基于計算機視覺的橋式吊車實驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉 中，袁少強，富 立

（北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191）

0 引 言

自動控制原理是自動化及很多工科專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。由于控制理論相對抽象、與實際系統(tǒng)聯(lián)系緊密，實驗是該課程極為重要的組成部分。通過實驗?zāi)軌蛏罨瘜χR的理解，從實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。近些年，隨著工程教育認證工作的廣泛推進及社會對綜合型人才的需求，本科教學(xué)中如何體現(xiàn)對解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，如何體現(xiàn)多學(xué)科交叉與融合是目前需要深入探討和解決的問題［1-3］。

針對自動控制原理課程的特點，結(jié)合工程實際，設(shè)計了基于計算機視覺的橋式吊車實驗系統(tǒng)，將視覺反饋引入控制系統(tǒng)。同時，設(shè)計了虛擬仿真實驗系統(tǒng)，采用虛實結(jié)合的實驗方式，優(yōu)化了實驗過程。在實際教學(xué)應(yīng)用中取得了很好的效果，在一定程度上解決了教學(xué)中對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)及多學(xué)科交叉融合的問題。

1 橋式吊車實驗系統(tǒng)組成與特點

橋式吊車又稱為橋式起重機，是工業(yè)現(xiàn)場用于裝卸作業(yè)的一種起重設(shè)備，廣泛應(yīng)用于廠房、港口碼頭、鐵路交通、礦山等場所。通過橋架主梁上小車的直線運動可以將貨物沿水平方向運送，大車在垂直于主梁方向的運動可以將貨物沿垂直方向運送。由于在運行過程中受到負載慣性和環(huán)境因素的變化，容易引起負載擺動，在極端情況下可能會引起貨物的掉落及設(shè)備的損壞。目前廣泛采用的防擺方法包括手動式、液壓式、電子式和機械式等［4-6］。

為了簡化結(jié)構(gòu)，適合于實驗教學(xué)，這里將大車沿垂直方向的運動略去，只考慮小車沿主梁的運動。實驗系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，整套機械部件安裝在一塊底板上，底板上固定有直線導(dǎo)軌、齒帶、齒帶輪、電動機，電動機通過齒帶與小車連接，可控制小車在水平軌道上運動，小車下掛可自由擺動的吊擺。實驗要求是控制小車運動到指定位置，并且在啟動和停止及運動過程中保持擺桿的角度足夠小，如果受到外部干擾產(chǎn)生較大幅度的擺動系統(tǒng)能自動消除擺動。擺桿角度和小車位置信息既可以通過電位計或編碼器采集，也可以通過攝像頭進行反饋。

圖1 橋式吊車實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

該實驗系統(tǒng)可以進行自動控制原理的時域響應(yīng)測試、串聯(lián)校正、狀態(tài)空間等相關(guān)實驗環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用計算視覺反饋，通過非接觸測量方式獲得小車位置、單擺角度等信息。視覺信息的引入增加了系統(tǒng)的靈活性及綜合性，可以為不同專業(yè)方向的學(xué)生提供實驗對象。同時由于要綜合考慮精度與算法速度這兩個相互矛盾的因素，實驗中要根據(jù)情況進行權(quán)衡。

系統(tǒng)具有如下特點：

（1）對控制理論幾個關(guān)鍵知識點嚴格對應(yīng)，并進行相應(yīng)延伸。系統(tǒng)對一、二階系統(tǒng)的分析、控制系統(tǒng)校正、狀態(tài)空間等關(guān)鍵知識點具有準確的對應(yīng)關(guān)系，能夠滿足自動控制原理等課程的實驗教學(xué)要求。并且可進行最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識等方面的實驗，延伸理論廣度與深度。

（2）具有明確的工程應(yīng)用對象，實驗過程貼近工程實際。系統(tǒng)模擬工業(yè)現(xiàn)場橋式吊車的工作過程，采用多種實際部件，在設(shè)計和調(diào)試過程中無法采用通常方法實現(xiàn)，需要對問題進行詳細分析與思考，選擇合適的方法，鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（3）軟硬件設(shè)計新穎，擴展實驗時間與空間。采用計算機視覺信息作為反饋，涉及多學(xué)科知識交叉運用，提高了系統(tǒng)的綜合性。本系統(tǒng)應(yīng)用虛擬仿真方式通過仿真及三維實體模型可以實現(xiàn)在線設(shè)計與調(diào)試，擴展實驗的空間與時間范圍。

（4）趣味性強?？梢灾庇^地對單擺系統(tǒng)、小車位置控制、工業(yè)現(xiàn)場橋式吊車防擺控制進行演示與動手設(shè)計實現(xiàn)，通過施加控制前后的效果和現(xiàn)象對比，了解控制理論的作用及在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生主動參與。

（5）系統(tǒng)軟硬件組成簡單，便于使用與維護。系統(tǒng)廣泛采用COTS 技術(shù)，設(shè)備便于維護與更新。具有虛擬仿真及實物實驗兩種方式，虛擬仿真方式不受場地及時間限制，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程進行實驗。實物實驗易于操作、性能穩(wěn)定、通用性好、安全可靠、便于推廣。

2 實驗項目設(shè)計

根據(jù)橋式吊車系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和自控原理課程的內(nèi)容，設(shè)計了相應(yīng)的實驗項目。實驗項目分為基礎(chǔ)型、設(shè)計型、綜合型3 個層次實驗。基礎(chǔ)型實驗主要是針對自動控制原理課程的主要知識點進行實驗驗證與分析。設(shè)計型實驗主要是根據(jù)所學(xué)知識按照一定的方法和要求進行設(shè)計。綜合型實驗主要是采用實物系統(tǒng)，按照特定的指標要求進行綜合設(shè)計及實現(xiàn)。

2.1 控制系統(tǒng)時域分析實驗

目前國內(nèi)高校自動控制原理實驗大多是采用純數(shù)字仿真或基于模擬電路的半實物仿真方式［7-9］。雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、配置靈活等優(yōu)點，但實驗過程中缺乏實物對象，學(xué)生對傳遞函數(shù)與實際系統(tǒng)的關(guān)系理解不清，對建模的方法和意義缺乏了解。本系統(tǒng)采用實物作為研究對象，根據(jù)選擇不同的研究對象（擺桿角度、小車速度、小車位置）橋式吊車系統(tǒng)可以對應(yīng)于一、二階系統(tǒng)。如圖2 所示，以小車的速度為對象，系統(tǒng)可以抽象為一個一階系統(tǒng)。如果以擺角為對象，系統(tǒng)可以抽象為一個二階系統(tǒng)。

實驗中一方面可以進行機理建模，另一方面可以通過對系統(tǒng)施加階躍信號觀測響應(yīng)完成實驗建模及系統(tǒng)分析，可以完成控制系統(tǒng)的時域分析實驗。幫助學(xué)生建立實際系統(tǒng)與理論模型及理論分析的對應(yīng)關(guān)系。深刻理解一、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的關(guān)系，并學(xué)習(xí)通過響應(yīng)曲線分析系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法。

圖2 以小車速度為對象得到的模型

2.2 控制系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗

本系統(tǒng)可以單獨對擺桿的角度進行控制，也可以對小車的速度、位置單獨進行控制。在串聯(lián)校正實驗中可以根據(jù)需求設(shè)計超前、滯后等校正方式，也可以采用PID進行控制。實驗中給定時域或頻域指標，設(shè)計校正環(huán)節(jié)滿足要求。

如圖3 所示，以擺桿的角度控制為目標，通過設(shè)計控制率在受到干擾后通過控制小車的移動讓擺角迅速衰減。

圖3 擺角控制

如圖4 所示，以小車位置控制為目標，控制過程類似于傳統(tǒng)的小功率隨動系統(tǒng)。可以采用PD 等控制方法。

圖4 位置控制

2.3 狀態(tài)空間實驗

結(jié)合擺桿擺角、角速度、小車位置和速度，整個橋式吊車可以看作一個單輸入多輸出系統(tǒng)。如圖5 所示，根據(jù)微分方程可以建立狀態(tài)空間模型，通過狀態(tài)反饋等方式實現(xiàn)對小車位置和擺角的控制。

圖5 狀態(tài)空間實驗

2.4 控制系統(tǒng)綜合實驗

通過對橋式吊車實物系統(tǒng)的分析，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)指標要求，比如擺桿的擺動次數(shù)、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等，進行設(shè)計并仿真，最后進行實物控制與調(diào)試。具體控制方法可以自行選擇，比如PID、極點配置、LQR 等［10-11］。

考慮到學(xué)時及實驗場地的限制，充分利用虛擬仿真實驗的優(yōu)勢（見圖6）。在理論分析、系統(tǒng)建模、控制率設(shè)計等環(huán)節(jié)使用虛擬仿真的方式對系統(tǒng)進行設(shè)計和分析，在系統(tǒng)測試、調(diào)試階段，利用實物實驗方式進行。采用一定的技術(shù)手段進行實現(xiàn)，并且在調(diào)試過程中會遇到一些工程實際問題，需要深入研究才能解決。這樣結(jié)合虛擬仿真與實物實驗兩方面的優(yōu)勢，高效實現(xiàn)實驗?zāi)繕艘蟆?/p>

圖6 虛擬仿真實驗

實驗中還引入了計算機視覺作為反饋，通過顏色或形狀等特征對擺桿上的標記點進行識別，計算小車的位置、速度、擺桿角度、角速度等信息。這樣可以通過非接觸測量的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的速度及位置反饋。將計算機視覺反饋引入到控制系統(tǒng)設(shè)計中，實驗中涉及圖像處理、模式識別、自動控制原理、計算機控制等多方面的知識，需要高度綜合才能順利完成。實驗中涉及成本與速度、能耗與效果等矛盾問題，需要進行權(quán)衡。圖像噪聲、系統(tǒng)摩擦、幀速率等需要進行深入分析才能得到解決方法，體現(xiàn)了解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

3 教學(xué)方法及教學(xué)過程

在實驗教學(xué)過程中以學(xué)生為中心，采用PBL（Project-Based Learning）項目教學(xué)法［12-15］，通過模擬產(chǎn)品需求和具體技術(shù)指標要求的方式展開綜合性實驗環(huán)節(jié)。例如，對小車的位置精度、調(diào)節(jié)時間、擺桿擺動次數(shù)、擺桿角度等提出指標要求，根據(jù)要求轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)的具體性能指標。

教學(xué)過程采用課內(nèi)與課外相結(jié)合、虛擬仿真與實物調(diào)試相結(jié)合的方式。將建模及控制率的設(shè)計作為預(yù)習(xí)內(nèi)容及課下學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計的結(jié)果可以通過虛擬仿真的方式得到直觀的效果。實物調(diào)試安排在課上進行，調(diào)試中出現(xiàn)的問題在課上或課下進行分析和解決。在調(diào)試中會遇到死區(qū)、飽和、摩擦非線性及其他特殊情況，需要學(xué)生進行較為深入地研究和分析才能解決，控制率設(shè)計和調(diào)試階段需要對各影響因素及控制指標要求進行權(quán)衡，這樣在一定程度上鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。合理分配課內(nèi)外內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)有利于翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式的實現(xiàn)。

4 結(jié) 語

基于計算機視覺的橋式吊車實驗系統(tǒng)采用實物為對象實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的分析與研究，有助于學(xué)生對控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及性能指標的理解，便于建立傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間、控制率等較為抽象的概念。采用虛實結(jié)合的方式有利于課內(nèi)與課外學(xué)習(xí)的融合以及學(xué)習(xí)方式的擴展。本實驗系統(tǒng)獲得了首屆全國高校自動化專業(yè)青年教師實驗設(shè)備設(shè)計“創(chuàng)客大賽”金獎。

目前已應(yīng)用于自動化專業(yè)學(xué)生的自動控制原理實驗中，在對實際系統(tǒng)進行分析和設(shè)計的過程中促進了知識的內(nèi)化過程，控制率的設(shè)計中擴展了學(xué)生的知識面，實物調(diào)試階段鍛煉了學(xué)生分析問題解決問題的能力。實驗項目的實施對于教學(xué)效果的改善起到了很好的促進作用。