基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的橋式吊車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 中，袁少?gòu)?qiáng)，富 立

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

0 引 言

自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化及很多工科專(zhuān)業(yè)一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。由于控制理論相對(duì)抽象、與實(shí)際系統(tǒng)聯(lián)系緊密，實(shí)驗(yàn)是該課程極為重要的組成部分。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛏罨瘜?duì)知識(shí)的理解，從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。近些年，隨著工程教育認(rèn)證工作的廣泛推進(jìn)及社會(huì)對(duì)綜合型人才的需求，本科教學(xué)中如何體現(xiàn)對(duì)解決復(fù)雜工程問(wèn)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(wèn)題［1-3］。

針對(duì)自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的橋式吊車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將視覺(jué)反饋引入控制系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在實(shí)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(duì)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)及多學(xué)科交叉融合的問(wèn)題。

1 橋式吊車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

橋式吊車(chē)又稱為橋式起重機(jī)，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)所。通過(guò)橋架主梁上小車(chē)的直線運(yùn)動(dòng)可以將貨物沿水平方向運(yùn)送，大車(chē)在垂直于主梁方向的運(yùn)動(dòng)可以將貨物沿垂直方向運(yùn)送。由于在運(yùn)行過(guò)程中受到負(fù)載慣性和環(huán)境因素的變化，容易引起負(fù)載擺動(dòng)，在極端情況下可能會(huì)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(dòng)式、液壓式、電子式和機(jī)械式等［4-6］。

為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，適合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這里將大車(chē)沿垂直方向的運(yùn)動(dòng)略去，只考慮小車(chē)沿主梁的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，整套機(jī)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(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒帶與小車(chē)連接，可控制小車(chē)在水平軌道上運(yùn)動(dòng)，小車(chē)下掛可自由擺動(dòng)的吊擺。實(shí)驗(yàn)要求是控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)到指定位置，并且在啟動(dòng)和停止及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持?jǐn)[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(dòng)系統(tǒng)能自動(dòng)消除擺動(dòng)。擺桿角度和小車(chē)位置信息既可以通過(guò)電位計(jì)或編碼器采集，也可以通過(guò)攝像頭進(jìn)行反饋。

圖1 橋式吊車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)控制原理的時(shí)域響應(yīng)測(cè)試、串聯(lián)校正、狀態(tài)空間等相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用計(jì)算視覺(jué)反饋，通過(guò)非接觸測(cè)量方式獲得小車(chē)位置、單擺角度等信息。視覺(jué)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(zhuān)業(yè)方向的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)對(duì)象。同時(shí)由于要綜合考慮精度與算法速度這兩個(gè)相互矛盾的因素，實(shí)驗(yàn)中要根據(jù)情況進(jìn)行權(quán)衡。

系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）對(duì)控制理論幾個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，并進(jìn)行相應(yīng)延伸。系統(tǒng)對(duì)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(shí)點(diǎn)具有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠滿足自動(dòng)控制原理等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。并且可進(jìn)行最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)等方面的實(shí)驗(yàn)，延伸理論廣度與深度。

（2）具有明確的工程應(yīng)用對(duì)象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程貼近工程實(shí)際。系統(tǒng)模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)橋式吊車(chē)的工作過(guò)程，采用多種實(shí)際部件，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中無(wú)法采用通常方法實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)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(wèn)題的能力。

（3）軟硬件設(shè)計(jì)新穎，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)時(shí)間與空間。采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)信息作為反饋，涉及多學(xué)科知識(shí)交叉運(yùn)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(guò)仿真及三維實(shí)體模型可以實(shí)現(xiàn)在線設(shè)計(jì)與調(diào)試，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的空間與時(shí)間范圍。

（4）趣味性強(qiáng)?？梢灾庇^地對(duì)單擺系統(tǒng)、小車(chē)位置控制、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)橋式吊車(chē)防擺控制進(jìn)行演示與動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)施加控制前后的效果和現(xiàn)象對(duì)比，了解控制理論的作用及在實(shí)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(dòng)參與。

（5）系統(tǒng)軟硬件組成簡(jiǎn)單，便于使用與維護(hù)。系統(tǒng)廣泛采用COTS 技術(shù)，設(shè)備便于維護(hù)與更新。具有虛擬仿真及實(shí)物實(shí)驗(yàn)兩種方式，虛擬仿真方式不受場(chǎng)地及時(shí)間限制，并且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)物實(shí)驗(yàn)易于操作、性能穩(wěn)定、通用性好、安全可靠、便于推廣。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

根據(jù)橋式吊車(chē)系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和自控原理課程的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)型、設(shè)計(jì)型、綜合型3 個(gè)層次實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)自動(dòng)控制原理課程的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)所學(xué)知識(shí)按照一定的方法和要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合型實(shí)驗(yàn)主要是采用實(shí)物系統(tǒng)，按照特定的指標(biāo)要求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

2.1 控制系統(tǒng)時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)

目前國(guó)內(nèi)高校自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)大多是采用純數(shù)字仿真或基于模擬電路的半實(shí)物仿真方式［7-9］。雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺乏實(shí)物對(duì)象，學(xué)生對(duì)傳遞函數(shù)與實(shí)際系統(tǒng)的關(guān)系理解不清，對(duì)建模的方法和意義缺乏了解。本系統(tǒng)采用實(shí)物作為研究對(duì)象，根據(jù)選擇不同的研究對(duì)象（擺桿角度、小車(chē)速度、小車(chē)位置）橋式吊車(chē)系統(tǒng)可以對(duì)應(yīng)于一、二階系統(tǒng)。如圖2 所示，以小車(chē)的速度為對(duì)象，系統(tǒng)可以抽象為一個(gè)一階系統(tǒng)。如果以擺角為對(duì)象，系統(tǒng)可以抽象為一個(gè)二階系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)中一方面可以進(jìn)行機(jī)理建模，另一方面可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)施加階躍信號(hào)觀測(cè)響應(yīng)完成實(shí)驗(yàn)建模及系統(tǒng)分析，可以完成控制系統(tǒng)的時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)。幫助學(xué)生建立實(shí)際系統(tǒng)與理論模型及理論分析的對(duì)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(guò)響應(yīng)曲線分析系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法。

圖2 以小車(chē)速度為對(duì)象得到的模型

2.2 控制系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)可以單獨(dú)對(duì)擺桿的角度進(jìn)行控制，也可以對(duì)小車(chē)的速度、位置單獨(dú)進(jìn)行控制。在串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)中可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)超前、滯后等校正方式，也可以采用PID進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)中給定時(shí)域或頻域指標(biāo)，設(shè)計(jì)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(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)控制率在受到干擾后通過(guò)控制小車(chē)的移動(dòng)讓擺角迅速衰減。

圖3 擺角控制

如圖4 所示，以小車(chē)位置控制為目標(biāo)，控制過(guò)程類(lèi)似于傳統(tǒng)的小功率隨動(dòng)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(shí)驗(yàn)

結(jié)合擺桿擺角、角速度、小車(chē)位置和速度，整個(gè)橋式吊車(chē)可以看作一個(gè)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(guò)狀態(tài)反饋等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)位置和擺角的控制。

圖5 狀態(tài)空間實(shí)驗(yàn)

2.4 控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)橋式吊車(chē)實(shí)物系統(tǒng)的分析，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)指標(biāo)要求，比如擺桿的擺動(dòng)次數(shù)、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差等，進(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真，最后進(jìn)行實(shí)物控制與調(diào)試。具體控制方法可以自行選擇，比如PID、極點(diǎn)配置、LQR 等［10-11］。

考慮到學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖6）。在理論分析、系統(tǒng)建模、控制率設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)使用虛擬仿真的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，在系統(tǒng)測(cè)試、調(diào)試階段，利用實(shí)物實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行。采用一定的技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并且在調(diào)試過(guò)程中會(huì)遇到一些工程實(shí)際問(wèn)題，需要深入研究才能解決。這樣結(jié)合虛擬仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)兩方面的優(yōu)勢(shì)，高效實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求。

圖6 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中還引入了計(jì)算機(jī)視覺(jué)作為反饋，通過(guò)顏色或形狀等特征對(duì)擺桿上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，計(jì)算小車(chē)的位置、速度、擺桿角度、角速度等信息。這樣可以通過(guò)非接觸測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的速度及位置反饋。將計(jì)算機(jī)視覺(jué)反饋引入到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)中涉及圖像處理、模式識(shí)別、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制等多方面的知識(shí)，需要高度綜合才能順利完成。實(shí)驗(yàn)中涉及成本與速度、能耗與效果等矛盾問(wèn)題，需要進(jìn)行權(quán)衡。圖像噪聲、系統(tǒng)摩擦、幀速率等需要進(jìn)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(wèn)題能力的培養(yǎng)。

3 教學(xué)方法及教學(xué)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中以學(xué)生為中心，采用PBL（Project-Based Learning）項(xiàng)目教學(xué)法［12-15］，通過(guò)模擬產(chǎn)品需求和具體技術(shù)指標(biāo)要求的方式展開(kāi)綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。例如，對(duì)小車(chē)的位置精度、調(diào)節(jié)時(shí)間、擺桿擺動(dòng)次數(shù)、擺桿角度等提出指標(biāo)要求，根據(jù)要求轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)。

教學(xué)過(guò)程采用課內(nèi)與課外相結(jié)合、虛擬仿真與實(shí)物調(diào)試相結(jié)合的方式。將建模及控制率的設(shè)計(jì)作為預(yù)習(xí)內(nèi)容及課下學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)的結(jié)果可以通過(guò)虛擬仿真的方式得到直觀的效果。實(shí)物調(diào)試安排在課上進(jìn)行，調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題在課上或課下進(jìn)行分析和解決。在調(diào)試中會(huì)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(jìn)行較為深入地研究和分析才能解決，控制率設(shè)計(jì)和調(diào)試階段需要對(duì)各影響因素及控制指標(biāo)要求進(jìn)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(wèn)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(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的橋式吊車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用實(shí)物為對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的分析與研究，有助于學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及性能指標(biāo)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(shí)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(kuò)展。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得了首屆全國(guó)高校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)青年教師實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)“創(chuàng)客大賽”金獎(jiǎng)。

目前已應(yīng)用于自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中，在對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的過(guò)程中促進(jìn)了知識(shí)的內(nèi)化過(guò)程，控制率的設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面，實(shí)物調(diào)試階段鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)于教學(xué)效果的改善起到了很好的促進(jìn)作用。