專利名稱：倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)科研與教學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種能通過遠(yuǎn)程實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行倒立擺實(shí)驗(yàn)的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高等教育中許多理論和技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)需要實(shí)驗(yàn)演示以增強(qiáng)形象性效果 和形象性驗(yàn)證。倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的不穩(wěn)定的、高階次、多變量、 強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，是進(jìn)行自動控制理論教學(xué)及開展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想
實(shí)驗(yàn)平臺。對倒立擺系統(tǒng)的研究能有效的反映控制中的許多典型問題如非 線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題以及跟蹤問題等。然而，由于 學(xué)生理論課程安排較滿，能夠選做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間非常有限，同時(shí)倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè) 備比較昂貴，維修費(fèi)時(shí)，資源有限。由此可見，倒立擺實(shí)驗(yàn)的效果、學(xué)生的 學(xué)習(xí)熱情與現(xiàn)有的設(shè)備資源、實(shí)驗(yàn)可選做時(shí)間之間形成了明顯的矛盾。
計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了強(qiáng)有力的輔助。隨 著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)也得到快速發(fā)展為實(shí)驗(yàn) 教學(xué)提供了新的廣闊途徑。計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要涉及軟件技術(shù)、多々某體 技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)等。但現(xiàn)有的技術(shù)存在交互 性差、缺乏物理現(xiàn)實(shí)的真實(shí)形象感等不足之處，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基 礎(chǔ)上，在采用遙控遙測技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，這樣幾項(xiàng) 功能組合應(yīng)用中，還存在諸多關(guān)鍵問題，有待開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中儀器資源與學(xué)生需求之間存在的日益加 劇的矛盾，提高遠(yuǎn)程教育的水平，在原實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合遠(yuǎn)程控制 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，針對教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求和 特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)低成本、方便的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括至少一個(gè)倒立擺系統(tǒng)、至少一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器、至少一個(gè)遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系
統(tǒng)和視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于
所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于連接所述遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)與所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器；所 述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器連接到所述倒立擺系統(tǒng)，為所述遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)提供遠(yuǎn)程 訪問服務(wù)，以進(jìn)行倒立擺實(shí)驗(yàn)的軟件仿真和對所述倒立擺系統(tǒng)的控制，并將
軟件仿真結(jié)果和倒立擺實(shí)時(shí)控制狀態(tài)的視頻圖像返回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)；所述
遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)通過所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送對所述倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行控制的 控制命令，并顯示從所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器接收的軟件仿真結(jié)果和倒立擺實(shí)時(shí)
控制狀態(tài)的視頻圖像；以及所述視頻傳輸系統(tǒng)與所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器連接， 實(shí)時(shí)地拍攝所述倒立擺系統(tǒng)運(yùn)行的視頻圖像，并將所拍攝到的視頻圖像通過 所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。
優(yōu)選地，所述視頻傳輸系統(tǒng)包括攝像頭和視頻傳輸軟件，所述攝像頭實(shí) 時(shí)地拍攝所述倒立擺系統(tǒng)運(yùn)行的視頻圖像，視頻傳輸軟件將所拍攝到的視頻 圖像通過所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。
優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是因特網(wǎng)或局域網(wǎng)。
優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)一步包括用于從倒立擺系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)參 數(shù)并向倒立擺系統(tǒng)傳送控制命令的數(shù)據(jù)采集卡。
優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器基于Matlab軟件平臺和Simulink仿真軟件， 所述用戶計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器后，利用實(shí)時(shí)工 具箱、Matlab實(shí)時(shí)窗口目標(biāo)工具箱和MatlabSimulink仿真工具，通過所述數(shù) 據(jù)采集卡控制倒立擺系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種倒立擺系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法，包括以 下步驟使用遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)登錄到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器；遠(yuǎn)程用 戶計(jì)算機(jī)通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)置倒立擺控制參數(shù)并進(jìn)行倒立擺系統(tǒng)仿真； 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器將倒立擺系統(tǒng)仿真結(jié)果返回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù) 器根據(jù)控制命令控制倒立擺系統(tǒng)；以及實(shí)時(shí)地拍攝倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)并將所 拍攝到的視頻圖像通過視頻服務(wù)器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。
優(yōu)選地，所述控制命令是由遠(yuǎn)程用戶通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服 務(wù)器的。
優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器基于Matlab軟件平臺和Simulink仿真軟件， 所述用戶計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器后，利用實(shí)時(shí)工具箱、Matlab實(shí)時(shí)窗口目標(biāo)工具箱和Matlab Simulink仿真工具，通過數(shù)據(jù)采 集卡控制倒立擺系統(tǒng)。
優(yōu)選地，倒立擺系統(tǒng)視頻圖像是通過攝像頭拍攝并且通過視頻傳輸軟件 傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)的。
本發(fā)明采用的以上的技術(shù)方案，使遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)時(shí)無需借 助實(shí)驗(yàn)室工作人員的幫助，即可在異地使用個(gè)人計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)就能對實(shí)驗(yàn) 室中的倒立擺進(jìn)行控制，完成整個(gè)倒立擺實(shí)驗(yàn)(包括軟仿真和硬件在環(huán)部分 的實(shí)驗(yàn))，并能在個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)觀看實(shí)驗(yàn)過程中的倒立擺系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn) 行狀態(tài)的畫面。從而可以實(shí)現(xiàn)與實(shí)^^室實(shí)^r相同的真實(shí)的實(shí)-瞼體^r，讓學(xué)生 對倒立擺系統(tǒng)有更深入和直觀的理解。本發(fā)明所述倒立擺系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)實(shí) 驗(yàn)的時(shí)間和空間限制，使有限的實(shí)驗(yàn)室資源得到最大限度的利用，提高了實(shí) 驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意框圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意框圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第 一 實(shí)施例的倒立擺系統(tǒng)的示意圖。
圖4示出了圖2所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)具體示例。
圖5示出了在根據(jù)圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算
機(jī)上顯示的倒立擺軟仿真結(jié)果的計(jì)算機(jī)屏幕截圖。
圖6示出了在才艮據(jù)圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算
機(jī)上觀看倒立擺自動起擺過程的視頻圖像的計(jì)算機(jī)屏幕截圖。
圖7示出了在根據(jù)圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算
機(jī)上觀看倒立擺在控制器的控制下穩(wěn)定在垂直狀態(tài)的視頻圖像的計(jì)算機(jī)屏幕截圖。
圖8示出了利用本發(fā)明的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā) 明的第 一實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖1,倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)100包括至少一個(gè)遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)101、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 102、至少一個(gè)連接有攝像頭103的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器104以及至少一個(gè)倒立擺 實(shí)驗(yàn)平臺105。如圖1所示，遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)101通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)102登錄到 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器104，進(jìn)而對倒立擺進(jìn)行軟仿真并且實(shí)時(shí)控制倒立擺實(shí)驗(yàn)平 臺105。遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)101的使用者還可以通過攝像頭103捕獲倒立擺實(shí) 驗(yàn)平臺105的實(shí)時(shí)操作畫面，對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行可視觀察。下面將結(jié)合圖 2具體描述倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)100中各組成部分的功能和詳細(xì)操作。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)200的示意框 圖。參考圖2，本發(fā)明的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)200包括遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)201、 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)202、實(shí)驗(yàn)服務(wù)器203、倒立擺系統(tǒng)204和攝像頭205。其中，網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)202用于連接遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)201與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器203并提供二者之間的 通訊。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)202可以是因特網(wǎng)、局域網(wǎng)等適 于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏尉W(wǎng)絡(luò)類型。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，遠(yuǎn)程用戶計(jì)算 機(jī)201與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器203可以有線或無線連接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)202。實(shí)驗(yàn)服務(wù)器 203包括倒立擺仿真模塊以及倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模塊(將在下面的圖4中 進(jìn)行詳細(xì)描述)。實(shí)驗(yàn)服務(wù)器203為遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)201提供遠(yuǎn)程訪問服務(wù)， 并通過倒立擺仿真模塊以及倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模塊對倒立擺系統(tǒng)204進(jìn)行 軟件仿真和實(shí)時(shí)控制，然后將軟件仿真結(jié)果和倒立擺實(shí)時(shí)控制狀態(tài)的視頻圖 像返回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)201 。實(shí)驗(yàn)服務(wù)器203還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)206。數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)206用于采集倒立擺系統(tǒng)204的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，將參數(shù)反饋給實(shí)驗(yàn)服務(wù) 器203中的倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模塊，進(jìn)而對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。根 據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)206可以是固高公司的數(shù)據(jù)采集卡。 如圖2所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)200還包括用于捕獲倒立擺實(shí)時(shí)圖像并將 圖像傳送回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)201的視頻傳輸系統(tǒng)(圖2中未示出)。視頻傳 輸系統(tǒng)包括攝像頭205和視頻傳輸軟件。攝像頭205與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器203 連接，實(shí)時(shí)地獲取倒立擺系統(tǒng)204運(yùn)行的視頻圖像，然后視頻傳輸軟件將所 拍攝到的視頻圖像通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器203經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)202傳輸?shù)讲?shí)時(shí)顯 示在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)201上。
參考圖2，實(shí)驗(yàn)者(例如，學(xué)生)利用遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)201經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 202遠(yuǎn)程登錄到與倒立擺系統(tǒng)204相連的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器203,通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 服務(wù)器203安裝的的數(shù)據(jù)采集卡206發(fā)送對倒立擺系統(tǒng)204進(jìn)行控制的控制命令，并實(shí)時(shí)顯示從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器203接收的軟件仿真結(jié)果和倒立擺實(shí)時(shí)
控制狀態(tài)的視頻圖像。
圖4示出了圖2所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400的一個(gè)具體示例。如圖4所示，本發(fā)明的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400包括遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)402、實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403、倒立擺系統(tǒng)405(即，被控物理對象)和攝像頭406。其中，使用者(例如，做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生)可以利用遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401登錄到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403上進(jìn)行倒立擺實(shí)驗(yàn)。在這里，遠(yuǎn)程用戶不需要安裝用于操控倒立擺系統(tǒng)的軟件程序(例如，MATLAB軟件)，僅通過遠(yuǎn)程登錄倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403就可以完成整個(gè)倒立擺實(shí)驗(yàn)(包括軟仿真和硬件在環(huán)部分的實(shí)驗(yàn))。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)402用于連接遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403并提供二者之間的通訊。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)402可以是因特網(wǎng)、局域網(wǎng)等適于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏尉W(wǎng)絡(luò)類型。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403可以有線或無線連接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)402。
如圖4所示，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403是基于計(jì)算、繪圖和仿真功能強(qiáng)大的Matlab軟件平臺(作為matlab網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器)以及裝有PHP模塊的Apache HTTP服務(wù)器(作為Web服務(wù)器)平臺的。實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403包括倒立擺仿真模塊以及倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模塊。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403的倒立擺仿真模塊主要包括MATLAB網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和Simulink仿真軟件，用于對實(shí)驗(yàn)中的倒立擺系統(tǒng)405進(jìn)行軟件仿真。并且，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403的倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模塊主要包括RTW ( Real-time Workshop )工具箱、MATLAB實(shí)時(shí)窗口目標(biāo)工具箱和MATLAB Simulink仿真工具，其通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)404來實(shí)時(shí)控制倒立擺系統(tǒng)405。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)404可以是固高公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡。在這里，通過CGI (公共網(wǎng)關(guān)接口 )技術(shù)和MATLAB網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，遠(yuǎn)程用戶也可以將自己編制好的Matlab M文件上傳至實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403的Matlab網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，其中M文件是倒立擺仿真系統(tǒng)中控制算法模塊的參數(shù)，通過simulink仿真軟件能實(shí)時(shí)地將仿真結(jié)果返回到遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401 (圖5示出了在倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400中，在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401上顯示的倒立擺軟仿真結(jié)果的計(jì)算機(jī)屏幕截圖)。
圖4所示的倒立擺系統(tǒng)405采用直線倒立擺。如圖3所示，倒立擺系統(tǒng)405.包括由擺桿301、伺服電機(jī)302、光電碼盤303、小車304組成的閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)404與伺服電機(jī)302連接，用于控制倒立擺系統(tǒng)405的操作。
圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400還包括視頻傳輸系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖4中倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400的視頻傳輸系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器可采用與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403相連接的攝像頭406和Windows操作系統(tǒng)自帶的Microsoft NetMeeting構(gòu)建，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403同時(shí)也作為視頻服務(wù)器與攝像頭406交互。
通過圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400，遠(yuǎn)程用戶在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401上搡作即可完成整個(gè)倒立擺實(shí)驗(yàn)(包括軟仿真和硬件在環(huán)部分)。
下面將結(jié)合圖8和圖4來描述根據(jù)本發(fā)明的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。
如圖8所示，倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法開始于步驟801。在步驟801處，遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)登錄到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器上。例如，在圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體示例中，遠(yuǎn)程用戶通過遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)402遠(yuǎn)程登錄到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403的Web服務(wù)器上，選擇進(jìn)入Matlab軟件界面下的倒立擺實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入倒立擺實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)。然后，在圖8的步驟802處，遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)通過實(shí)驗(yàn)服務(wù)器設(shè)置倒立擺控制參數(shù)并進(jìn)行倒立擺系統(tǒng)仿真。并且在圖8的步驟803處，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403將倒立擺系統(tǒng)仿真結(jié)果返回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。例如，在圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體示例中，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403利用Simulink仿真軟件建立倒立擺系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)置仿真系統(tǒng)的控制算法模塊即控制器的參數(shù)，通過該控制參數(shù)對倒立擺仿真系統(tǒng)中的小車速度和加速度進(jìn)行控制，并對倒立擺系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過軟件界面中的虛擬示波器模塊觀察從服務(wù)器返回的仿真結(jié)果并對相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。遠(yuǎn)程用戶也可以將自己編制好的Matlab M文件上傳至實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403的Matlab服務(wù)器，其中該M文件中是倒立擺仿真系統(tǒng)中控制算法模塊的參數(shù)，通過simulink仿真軟件能實(shí)時(shí)地將仿真結(jié)果返回到遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401(圖5示出了在圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400中，在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401上顯示的倒立擺軟仿真結(jié)果的計(jì)算機(jī)屏幕截圖)。
然后在圖8的步驟804處，遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)發(fā)送控制命令到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器通過控制系統(tǒng)控制倒立擺系統(tǒng)，同時(shí)，與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器相連接的攝像頭實(shí)時(shí)地拍攝并將所拍攝的倒立擺系統(tǒng)狀態(tài)的視頻圖像通過視頻服務(wù)器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。例如，在圖4所示的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體示例中，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403對遠(yuǎn)程用戶上傳的M文件中的控制器參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，判斷其是否滿足實(shí)驗(yàn)要求，如果滿足，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403采用實(shí)時(shí)控制技術(shù)，應(yīng)用Matlab平臺下的Real-time Workshop工具箱、Matlab實(shí)時(shí)窗口目標(biāo)工具箱和Matlab Simulink仿真工具，通過數(shù)據(jù)采集卡404操作倒立擺系統(tǒng)405。光電碼盤將小車304的位移和速度信號以及擺桿301的位置和速度信號等反饋給伺服機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)釆集卡404;實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403從數(shù)據(jù)采集卡404中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定控制決策(小車304向哪個(gè)方向移動、移動速度、加速度等)，并由數(shù)據(jù)采集卡404來實(shí)現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使伺服電機(jī)302轉(zhuǎn)動，帶動小車304運(yùn)動，從而保持?jǐn)[桿301平衡。在實(shí)驗(yàn)過程中，與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403連接的攝像頭406對倒立擺系統(tǒng)405的運(yùn)行狀況(包括小車304的位置和擺桿301的角度等)進(jìn)行拍攝，并通過實(shí)驗(yàn)服務(wù)器403經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)402將所拍攝的圖像實(shí)時(shí)地傳回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401,在實(shí)驗(yàn)用戶401上可以通過實(shí)驗(yàn)軟件平臺下集成的Windows自帶的Netmeeting視頻窗口查看倒立擺系統(tǒng)405實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀況，如小車304的位置和擺桿301的角度(圖6和圖7分別示出了在倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)400中，在遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)401上觀看倒立擺自動起擺過程和倒立擺在控制器的控制下穩(wěn)定在垂直狀態(tài)的視頻圖像的計(jì)算機(jī)屏幕截圖)，從而檢驗(yàn)上傳的控制器參數(shù)是否能很好地控制倒立擺的實(shí)際系統(tǒng)，如果效果不佳，則遠(yuǎn)程用戶可調(diào)整控制器的參數(shù)重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以得到能滿足響應(yīng)指標(biāo)的控制器。
盡管本發(fā)明上述較佳實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器是基于Matlab軟件平臺進(jìn)行倒立擺系統(tǒng)的仿真和控制，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉，對倒立擺系統(tǒng)的仿真和控制的軟件平臺并僅不限于上述軟件，也可以采用其它軟件平臺實(shí)現(xiàn)。此外，除了 Netmeeting之外，本發(fā)明也采用其它網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸軟件實(shí)現(xiàn)視頻圖像的傳輸。
本發(fā)明的倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作簡單安全，人機(jī)界面友好，可以通過網(wǎng)絡(luò)為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)用戶提供不受時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺的問題，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)硬件資源的最大利用，有助于提高實(shí)驗(yàn)效果。
盡管參照本發(fā)明的上述較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，應(yīng)該理解，在本發(fā)明的上述引導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種改進(jìn)和變形，而這些改進(jìn)或者變形落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，上面的具體描述只是為了解釋本發(fā)明的目的，并非用于限制本發(fā)明。因此，本發(fā)明的思想并不限定于以上說明的實(shí)施例，本發(fā)明的思想范疇不僅包括權(quán)利要求書記載的范圍，還包括與權(quán)利要求等同或者等價(jià)的變形。
權(quán)利要求
1. 一種倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括至少一個(gè)倒立擺系統(tǒng)、至少一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器、至少一個(gè)遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于連接所述遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)與所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器；所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器連接到所述倒立擺系統(tǒng)，為所述遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)提供遠(yuǎn)程訪問服務(wù)，以進(jìn)行倒立擺實(shí)驗(yàn)的軟件仿真和對所述倒立擺系統(tǒng)的控制，并將軟件仿真結(jié)果和倒立擺實(shí)時(shí)控制狀態(tài)的視頻圖像返回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)；所述遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)通過所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送對所述倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行控制的控制命令，并顯示從所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器接收的軟件仿真結(jié)果和倒立擺實(shí)時(shí)控制狀態(tài)的視頻圖像；以及所述視頻傳輸系統(tǒng)與所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器連接，實(shí)時(shí)地拍攝所述倒立擺系統(tǒng)運(yùn)行的視頻圖像，并將所拍攝到的視頻圖像通過所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻傳輸系統(tǒng)包 括攝像頭和視頻傳輸軟件，所述攝像頭實(shí)時(shí)地拍攝所述倒立擺系統(tǒng)運(yùn)行的視 頻閨像，視頻傳輸軟件將所拍攝到的視頻圖像通過所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)所 述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是因特 網(wǎng)或局域網(wǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器 進(jìn)一步包括用于從倒立擺系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)參數(shù)并向倒立擺系統(tǒng)傳送控制命令的 數(shù)據(jù)采集卡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器 基于Matlab軟件平臺和Simulink仿真軟件，所述用戶計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn) 程登錄所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器后，利用實(shí)時(shí)工具箱、Matlab實(shí)時(shí)窗口目標(biāo)工具 箱和Matlab Simulink仿真工具，通過所述數(shù)據(jù)采集卡控制倒立擺系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以是 因特網(wǎng)或局域網(wǎng)。
7. —種倒立擺系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟使用遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)登錄到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器；遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)置倒立擺控制參數(shù)并進(jìn)行倒立擺系統(tǒng)仿真；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器將倒立擺系統(tǒng)仿真結(jié)果返回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)； 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器根據(jù)控制命令控制倒立擺系統(tǒng)；以及 實(shí)時(shí)地拍攝倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)并將所拍攝到的視頻圖像通過視頻服務(wù)器 傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。
8. 如權(quán)利要求7所述的倒立擺系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法，其中，所述控制命令 是由遠(yuǎn)程用戶通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的倒立擺系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法，其中，所述實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)服務(wù)器基于Matlab軟件平臺和Simulink仿真軟件，所述用戶計(jì)算機(jī)通過網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器后，利用實(shí)時(shí)工具箱、Matlab實(shí)時(shí)窗口 目標(biāo)工具箱和Matlab Simulink仿真工具，通過數(shù)據(jù)采集卡控制倒立擺系統(tǒng)。
10. 如權(quán)利要求7所述的倒立擺系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法，其中，倒立擺系統(tǒng) 視頻圖像是通過攝像頭拍攝并且通過視頻傳輸軟件傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī) 的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種倒立擺遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括倒立擺系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器、遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和視頻傳輸系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于連接遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器連接倒立擺系統(tǒng)，進(jìn)行倒立擺系統(tǒng)的軟件仿真和控制，并將仿真結(jié)果和倒立擺視頻圖像返回遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行控制的控制命令，并顯示從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器接收的軟件仿真結(jié)果和倒立擺實(shí)時(shí)控制狀態(tài)的視頻圖像。視頻傳輸系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器連接，實(shí)時(shí)地拍攝倒立擺系統(tǒng)運(yùn)行的視頻圖像，將所拍攝到的視頻圖像傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間限制，使有限的實(shí)驗(yàn)室資源得到最大限度的利用。
文檔編號G06F19/00GK101464930SQ20091000109
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者李小蘭, 峻 王, 趙世敏 申請人:清華大學(xué)