引用本文

杜大军, 占国华, 李汪佩, 费敏锐, 周文举. 带时变计算时间和计算误差的倒立摆视觉H∞控制研究. 自动化学报, 2019, 45(2): 334-348. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170393

DU Da-Jun, ZHAN Guo-Hua, LI Wang-Pei, FEI Min-Rui, ZHOU Wen-Ju. Research of Visual H∞ Control of Inverted Pendulum With Time-varying Computational Time and Computational Error. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(2): 334-348. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170393

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2018.c170393

关键词

倒立摆，视觉伺服，图像处理，计算时间，计算误差 

摘要

针对基于视觉传感的倒立摆实时控制系统中，通过每帧图像计算小车位移和摆杆偏角产生的时变计算时间和计算误差直接影响控制系统性能甚至导致系统失稳问题，不同于目前不考虑计算时间和计算误差或将计算时间视为定时滞进行研究倒立摆视觉实时控制方法，本文首先创新设计了新型的倒立摆视觉伺服控制实验平台，然后设计了一种基于事件触发机制的工业图像采集策略，提出了考虑小车和摆杆特征的小车位移和摆杆偏角计算方法，并统计分析了图像处理计算时间和计算误差特性；进一步建立了融合计算时间和计算误差的闭环控制系统模型，理论证明系统的稳定性并建立了反映计算时间与系统稳定性能之间关系，给出了系统对计算误差的H∞扰动抑制水平γ和控制器设计方法.最后，仿真和实时控制实验验证了所提方法可行且有效.

文章导读

倒立摆作为一个支点在下、重心在上的绝对不稳定被控对象, 其具有非线性、不稳定等特性[1], 能够反映控制理论与工程中很多核心问题, 例如鲁棒性、跟踪等, 作为理想的实验平台验证的理论方法可推广应用到机器人直立行走的平衡控制、海上钻井平台的稳定控制等[2-4], 故倒立摆的稳定控制一直以来都是控制领域研究中的开放性问题[5-7].

传统倒立摆稳定控制大都基于编码器进行状态信息测量然后进行控制器设计和稳定性分析[8-11].然而, 随着视觉传感技术的跨越式发展并且感知信息更加丰富全面、直观, 甚至能够应用到复杂危险的工业控制现场[12-13], 故其正在大量地被应用到工业自动化检测[14]、机器人控制[15-16]等领域.然而, 在实时控制系统中, 与非视觉传感测量相比, 为了获得状态检测信息, 必须对视觉传感测量的图像进行处理, 这将不可避免地带来图像处理计算时间和计算误差, 从而影响控制系统性能甚至造成控制系统失稳[17].因此, 国内外学者开始构建基于视觉传感的倒立摆控制系统实验平台进行理论方法验证, 为工业视觉伺服实时控制提供理论基础和技术支撑.

在倒立摆视觉伺服控制中, 因为倒立摆属于快变的运动控制系统, 采样周期非常小, 故从摆体图像采集到经过图像处理计算出小车位移和摆杆偏角耗费的计算时间对控制系统性能及其稳定性影响至关重要.根据是否考虑图像处理计算时间将目前倒立摆视觉伺服控制研究分为两类:第一类不考虑图像处理计算时间的倒立摆视觉伺服控制.例如文献[18]采用视觉传感仅测量直线一级倒立摆的摆杆偏角, 并设计模糊逻辑控制器实现倒立摆的稳定控制.文献[19]选取高帧率(580 fps)低像素的工业相机测量旋转式倒立摆的摆杆偏角实现稳定控制.以上研究采用视觉传感仅测量了倒立摆的部分状态信息, 然而当全部状态信息采用视觉传感进行采集并进行处理时, 产生的计算时间将严重影响控制系统性能甚至造成系统失稳, 为此国内外学者已开始考虑计算时间研究倒立摆视觉伺服控制.第二类考虑图像处理计算时间的倒立摆视觉伺服控制.例如文献[20]对直线一级倒立摆视觉图像计算小车位移和摆杆偏角时, 计算时间高达60 ms, 为此采用Smith预估算法进行时延补偿并实现了稳定控制.文献[21]将对直线一级倒立摆视觉图像处理产生的计算时间当作定时滞处理实现了稳定控制.以上初步研究了图像处理计算时间对倒立摆稳定控制影响, 但是它直接影响采样策略与系统性能, 故不能简单地将其看作普通时延, 亟需对视觉传感采样策略、计算时间特性及系统性能开展深入研究.

另外, 在倒立摆实时控制实验过程中进一步发现, 由于背景、光照及实验环境等导致视觉传感采集的图像带有噪声, 使得在计算小车位移和摆杆偏角过程中不可避免地产生计算误差, 这对倒立摆控制系统性能也具有较大影响.然而目前关于视觉伺服控制系统研究成果中鲜有考虑图像处理计算误差, 因此深入分析图像处理计算误差特性及其对系统稳定性能的影响非常重要.

本文聚焦于倒立摆视觉稳定控制中图像处理带来的时变计算时间和计算误差影响控制系统性能甚至稳定性问题, 深入开展倒立摆视觉稳定控制研究, 主要贡献包括: 1)创新设计了新型的倒立摆视觉伺服控制实验平台, 设计了一种基于事件触发机制的工业图像采集策略, 提出了考虑小车和摆杆特征的小车位移和摆杆偏角计算方法, 并统计分析了图像处理计算时间和计算误差特性; 2)建立了融合计算时间和计算误差的闭环控制系统模型, 理论证明系统的稳定性并建立了反映计算时间与系统稳定性能之间关系, 给出了系统对计算误差的H∞扰动抑制水平γ和H∞控制器设计方法.

图 1  倒立摆视觉伺服控制实验平台结构

图 2  倒立摆视觉伺服控制系统控制框图

图 3  视觉传感测量过程

本文主要研究带有时变图像处理计算时间和计算误差的倒立摆视觉伺服实时控制问题.首先研究设计了一种网络化倒立摆视觉伺服控制实验平台, 提出了小车位移和摆杆偏角的视觉传感测量实时计算方法, 并统计分析了图像处理计算时间和计算误差特性, 建立了带有时变计算时间和计算误差的倒立摆视觉控制系统闭环模型, 证明了系统稳定性并建立了反映图像处理计算时间与系统稳定性能之间的关系且给出了系统对计算误差的扰动抑制水平, 并进行了H∞控制器设计.与目前不考虑计算时间和计算误差或将计算时间视为定时滞进行研究倒立摆视觉实时控制方法相比[18-21], 本文提出的带时变计算时间和计算误差的倒立摆视觉控制研究更加具有优势.另外, 本文研究内容可进一步拓展到双并联倒立摆视觉伺服控制系统, 这是后续一项十分有价值的研究工作.

作者简介

占国华

上海大学机电工程与自动化学院硕士研究生.主要研究方向为网络化先进控制.E-mail:guohua361108@163.com

李汪佩   

上海大学机电工程与自动化学院硕士研究生.主要研究方向为机器视觉及网络化先进控制.E-mail:lwp15971862501@163.com

费敏锐  

上海大学机电工程与自动化学院教授.主要研究方向为网络化控制系统及实现.E-mail:mrfei@stafi.shu.edu.cn

周文举   

上海大学机电工程与自动化学院特聘研究员.主要研究方向为机器视觉及网络化先进控制.E-mail:zhouwenju2004@126.com

杜大军     

上海大学机电工程与自动化学院教授.主要研究方向为机器视觉与网络化先进控制.本文通信作者.E-mail:ddj@shu.edu.cn