作匀速运动，到达减速区后就开始减速，到达目标位置后刹车。该情况应使用5阶段S形曲线规划，如图5所示。

值得注意的是，针对7阶段S形曲线参数设定复杂的问题，5阶段S形曲线加减速控制方法减少了匀加速和匀减速阶段。结果表明，5阶段S形曲线加减速控制方法提高了雷达倒伏装置运动的柔性，同时使参数设定更为简单。

优选的，当雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离小于第三阈值，且预设加速度大于第二阈值时，选择6阶段S曲线对雷达倒伏装置进行控制，并计算得到第三加速时间和第三匀速时间。具体地，当初始位置与目标位置之间的距离较近，而且设定的加速度较大时，雷达倒伏装置一开始进行加速运动，在速度刚达到设定值后就开始减速，到达目标位置后刹车。该情况应使用6阶段S形曲线规划，如图6所示。

优选的实施例中，当雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离大于第一阈值，且预设加速度大于第二阈值时，选择7阶段S曲线对雷达倒伏装置进行控制。具体地，当初始位置与目标位置之间的距离较远，而且初始设定的加速度较大时，则雷达倒伏装置一开始进行加速运动，当速度达到设定值后以初始设定的速度作匀速运动，到达减速区后就开始减速，到达目标位置后刹车。该情况应使用7阶段S形曲线规划，如图7所示。

具体地，针对传统7阶段S形曲线的加加速度不连续的问题，本发明引入正弦函数作为加加速度的函数，因为正弦函数可任意次微分，所以具有更高的加减速柔性。改进的7阶段S形曲线同样包含七个阶段，设定速度的上限为v

优选的实施例中，如图8所示，首先判断行程S是否较小且加速度a

进一步地，当选择7阶段S曲线对雷达倒伏装置进行控制时，所述加加速度函数表达式为：

式中，J

进一步地，所述7阶段S形曲线的加速度函数表达式为：

式中，J

进一步地，所述7阶段S形曲线的速度函数表达式为：

式中，J

进一步地，所述7阶段S形曲线的位移函数表达式为：

式中，J

根据前述公式可知：

加速阶段位移s

减速阶段位移s

加速阶段与减速阶段的总位移s

若实际位移s大于加速阶段与减速阶段的总位移s

由正向最大速度a

整理可得：

同理可得：

若有匀加速段和匀减速段，则：

整理可得：

因此，当不满足式

进一步地，所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度的计算步骤包括：

S101.设置各项初始参数，所述初始参数包括：雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离、最大速度、最大加速度、最大加加速度；

S102.将雷达倒伏装置当前速度设置为所述最大速度，并计算得到第一加减速位移；

S103.判断所述第一加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则执行S104，否则所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度为初始设置的最大速度；

S104.将雷达倒伏装置当前速度设置为第一速度，并计算得到第二加减速位移；

S105.判断所述第二加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则执行S106，否则所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度为第一速度；

S106.将雷达倒伏装置当前速度设置为第二速度，并计算得到第三加减速位移；

S107.判断所述第三加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则设置的各项初始参数为非法数据，雷达倒伏装置禁止响应；否则所述雷达倒伏装置在运动过程中的最大速度为第二速度。

示例性的，如图9所示，根据行程计算雷达倒伏装置运动过程中的最大速度的操作流程的步骤：

步骤1：读取初始的雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离s、最大加速度a

步骤2：计算v＝v

步骤3：判断s

进一步地，所述S形曲线的设计步骤如下：

S201.设置各项初始参数，所述初始参数包括：雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离、最大速度、最大加速度、最大加加速度；

S202.将雷达倒伏装置当前速度设置为所述最大速度，并计算得到第四加减速位移；

S203.判断所述第四加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则计算得到雷达倒伏装置匀速运动阶段的时间以及各运动阶段的速度与时间；否则执行S204；

S204.将雷达倒伏装置当前速度设置为第三速度，并计算得到第五加减速位移；

S205.判断所述第五加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则计算得到雷达倒伏装置各运动阶段的速度与时间并绘制出S形曲线；否则执行S206；

S206.将雷达倒伏装置当前速度设置为第四速度，并计算得到第六加减速位移；

S207.判断所述第六加减速位移是否大于所述初始位置与目标位置之间的距离，若是，则计算得到雷达倒伏装置各运动阶段的速度与时间并绘制出S形曲线。

进一步地，该方法还包括：若所述第六加减速位移不大于所述初始位置与目标位置之间的距离，则再次调整雷达倒伏装置当前速度直到加减速位移大于所述初始位置与目标位置之间的距离，并计算得到雷达倒伏装置各运动阶段的速度与时间以绘制出S形曲线。

示例性的，如图10所示，雷达倒伏装置轨迹规划算法流程，即所述S形曲线的设计步骤如下：

步骤1：读取初始的雷达倒伏装置的初始位置与目标位置之间的距离s、最大加速度a

步骤2：令v＝v

步骤3：判断s

本发明方法中，由于增加了两次判断，可以在不增加计算量的前提下，大幅度提高控制系统的抗干扰能力，能够有效滤除由于数据不干净带来的误判断，既可以求得优化速度，还可以求得平稳的位移。

本发明还公开了一种雷达倒伏装置的加减速控制系统，包括：

采集模块，用于采集雷达倒伏装置的各项参数；

控制模块，用于根据上述所述任一一种方法对雷达倒伏装置进行加减速控制。

所述系统实施例和前述方法实施例可一一对应实现，在此不再赘述。

基于同一发明思路，本发明还公开了一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行一种雷达倒伏装置的加减速控制方法，包括：将所述雷达倒伏装置的运动轨迹设置为S形曲线，在所述S形曲线中引入正弦函数以对雷达倒伏装置进行加减速控制。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法，包括：将所述雷达倒伏装置的运动轨迹设置为S形曲线，在所述S形曲线中引入正弦函数以对雷达倒伏装置进行加减速控制。

又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的一种雷达倒伏装置的加减速控制方法，包括：将所述雷达倒伏装置的运动轨迹设置为S形曲线，在所述S形曲线中引入正弦函数以对雷达倒伏装置进行加减速控制。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。