基于Tau理論的數(shù)控云臺平穩(wěn)剎車控制策略分析

曹先平 李偉林

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通657000）

0 引言

城市配網(wǎng)智能巡檢車將數(shù)字云臺技術(shù)、非接觸式檢測技術(shù)、無線遠(yuǎn)程通訊技術(shù)、GPS定位技術(shù)等相結(jié)合，應(yīng)用于巡檢車上，實現(xiàn)了配網(wǎng)線路的智能巡檢，減輕了巡檢人員的作業(yè)強(qiáng)度。操作人員通過平板電腦操控車頂?shù)臄?shù)控云臺，并通過平板電腦顯示云臺拍攝圖像，觀測配網(wǎng)線路設(shè)備。云臺控制平順性直接關(guān)系到操作人員的操作舒適度，頓挫的云臺圖像很容易造成操作人員疲勞、眩暈。因此，本文在研究生物的決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于仿生Tau理論，提出了一種基于仿生系統(tǒng)的數(shù)控云臺平穩(wěn)剎停控制策略。

1 Tau理論

1.1 Tau的定義

根據(jù)Lee的Tau理論，運(yùn)動間距被定義為人或動物到運(yùn)動目標(biāo)狀態(tài)的可變化的距離。所有運(yùn)動的目的就是縮短這個距離到理論上的零距離。運(yùn)動間距的Tau被定義為運(yùn)動間距和運(yùn)動間距的變化率的比值，可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）來表示：

從式（1）可以看出，Tau 可以提供彌補(bǔ)運(yùn)動間距的運(yùn)動信息。

1.2 基于Tau理論的運(yùn)動策略

基于Tau理論的運(yùn)動導(dǎo)航策略是一種可預(yù)期的導(dǎo)航策略，也就是說，根據(jù)目前的運(yùn)動和信息可規(guī)劃將來的運(yùn)動。

行動間距可定義為相對于目標(biāo)，目前的人或動物處于行動狀態(tài)，即人或動物相對于目標(biāo)存在初始速度，即運(yùn)動的過程是減速的過程。根據(jù)Tau理論，因為Tau被定義為可解釋行動間距變化，因此Tau提供了行動間距變化的信息。但通過運(yùn)動學(xué)分析可知，單單利用Tau是無法完全實現(xiàn)對運(yùn)動的預(yù)期規(guī)劃的，這是因為Tau無法顯示加速度的信息。而通過對運(yùn)動公式的分析可以看出，可通過控制Tau的導(dǎo)數(shù)來進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃。實驗表明，人或動物正是通過視覺來保持Tau的導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，以實現(xiàn)減速到達(dá)目標(biāo)的控制。

式（2）為行動間距的Tau策略的基本定律。其中，k 為行動間距變化減速過程中的常數(shù)。通過這個基本定律，可以進(jìn)行行動間距的運(yùn)動規(guī)劃。以下是運(yùn)動規(guī)劃策略公式的推導(dǎo)。

從基本定律式（2）可以得到式（3）：

式中，t為時間；τ0為時間為零時刻Tau的初始值。可以從Tau的定義求出τ0：

式（4）結(jié)合Tau的定義和式（3）可以得到：

通過微分方程求解式（5），可以得出行動間距隨時間變化的式（6）：

通過分析式（6），可以得到k的準(zhǔn)則：

由此可見，在運(yùn)動規(guī)劃策略中，如果想讓行動間距閉合，而不發(fā)生碰撞，k一般選取在0～0.5之間。根據(jù)實驗，人和動物正是保持k在這個區(qū)間來實現(xiàn)避免碰撞。

2 實驗

設(shè)置云臺角度閉合為2°，初始速度為20°/s，根據(jù)k 準(zhǔn)則取0.4，剎停時間為0.25s，生成的角度閉合曲線如圖1所示。

角速度和角加速度曲線如圖1所示。實驗結(jié)果表明，采用該策略后，在剎停結(jié)束后，云臺的角速度和角加速度均變成0，對基體的沖擊為0，不會產(chǎn)生晃動和機(jī)械損耗。

3 結(jié)語

本文針對巡檢車云臺提出了一種基于Tau理論的數(shù)控云臺平穩(wěn)剎停控制策略，該方法基于仿生Tau理論，在采用合理的k準(zhǔn)則時，可有效實現(xiàn)角度間距的無碰撞接觸閉合，最終實現(xiàn)數(shù)控云臺平穩(wěn)剎停控制。仿真結(jié)果表明， 該剎停控制策略可有效實現(xiàn)剎停的零角速度和零角加速度接觸閉合。

圖1 角度閉合曲線、角速度和角加速度變化曲線

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