一种激光扫描振镜模型预测控制方法及系统
1.本发明属于扫描振镜电机控制技术领域，具体涉及一种激光扫描振镜模型预测控制方法及系统。
背景技术：
2.目前激光扫描振镜的电机控制方法中最常见的是pid控制。pid控制控制策略结构简单，对位置、速度和电流都有较好的控制效果等特点，广泛应用于各种工业控制领域。但由于扫描振镜工作时受到的热影响和电磁影响，且长时间工作中，各项参数均易发生改变，pid控制对参数变化的敏感性会使得电机控制效果不理想，易出现超调抖动等现象。并且传统的振镜控制方法在针对高速的轨迹跟踪时，会出现多个扫描轴跟随轨迹耦合效果较差，从而使得扫描图像出现失真等现象。
3.现在的激光扫描振镜一般采用基于当前命令或系统特征来实现对轨迹高精度响应的控制方法。这些控制系统性能调节复杂，并且对于扫描振镜的高频摆动、多轴耦合的运动方式，易出现由于跟踪误差导致的扫描图像失真。
技术实现要素：
4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种激光扫描振镜模型预测控制方法及系统，能够在轨迹命令已知的情况下，统筹控制信号，减小扫描振镜电机实际输出与轨迹命令的跟随误差；然而模型预测控制一般需要进行大量的数值运算，且扫描振镜电机的控制频率(100khz)相对较高，故需要使用高性能控制算法处理器及配套功能模块，以满足控制性能要求。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种激光扫描振镜模型预测控制方法，包括以下步骤：
7.s1、视振镜驱动系统状态决定，若处于暂停或初始状态，振镜驱动系统执行参考轨迹序列初始化操作，将参考轨迹序列的初始值均置零；保留运行过程中原参考轨迹序列；振镜驱动系统进行状态信息采样操作，采集当前时刻振镜电机的角度、角速度和电流；s2、将步骤s1振镜驱动系统在k时刻得到的k+p时刻参考轨迹r(k+p|k)置于步骤s1得到的参考轨迹序列的末尾，原有轨迹数据向前递进一位，得到新的参考轨迹序列；
8.s3、根据步骤s1振镜驱动系统在k时刻获得系统状态量x(k)和振镜电机作为被控对象的数学模型，计算振镜驱动系统在k+1时刻的系统状态量估计值x(k+1|k)；
9.s4、设置增益系数矩阵，通过对振镜模型预测控制方法计算步骤s2得到的新的参考轨迹序列中参考轨迹部分对输出的影响，得到k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量；依据模型预测控制算法，基于步骤s3得到的系统状态量估计值得到振镜驱动系统在k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量；
10.s5、将步骤s4得到的k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量和k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量结合得到总控制信号；
11.s6、在k+1时刻，将步骤s5得到的总控制信号加载至振镜电机输入端完成控制。
12.具体的，步骤s1中，视振镜驱动系统当前工作状态决定是否对参考轨迹进行置零操作，但振镜驱动系统通过振镜的角度传感器、电流传感器、信号放大器和模数转换器等器件进行振镜角度和电流等振镜状态信息采样是始终保持运作的。
13.具体的，步骤s3中，振镜驱动系统将从上位机获得的振镜在k+p时刻的参考轨迹加载至振镜驱动系统参考轨迹序列末尾，并将参考轨迹的第一个数据弹出舍弃。
14.具体的，步骤s3中，振镜驱动系统的振镜电机摆动的角速度值由角度值差分得到，并与角度和电流共同构成振镜系统状态向量，系统状态量估计值x(k+1|k)为：
[0015][0016]
其中，ad为振镜系统状态空间模型的状态转移矩阵，x(k)为振镜系统状态向量，bd为振镜系统状态空间模型的输入矩阵，u(k)为k时刻的振镜系统输入。
[0017]
具体的，步骤s4中，以预测跟随误差和控制信号序列为基础的价值函数和状态预测序列，并求解简化得到增益系数矩阵。
[0018]
进一步的，价值函数j为：
[0019]
j＝(r(k)-cgx(k)-chu(k))
t
w(r(k)-cgx(k)-chu(k))+u(k)
t
qu(k)
[0020]
其中，r(k)为预测时域内的参考轨迹，c为系统输出矩阵，w为跟随误差权重矩阵，q为控制输入信号权重矩阵，x(k)为振镜系统当前状态向量，u(k)为预测时域控制信号序列，g为状态量递推矩阵，h为控制信号递推矩阵。
[0021]
具体的，步骤s4中，k+1时刻与参考轨迹相关的控制器输出信号分量ur(k)具体为：
[0022]
ur(k)＝grr(k)
[0023]
其中，gr为参考指令轨迹的增益系数矩阵，r(k)为k时刻的参考指令轨迹。
[0024]
具体的，步骤s4中，k+1时刻于状态量相关的控制系统输出分量u
x
(k)具体为：
[0025]ux
(k)＝g
x
x(k)
[0026]
其中，g
x
为状态量的增益系数矩阵，x(k)为振镜系统状态向量。
[0027]
具体的，步骤s6完成后，返回步骤s2实现循环控制。
[0028]
第二方面，本发明实施例提供了一种激光扫描振镜模型预测控制系统，包括：
[0029]
初始模块，视振镜驱动系统状态决定，若处于暂停或初始状态，振镜驱动系统执行参考轨迹序列初始化操作，将参考轨迹序列的初始值均置零；保留运行过程中原参考轨迹序列；振镜驱动系统进行状态信息采样操作，采集当前时刻振镜电机的角度、角速度和电流；
[0030]
轨迹模块，将初始模块振镜驱动系统在k时刻得到的k+p时刻参考轨迹r(k+p|k)置于初始模块得到的参考轨迹序列的末尾，原有轨迹数据向前递进一位，得到新的参考轨迹序列；
[0031]
状态模块，根据初始模块振镜驱动系统在k时刻获得系统状态量x(k)和振镜电机作为被控对象的数学模型，计算振镜驱动系统在k+1时刻的系统状态量估计值x(k+1|k)；
[0032]
输出模块，设置增益系数矩阵，通过对振镜模型预测控制方法计算轨迹模块得到的新的参考轨迹序列中参考轨迹部分对输出的影响，得到k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量；依据模型预测控制算法，基于状态模块得到的系统状态量估计值得到振镜驱动系统在k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量；
[0033]
判断模块，将输出模块得到的k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量和k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量结合得到总控制信号；
[0034]
控制模块，在k+1时刻，将判断模块得到的总控制信号加载至振镜电机输入端完成控制。
[0035]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0036]
一种激光扫描振镜模型预测控制方法，合理安排状态量和参考轨迹相关计算，并通过对增益系数矩阵的离线计算降低计算时间，使得驱动系统能够满足振镜控制频率要求。
[0037]
进一步的，对驱动系统进行初始化有利于保证计算的准确性，防止非确定状态对后续的控制产生影响。
[0038]
进一步的，为了实现模型预测控制，除了直接通过传感器获得的振镜摆动角度和电枢电流，还需由角度信号经过差分处理获得角速度信息。
[0039]
进一步的，在振镜状态空间模型的基础上，通过迭代递推的方式，对预测时域内的状态轨迹进行估计。
[0040]
进一步的，通过价值函数和状态预测序列联立求解获得模型预测控制输出，将表达式中的增益常数进行离线计算，可以实现快速且高效的控制输出。
[0041]
进一步的，价值函数的设置实现了模型预测控制计算依据的确定，保证最优控制信号的求解逻辑完备性。
[0042]
进一步的，参考轨迹与相应的增益系数进行相乘，可以在从上位机或内部存储器中获得指令轨迹后直接进行，该计算时序安排可实现高效的计算。
[0043]
进一步的，通过状态量增益系数的设置实现了从状态量到控制系统输出分量的一次计算完成，简化计算步骤。
[0044]
进一步的，对于振镜本身的非线性，循环控制可以最大程度修正由于干扰和模型误差产生的跟随偏差。
[0045]
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
[0046]
综上所述，本发明提出的模型预测控制的输出与指令具有可控的延时关系，利于与激光器联动；模型预测控制基于振镜模型的状态预测和滚动优化控制使得振镜具有更加出的鲁棒性。
[0047]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0048]
图1为本发明激光扫描振镜模型预测控制方法的流程图；
[0049]
图2为本发明激光扫描振镜模型预测控制系统及其fpga实现的原理框图；
[0050]
图3为本发明模型预测控制、pid控制扫描轨迹与参考命令轨迹的仿真对比图。
具体实施方式
[0051]
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0053]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0054]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0055]
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
[0056]
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0057]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0058]
模型预测控制理论上可以实现被控系统输出与输入参考轨迹之间的零跟随误差。基于被控系统数学模型和预测时域内参考轨迹，可以得到未来多个控制周期内相对于不同控制输入信号的预测轨迹跟踪误差。此外为了实现高性能控制算法的运行，高集成度的高速运算控制系统是必不可少的。
[0059]
本发明提供了一种激光扫描振镜模型预测控制方法，基于振镜电机离散数学模型进行状态预测和最优控制，计算输出信号；基于实际测得的电流、角度和实际输出的电压信号，以及预测步长内的参考命令轨迹的控制输入信号输出信号向量的评价函数；基于fpga及verilog hdl编码的专用数字控制电路及各功能模块。本发明使得激光扫描振镜的跟随误差有效减小，保证控制频率达到要求的同时，实现低功耗、高精度的控制效果。
[0060]
本发明一种激光扫描振镜模型预测控制方法，包括模型预测控制(model predictive control)和实现控制算法的硬件电路及器件两大部分。其中，模型预测控制主要用于保证激光扫描振镜控制理论上的零轨迹跟踪误差；硬件电路及器件主要作为实现模型预测控制算法高速运算的平台，在物理层面保证系统的精度和速度。
[0061]
请参阅图1，本发明一种激光扫描振镜模型预测控制方法，用于保证激光扫描振镜
控制理论上的零轨迹跟踪误差，遵循模型预测控制输出信号计算逻辑，通过采样当前时刻系统状态，采样过程中，系统硬件条件本身的延迟需要计算在内，以便得到更加符合实际的当前时刻系统状态；具体步骤如下：
[0062]
s1、若振镜驱动系统暂停或初始状态，则振镜驱动系统执行参考轨迹序列归零操作，既r(k-1)——预测时域内的参考轨迹——为零矩阵；若振镜驱动系统处于运行中，则保留r(k-1)不变；振镜驱动系统同时采样获得当前时刻的振镜电机状态量——角度θ和电流i；
[0063]
s2、在k时刻振镜驱动系统从上位机获得k+p时刻的参考轨迹r(k+p|k)，并使该参考轨迹从原参考轨迹序列r(k-1)的末尾进入，而原参考轨迹序列的元素依次向前移位。从而获得k时刻的参考轨迹序列r(k)。
[0064]
s3、通过对振镜结构的分析，获得动力学和电磁学平衡方程：
[0065][0066][0067]
其中，k
t
为振镜电机的电磁转矩系数，i振镜电机的电枢电流，jg为振镜的总转动惯量，ω为振镜电机的角速度，d为振镜电机的粘性阻尼系数，u为振镜电机电枢两端的电势差，l为振镜电机的电枢电感，r为振镜电机的电枢电阻
[0068]
以角度θ、角速度ω和电流i为状态量，将振镜的动力学和电磁学平衡方程改写为状态方程形式：
[0069][0070]
其中，x为振镜状态向量，ac为振镜连续状态空间模型状态转移矩阵，bc为振镜连续状态空间模型输入矩阵，u为振镜的控制输入信号。由于实际控制系统均为离散运行，故对连续系统离散化得到离散的系统状态方程
[0071]
x(k+1)＝adx(k)+bdu(k)
[0072]
其中x(k)为k时刻振镜状态向量，ad为振镜离散状态空间模型状态转移矩阵，bd为振镜离散状态空间模型输入矩阵，u(k)为k时刻振镜的控制输入信号。而x(k+1)则是通过k时刻的振镜状态、控制信号和振镜模型表示的k+1时刻振镜状态。
[0073]
设定模型预测控制系统的预测时域为p，控制时域为m，且m≤p，在已知k时刻系统状态及输入后，对k+1时刻至k+m时刻和k+p时刻的系统状态进行预测，得到：
[0074]
x(k+1|k)＝adx(k)+bdu(k)
[0075][0076][0077]
[0078]
上述的递推关系用矩阵进一步表示，得到：
[0079]
z(k)＝gx(k)+hu(k)
[0080]
其中，其中，
[0081]
s4、设立价值函数：
[0082]
j＝(r(k)-cz(k))
t
w(r(k)-cz(k))+u(k)
t
qu(k)
[0083]
其中，r(k)为预测时域内的参考轨迹，c为系统输出矩阵，w为跟随误差权重矩阵，q为控制输入信号权重矩阵。模型预测控制通过s3中被控系统状态递推关系式得到预测时域内各控制时刻状态预测值，求解使得价值函数取得最小值的控制信号矩阵。
[0084]
以x(k)与u(k)对价值函数中的z(k)进行替换，得关于u(k)的二次型价值函数：
[0085]
j＝(yr(k)-cgx(k)-chu(k))
t
w(yr(k)-cgx(k)-chu(k))+u(k)
t
qu(k)
[0086]
求解价值函数最小值对应的控制输入信号向量的第一个值，即为下一控制周期的控制输入量，对该二次型价值函数进行求解得：
[0087]
在u(k)＝(yr(k)-cgx(k))
t
wch(q+(ch)
t
wch)-1
时，价值函数取得最小值，既u(k)的第一个有效元素为下一个时刻所需的控制信号，能够满足对振镜控制的性能要求。
[0088]
价值函数求解过程中涉及到多维矩阵求逆与四则运算，需要计算量巨大，重复计算过于浪费资源，同时考虑控制算法执行效率和精度，对计算过程进行离线简化。在u(k)的表达式中，g、w、c、h和q均为已知量，令wch(q+(ch)twch)-1＝ω，(gc)twch(q+(ch)twch)-1＝ψ，为三角矩阵，则得到u(k)＝yr(k)
t
ω-x(k)
t
ψ。其中，ω中所有元素的和与ψ中第一个元素的值相等。
[0089]
s5、在步骤s4中完成振镜模型预测控制的计算过程的离线计算简化后，控制信号的计算分为了以参考轨迹为变量和以状态量为变量的两项，分别计算后相加即为所求振镜驱动控制信号。
[0090]
s6、为了更加符合实际控制逻辑，即k时刻的模型预测控制计算得到的应为k+1时刻的控制输入信号，即调整状态预测递推关系式，求解u(k+1)作为模型预测控制的输出。求解完成后将控制信号加载至振镜电机的控制信号输入端。
[0091]
本发明再一个实施例中，提供一种激光扫描振镜模型预测控制系统，该系统能够用于实现上述激光扫描振镜模型预测控制方法，具体的，该激光扫描振镜模型预测控制系
统包括初始模块、轨迹模块、状态模块、输出模块、判断模块以及控制模块。
[0092]
其中，初始模块，视振镜驱动系统状态决定，若处于暂停或初始状态，振镜驱动系统执行参考轨迹序列初始化操作，将参考轨迹序列的初始值均置零；保留运行过程中原参考轨迹序列；振镜驱动系统进行状态信息采样操作，采集当前时刻振镜电机的角度、角速度和电流；
[0093]
轨迹模块，将初始模块振镜驱动系统在k时刻得到的k+p时刻参考轨迹r(k+p|k)置于初始模块得到的参考轨迹序列的末尾，原有轨迹数据向前递进一位，得到新的参考轨迹序列；
[0094]
状态模块，根据初始模块振镜驱动系统在k时刻获得系统状态量x(k)和振镜电机作为被控对象的数学模型，计算振镜驱动系统在k+1时刻的系统状态量估计值x(k+1|k)；
[0095]
输出模块，设置增益系数矩阵，通过对振镜模型预测控制方法计算轨迹模块得到的新的参考轨迹序列中参考轨迹部分对输出的影响，得到k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量；依据模型预测控制算法，基于状态模块得到的系统状态量估计值得到振镜驱动系统在k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量；
[0096]
判断模块，将输出模块得到的k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量和k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量结合得到总控制信号；
[0097]
控制模块，在k+1时刻，将判断模块得到的总控制信号加载至振镜电机输入端完成控制。
[0098]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0099]
本发明激光扫描振镜模型预测控制方法需要具体的实现平台，这些平台可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能。
[0100]
出于模型预测控制算法和振镜控制频率要求，选用fpga作为主控芯片类型，利用其电路可编程能力，实现高速控制算法及各种功能模块的并行运行，一部分fpga芯片中包含有足够的dsp切片和逻辑资源，能够满足控制算法的运行速率。即使面对不断提升的性能要求，fpga内部的逻辑资源也足够支撑。
[0101]
fpga中除了进行模型预测控制算法的运行，还包括上位机、控制器、数据采集模块和控制信号输出模块之间的通讯电路模块运行，各通讯模块由单独的周期使能控制模块进行控制，利用fpga的硬件并行能力，能够做到完全的独立运行，工作流程不会相互冲突。
[0102]
fpga中还包括信号滤波、时序控制、数据差分和工作模式判断等控制器所必须的模块电路。
[0103]
搭载了模型预测控制系统的扫描振镜控制器通过振镜偏转角度传感器，可以是光栅式、光电式或电容式传感器，并利用对应的信号处理电路，得到可以被控制算法核心识别的数字式振镜偏转角度值。
[0104]
通过数字差分电路模块得到振镜当前时刻的角速度值。
[0105]
通过电流采样电路和数据处理电路得到当前时刻的电流值数字量。
[0106]
获取上位机或板上存储单元中的参考轨迹信息，参与模型预测算法模块电路的数据处理，得到下一时刻的控制信号输出。
[0107]
通过数模转换电路模块、运算放大器电路模块、功率放大器电路模块实现对振镜电机的有效驱动。
[0108]
依据各种输入输出接口，实现上位机对振镜控制器的控制指令输入和反馈信号读取。
[0109]
通过板载交互电路模块，实现对振镜控制器的指令输入。
[0110]
利用系统模型推导出下一控制时刻系统状态，从而对之后预测时域内的输出进行估计，利用价值函数的求解，得到符合条件的最理想系统输入信号。
[0111]
本发明提出一种模型预测控制计算实例，在进行实际计算中，直接应用控制信号输出公式，并通过线下计算降低计算复杂度，直接使用简化后计算公式来实施模型预测控制。
[0112]
请参阅图2，本发明提出的扫描振镜模型预测控制硬件平台的一个实例，既扫描振镜伺服控制器，其由fpga及外围信号处理电路组成。
[0113]
其中，fpga中实现在上位机通讯模块、adc控制模块、dac控制模块、控制算法运算核心模块、存储模块和顶层时序控制模块。
[0114]
各模块的作用如下：
[0115]
上位机通讯模块：从上位机获取参考轨迹信号、顶层控制信号和参数信号，并传输到相应处理子模块中；
[0116]
adc控制模块：通过与外围电路中的adc芯片通讯，获得实时的采样数据，作为振镜控制系统的状态量；
[0117]
dac控制模块：通过与外围电路中的dac芯片通讯，实现在控制时刻的控制信号准确输出；
[0118]
控制算法运算核心模块：作为模型预测控制算法计算核心，通过已知条件实现最优的控制信号的计算；
[0119]
存储模块：存储控制参数和参考轨迹序列；
[0120]
顶层时序控制模块：分配每一个子模块的工作时序。
[0121]
外围信号处理电路包括振镜角度传感器供电电路，角度传感器输出信号放大电路，霍尔电流检测电路，模数转换电路，数模转换电路和功率放大电。
[0122]
各电路的功能如下：
[0123]
振镜角度传感器供电电路：为角度传感器提供必要的工作电源；
[0124]
角度传感器输出信号放大电路：将微小的角度信号进行放大，方便adc的转化；
[0125]
霍尔电流检测电路：将电流信息转化为电压信号并传输给对应的adc模块；
[0126]
模数转换电路：将模拟量表示对数据转化为数字量，并传输给fpga；
[0127]
数模转换电路：将fpga中的数字量形式控制信号转化为电压形式；
[0128]
功率放大电路：增强控制信号的驱动能力。
[0129]
请参阅图3，本发明提供设计的扫描振镜模型预测控制与pid控制对各种轨迹的跟随性能仿真对比图，从图3能够明显看到，模型预测控制的作用下，振镜对参考轨迹的跟随效果更好。
[0130]
综上所述，本发明一种激光扫描振镜模型预测控制方法及系统，相比于传统pid控制，其具有更加出的轨迹跟随性能，与理论指令轨迹之间无跟随时间上的偏差；特别是对连续轨迹指令，本发明的模型预测控制方法实现了无误差的轨迹跟随。
[0131]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0132]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0133]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0134]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0135]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
技术特征：
1.一种激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、视振镜驱动系统状态决定，若处于暂停或初始状态，振镜驱动系统执行参考轨迹序列初始化操作，将参考轨迹序列的初始值均置零；保留运行过程中原参考轨迹序列；振镜驱动系统进行状态信息采样操作，采集当前时刻振镜电机的角度、角速度和电流；s2、将步骤s1振镜驱动系统在k时刻得到的k+p时刻参考轨迹r(k+p|k)置于步骤s1得到的参考轨迹序列的末尾，原有轨迹数据向前递进一位，得到新的参考轨迹序列；s3、根据步骤s1振镜驱动系统在k时刻获得系统状态量x(k)和振镜电机作为被控对象的数学模型，计算振镜驱动系统在k+1时刻的系统状态量估计值x(k+1|k)；s4、设置增益系数矩阵，通过对振镜模型预测控制方法计算步骤s2得到的新的参考轨迹序列中参考轨迹部分对输出的影响，得到k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量；依据模型预测控制算法，基于步骤s3得到的系统状态量估计值得到振镜驱动系统在k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量；s5、将步骤s4得到的k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量和k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量结合得到总控制信号；s6、在k+1时刻，将步骤s5得到的总控制信号加载至振镜电机输入端完成控制。2.根据权利要求1所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，步骤s1中，视振镜驱动系统当前工作状态决定是否对参考轨迹进行置零操作，但振镜驱动系统通过振镜的角度传感器、电流传感器、信号放大器和模数转换器等器件进行振镜角度和电流等振镜状态信息采样是始终保持运作的。3.根据权利要求1所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，步骤s3中，振镜驱动系统将从上位机获得的振镜在k+p时刻的参考轨迹加载至振镜驱动系统参考轨迹序列末尾，并将参考轨迹的第一个数据弹出舍弃。4.根据权利要求1所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，步骤s3中，振镜驱动系统的振镜电机摆动的角速度值由角度值差分得到，并与角度和电流共同构成振镜系统状态向量，系统状态量估计值x(k+1|k)为：其中，a
d
为振镜系统状态空间模型的状态转移矩阵，x(k)为振镜系统状态向量，b
d
为振镜系统状态空间模型的输入矩阵，u(k)为k时刻的振镜系统输入。5.根据权利要求1所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，步骤s4中，以预测跟随误差和控制信号序列为基础的价值函数和状态预测序列，并求解简化得到增益系数矩阵。6.根据权利要求5所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，价值函数j为：j＝(r(k)-cgx(k)-chu(k))
t
w(r(k)-cgx(k)-chu(k))+u(k)
t
qu(k)其中，r(k)为预测时域内的参考轨迹，c为系统输出矩阵，w为跟随误差权重矩阵，q为控制输入信号权重矩阵，x(k)为振镜系统当前状态向量，u(k)为预测时域控制信号序列，g为状态量递推矩阵，h为控制信号递推矩阵。7.根据权利要求1所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，步骤s4中，k+1时刻与参考轨迹相关的控制器输出信号分量u
r
(k)具体为：
u
r
(k)＝g
r
r(k)其中，g
r
为参考指令轨迹的增益系数矩阵，r(k)为k时刻的参考指令轨迹。8.根据权利要求1所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，步骤s4中，k+1时刻于状态量相关的控制系统输出分量u
x
(k)具体为：u
x
(k)＝g
x
x(k)其中，g
x
为状态量的增益系数矩阵，x(k)为振镜系统状态向量。9.根据权利要求1所述的激光扫描振镜模型预测控制方法，其特征在于，步骤s6完成后，返回步骤s2实现循环控制。10.一种激光扫描振镜模型预测控制系统，其特征在于，包括：初始模块，视振镜驱动系统状态决定，若处于暂停或初始状态，振镜驱动系统执行参考轨迹序列初始化操作，将参考轨迹序列的初始值均置零；保留运行过程中原参考轨迹序列；振镜驱动系统进行状态信息采样操作，采集当前时刻振镜电机的角度、角速度和电流；轨迹模块，将初始模块振镜驱动系统在k时刻得到的k+p时刻参考轨迹r(k+p|k)置于初始模块得到的参考轨迹序列的末尾，原有轨迹数据向前递进一位，得到新的参考轨迹序列；状态模块，根据初始模块振镜驱动系统在k时刻获得系统状态量x(k)和振镜电机作为被控对象的数学模型，计算振镜驱动系统在k+1时刻的系统状态量估计值x(k+1|k)；输出模块，设置增益系数矩阵，通过对振镜模型预测控制方法计算轨迹模块得到的新的参考轨迹序列中参考轨迹部分对输出的影响，得到k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量；依据模型预测控制算法，基于状态模块得到的系统状态量估计值得到振镜驱动系统在k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量；判断模块，将输出模块得到的k+1时刻关于参考轨迹的控制器输出信号分量和k+1时刻关于状态量的控制系统输出分量结合得到总控制信号；控制模块，在k+1时刻，将判断模块得到的总控制信号加载至振镜电机输入端完成控制。
技术总结
本发明公开了一种激光扫描振镜模型预测控制方法及系统，基于振镜电机离散数学模型进行状态预测和最优控制，计算输出信号；基于实际测得的电流、角度和实际输出的电压信号，以及预测步长内的参考命令轨迹的控制输入信号输出信号向量的评价函数；基于FPGA及Verilog HDL编码的专用数字控制电路及各功能模块。本发明使得激光扫描振镜的跟随误差有效减小，保证控制频率达到要求的同时，实现低功耗、高精度的控制效果。度的控制效果。度的控制效果。
