“数据不牢，地动山摇” ——运动控制中传感数据闭环的建立

 

感谢公众号《说东道西》作者贝加莱宋华振的文章，文中所提到了“数据不牢，地动山摇”这个概念，突出了在控制中数据的重要性。另据公众号《知识自动化》林学萍老师介绍说，这句话是出自航天前辈宁总的名言。曾子曰：“君子以文会友，以友辅仁”。上面两位老师建立的公众号也是我要向大家推荐的。“数据不牢，地动山摇”这句话读后深为同感，我在大学的老师和刚工作时前辈们也是反复教诲类似的理念，做好实验（现场）一手数据采集与处理，是做好一件事的基础，这个“数据做好”，是指真实的数据、丰富多源的数据、并甄别与逻辑分析的数据。这也勾起了我想起大学里老师讲过的三个老故事，拿出来给大家分享。

 

故事一，传说

第一张火车时刻表的诞生

——用户闭环的建立，时间轴上的位置闭环

 

话说过去火车才发明的时候，很长一段时间是没有火车时刻表的，为了让更多的人来坐火车,以获得运营盈利，奥地利维也纳火车站的站长发明了第一份火车时刻表——火车的出发和到达的时刻表。这样，到哪里去，什么时候走，什么时候到，就有了依据，市民们纷纷来坐火车出游了。可运行了一段时间后，火车实际运行与这个时刻表常常对不上，不能准时到站。这天就有一位老者气势汹汹来找到站长，把时刻表往站长面前一扔，说这个时刻表不准，要了有什么用！站长拿起火车时刻表，对老者说：没有这张时刻表，你怎么知道火车准不准呢？。。。于是，有了这张火车时刻表后，火车的运营有了不断改进和提高的标准，火车运营的效率大大提高了，火车公司也开始赢利了。

 

一百年后的时刻表，上海的地下铁，从上一站到下一站的运动与停站的平均时间是2分30秒，如果中间是10站，那么在地铁上的时间是25分钟，什么时候，到达哪里，很准。赶个飞机高铁也很方便，比虹桥机场的飞机航班要准时。

 

香港的地铁前几年作了一次升级——从上一站到下一站的运动与停站的平均时间缩短到2分10秒。不要小看这20秒的进步，那已经据称是地铁“伺服控制”管理的极限了，达到了世界领先水平。

 

什么，这也与伺服控制有关？做运动控制理念中又何尝不也是如此呢。我在《简单聊一聊什么是伺服、同步、辅助编码器和TSN的意义》一文中是这样解释“伺服”的，什么是伺服：什么时候，到达哪里，做什么事。自检、听话。

这是让用户可知的闭环。

 

一个闭环控制系统包含了三部分：控制器、执行器和反馈坐标（比较器）。没有传感反馈的控制称为开环控制，也许也能做起来，但开环的控制难以做得好，更难以有高效率。省下了传感器反馈并不会省后面的人工，省掉的却是效率与尽快盈利的机会。

 

 

用户对设备性能的不可知与不可控，也就得不到对设备的信任与购买信心。

这是要让用户看得到的闭环。

 

一般的讲解伺服，都是讲这三个环：位置环、速度环、电流环。没有讲到时间轴闭环，时间是永远往前走的。这是把时间参量混合到速度环里去了（位置环+变化的位置/时间）。而伺服是从变频进化来的，变频只有速度环（就是变频吗），并没有位置环。伺服与变频根本的不同之一，是位置环与时间轴各自从速度环中独立，各自有明确的闭环要求：位置环、时间轴、电流环。其中位置环对时间轴的微分就是速度环。而变频只有速度环，位置环是速度环在时间轴上的积分，会有积分误差累积。变频仅有速度环的信息是不够的，是有缺陷的。

 

 

做运动控制的可以看看这个故事，去理解这个“火车时刻表”的意义。让用户看得到的闭环，在时间轴上的位置环。是不是会有一些新的思考呢？

（光讲一个多少位的高分辨率的编码器，最终结果用户能看得到吗？）

没有数据，没有用户闭环，啥也别谈。

 

故事二，传说

撒哈拉大沙漠中的十字架

——牢靠的绝对值坐标闭环，将“救你于生死之时”

位于北非的撒哈拉大沙漠是世界上最大的，也是地球上最不适合人类生存的地区。古代有个传说，有个城堡在撒哈拉沙漠中被埋葬了，城堡里面有很多金银财宝。于是几百年来一直有人试图进入沙漠中心，其中有游牧民族，也有来自欧洲的西方探险家。但是几乎没有人能够活着穿越沙漠，从沙漠中心走出来，直到一百多年前的一位英国人——探险家汉斯·威斯切带领了一支探险小分队成功穿越撒哈拉大沙漠。他是怎么成功的呢？

 

“在沙漠中行走，白天我们按照风向来判断方向，晚上则依靠星星，只有那些愚蠢的人才会相信眼睛看到的地面上的痕迹，因为沙漠中的地表时刻都在变化着。”汉斯得到了游牧人的经验，信心满满地带了几个队员开始进入沙漠腹地。但是越接近到沙漠中心时他们被眼前的景象惊骇了，每隔走一段距离就会出现一具尸体，那是过去被困在沙漠中没能走出去的人。汉斯招呼队员把尸体埋了，队员很不理解，这会将“浪费很多的体力”。汉斯也没说什么，埋好尸体后在上面插上了自己临时做的十字架，继续前行。

当进入到沙漠中心的时候，他们遇到了沙尘暴，风向不对了，星星不见了，他们迷路了，在沙漠中转圈了！眼看他们也将像那些死在沙漠中的人一样了。只是在偶然的一次转圈中他们又转回到了前面竖起的十字架，那些一个个自己临时做的并亲手插起的十字架，当然还记得，这竟然成了他们的位置坐标！而没有埋下新发现的尸体，那就应该是从沙漠的另一个方向走过来的了！这些临时竖起的十字架和没有埋下的尸体成了他们在沙漠中的绝对值位置坐标，帮助他们找回了路途和方向，成为了第一支活着走出撒哈拉大沙漠的探险队英雄。

 

在做运动控制的项目中，需要建立好一个绝对值位置坐标，会在你调试遇到最困难的时候，帮助你判断问题解决方向，帮助你走出困境。同时，绝对值位置坐标的建立，将大大节省你在现场调试的时间，可确定性，安全的。

这是靠谱的，不会改变的，全行程绝对值编码的位置坐标。

 

也许你会觉得这是“浪费很多的成本”。但是靠增量计数器的位置记忆，就像会在某种沙尘暴时刻变化的地表，而丢失坐标位置。这种丢失在很多运动控制中是会“致命”的。之所以现在没有用绝对值编码器你也觉得“足矣”，也“一样可以用”，是因为你做的项目还不够多，运气好到了还没有碰到类似的“沙尘暴”。但是，你如果丢掉了“沙漠中的十字架”，哪次碰上了现场复杂状况，这个项目也许就危险到了要挂了。。。

这是要让用户看得到的，牢靠的，可信任的绝对值闭环。

要让客户信任你的设备，不是靠说，是绝对值数据闭环。

数据不牢，沙漠迷失，谈也白谈。

 

故事三，仿生

安全型动物VS进攻型动物

双源与多源传感，闭环数据信息多多益善。

在学习实验室数据采集与分析时，老师讲到了一百年前科学家对于动物眼镜的研究，动物为什么都要有2个眼睛2个耳朵？我们发现，

食肉动物的眼睛是这样的：O-O双眼都朝前；

食草动物的眼睛是这样的，0||0双眼在两侧。

 

那我们先来看看食肉动物双眼的作用：

食肉动物的双眼集中在前方，追踪猎物的移动，双眼夹角的变化可精确推算出前后距离的立体效果，精确计算自己与猎物之间的距离。

双眼更准确——双眼的合作可以演化出立体的视觉效果，可以更精确的感知世界。

“独眼龙”的猎豹死定了——饿死的呗。

 

再来看看食草动物的双眼：上帝的设计

 

食草动物的双眼设计是在头部的两侧，这样的效果是扩大了视角范围，可以获得更多的信息，达到最大的安全防范区，随时可发现危险准备逃生。

双眼更安全——双眼的合作可以感知更大的范围，获得更多的信息，从而扩大安全防范区，减小视角盲区，获得更多的安全感。

可见，两个传感器配合的效果，大于1+1=2的收益。双传感器可以获得更加准确的控制，或者更加安全的控制。

 

在增量编码器中，有A相与B相，这就是增量编码器的两个传感器，它们可以帮助判别旋转方向，是计数器加还是减。

在绝对值单圈编码器中，有很多个“眼”传感器，每一个眼就是一位数据，N个眼睛就是N位绝对值编码。它可以将整个360度一圈都有了唯一的固定的位置编码，绝对值牢靠的编码数据，不再改变。

在绝对值多圈编码器中，有很多组传感器，除了单圈一组传感器，还有经过齿轮箱传递的16圈一组传感器，256圈一组传感器，4096圈一组传感器，这几组传感器组合在一起，就是“扩大了视角”量程，使得在整个测量全行程中都是安全的绝对值编码，牢靠的固定的绝对值数据，不再改变。

这是给用户安全感，这是给用户信心。

 

甚至可以有更多的“眼睛”传感器组合，比如日常使用的智能手机上大概有10多个传感器，由此衍生出的手机智能应用已达上千个。可以这么说，如果没有十个以上的传感器，它就不好意思再叫智能手机了。手机智能不智能，传感器先知道。

 

我们的老祖宗在造字时，把“聪明”两个字形容为“耳聪目明”，眼睛耳朵就是人的传感器。智能制造够智能吗？运动控制用户闭环有吗，做得怎么样？就看你传感器会不会用，用得多不多，用得怎么样了。

 

人工智能AI，建立在大量数据采集与分析、自学习上，这些大量的数据，同样要来自于各类传感器的采集，多多益善。

传感器省钱，可能省掉的是将来用户对你设备的信任。

如果传感器的应用还远远没有得到充分开发，甚至要省钱的降低传感器的使用与传感器标准，那这个控制系统到底做得怎么样？那用户也许就只能呵呵了。

数据传感越多越精准，

数据传感越多越安全，

数据传感越多越智能。