1. 速度规划概述

大家好，欢迎来到《速度规划配置与参数调优实战》的第一章。

说实话，我刚开始接触运动控制那会儿，对「速度规划」这四个字完全没概念。当时觉得，让电机转起来不就行了吗？要什么规划？直到我第一次调试一台六轴机器人，看着它在高速运动中剧烈抖动，差点把末端执行器甩飞出去……嗯，从那以后，我再也不敢小看速度规划了。

这一章，我们先聊聊最基础的问题：速度规划到底是什么？为什么非它不可？它又用在哪里？

速度规划，说白了就是决定一个运动过程「怎么走」。不是简单的起点到终点，而是中间每一时刻的速度、加速度、甚至加加速度怎么变化。

你想想看，如果让电机直接从 0 瞬间跳到 1000 rpm，会发生什么？冲击、振动、甚至丢步。速度规划就是解决这个问题的——它给运动过程加一个「平滑的过渡」。我习惯把它比作开车：你不会一脚油门踩到底，而是缓缓加速，到了路口再缓缓减速。速度规划做的，就是这件事。

核心定义：速度规划是指在已知运动路径或轨迹的前提下，根据运动学约束（最大速度、最大加速度、最大加加速度等），生成一条满足约束且平滑的速度-时间曲线。

常见的速度规划曲线有这么几种：

我个人最常用的是 S 型曲线。为什么？因为它在保证效率的同时，把冲击降到了最低。我在一个焊接机器人项目里试过 T 型曲线，结果焊缝处总有抖动纹路，换成 S 型曲线后，问题直接消失了。

这个问题，我分三点来讲。

第一，保护机械结构。 没有速度规划，电机就是「硬起硬停」。冲击力会直接传递到减速机、联轴器、甚至工件上。我曾经见过一个案例，某产线的直角坐标机器人因为没做速度规划，运行半年后导轨出现了明显的磨损痕迹。加了 S 型曲线后，导轨寿命延长了至少一倍。

第二，提高运动精度。 速度突变会导致系统振动，振动会带来位置误差。尤其是在高速高精场景下，比如 CNC 雕铣，一个微小的振动就能让工件表面出现刀纹。速度规划通过平滑加速度变化，让系统「稳得住」。

第三，降低能耗。 这个可能很多人没注意到。急加速急减速，电机需要输出更大的瞬时扭矩，电流峰值高，能量损耗也大。平滑的速度曲线能让电机工作在更高效的区间。我在一个 AGV 项目里实测过，优化速度规划后，单次搬运的能耗降低了约 12%。

一个小技巧： 如果你不确定该用哪种速度曲线，先从 S 型曲线开始试。它虽然不是最快的，但一定是最稳的。等系统稳定后，再根据实际需求往效率方向优化。

速度规划不是某个领域的专属技术，它几乎出现在所有需要「精确控制运动」的地方。我挑三个最典型的场景聊聊。

工业机器人是速度规划的「重度用户」。从码垛、焊接、喷涂到装配，每个动作背后都有一套速度规划算法在支撑。

我记得有一次调试一个六轴机器人做高速拾放。客户要求节拍时间在 0.8 秒以内，但机器人总是出现末端抖动。我检查了轨迹和动力学参数，都没问题。最后发现是速度规划里的加加速度限制设得太低，导致加速段被拉长，机器人为了赶时间在减速段「急刹车」。调整加加速度参数后，抖动消失，节拍也达标了。

工业机器人常用的速度规划策略包括：

CNC 对速度规划的要求比工业机器人更苛刻。因为加工过程中，刀具和工件直接接触，任何速度波动都会在表面留下痕迹。

CNC 速度规划的核心挑战是「拐角处理」。当刀具从一个方向突然转向另一个方向时，速度必须降下来，否则会过切。但降得太慢又影响效率。这就是所谓的「拐角减速」问题。

我见过一个做模具的师傅，他手动调整每段路径的进给率，硬是把加工时间从 40 分钟压到了 28 分钟。后来我帮他写了一个自适应速度规划模块，自动识别拐角并优化减速策略，最终时间压到了 25 分钟，而且表面光洁度还更好。

注意： CNC 速度规划中，加加速度（Jerk）的设定非常敏感。设得太小，加工效率低；设得太大，机床振动加剧，甚至可能损坏主轴。我建议从机床说明书的推荐值开始，然后以 10% 的步长逐步上调，直到出现轻微振动再回调 5%。

自动驾驶的速度规划，和工业场景有很大不同。工业场景的路径是已知的、固定的，而自动驾驶的路径是实时感知、实时规划的。

自动驾驶的速度规划需要考虑更多因素：

我参与过一个园区无人配送车的项目。最开始我们用的是一套简单的梯形速度曲线，结果在转弯时乘客（其实是测试工程师）差点从座位上滑下来。后来我们改用了基于模型预测控制（MPC）的速度规划，把加速度和加加速度都作为优化目标，舒适性明显提升。

自动驾驶中常用的速度规划方法：

下面这张图，是我自己梳理的速度规划知识框架。你可以把它当作整个课程的地图。

这张图把速度规划拆成了五个层次。从最核心的概念出发，到具体的曲线类型和约束条件，再到不同场景下的应用。后面的课程，我们会沿着这个框架一步步深入。