交互式控制（精选11篇）
交互式控制 篇1
0 引 言
控制系统设计的高效稳定数值算法以及软件开发越来越受到重视[1]。目前控制理论与控制工程领域的科研人员, 尤其是在高校等以学术研究为主的广大科研人员、工程师大量采用MATLAB控制工具箱、SLICOT[2]等软件进行控制系统分析、设计及仿真。作为计算机辅助控制系统设计工具, 这些控制系统软件一方面体现了控制系统设计中应用数学和数值分析方法的研究成果, 另一方面也确实解决了许多科研和工程中所面临的控制系统分析、设计及仿真问题。
虽然控制理论和数值算法在不断发展、更新, 但MATLAB的控制工具箱以及SLICOT等计算机辅助控制系统设计软件仍然以无限长时间控制问题为主, 着重于定常控制器的设计。实际上, 定常控制器有时很难适应科技领域新问题的需求, 例如:卫星编队队形的重构和保持、精确制导武器的控制等, 因为这些控制问题需要设计有限长时间时变控制器。针对上述问题, 以多年来的理论研究成果为基础, 大连理工大学钟万勰院士领导的研究团队在MATLAB平台上开发了“基于精细积分的 (最优) 控制系统设计程序包”, 其主要功能包含了有限长时间和无限长时间区段的最优控制和滤波以及控制系统的仿真。
基于精细积分的 (最优) 控制系统设计程序包PIMCSD有两种版本:MATLAB版本和C++版本。其中以MATLAB语言编写的程序包可以嵌套在MATLAB中, 程序编写十分灵活、方便。但对于不太熟悉MATLAB编程语言的用户来说, 使用起来也有不便之处。为了使控制系统设计人员能够集中精力于问题本身, 并更加直观形象地使用PIMCSD, 钟万勰院士领导的团队又基于MATLAB的GUI技术开发出一套交互式界面最优控制系统设计与仿真软件PIMCSD, 更为方便实用。其主要功能包含有限长时间线性二次 (LQ) 最优控制和有限长时间H∞控制。下面以一个线性二次硬终端约束控制器的设计与仿真为例, 对此软件进行介绍。
1 有限长时间线性二次 (LQ) 最优控制
线性二次最优控制理论体系到目前已经发展得比较完善, 而且在实际工程中得到了广泛应用。交互式界面软件PIMCSD在线性二次最优控制理论的基本框架下主要包含了:滤波、状态反馈、LQG综合。具体的功能分类如图1所示。
从图1中可以看到滤波功能的实现比较全面, 包含前向方差滤波 (Kalman-Bucy滤波) 、前向信息滤波、反向方差滤波、反向信息滤波。在文献[4]中, Bryson对这些滤波有详细的描述。状态反馈的具体内容则包含了软终端控制器、硬终端控制器、跟踪问题, 同样Bryson在文献[3]中有详细的描述。PIMCSD还针对LQG综合问题给出了新增加的LQG软终端控制器、LQG硬终端控制器、LQG跟踪系统设计等功能。以状态反馈中有限长时间终端控制器设计为例, 在交互式界面软件PIMCSD中的分类显示如图2所示。
图2中的菜单栏中显示了PIMCSD软件的主要功能选项:LQ、Hinf、Equation、Advanced等。其中Equation部分主要提供控制系统中常见的矩阵方程的求解:包括代数/微分Riccati方程、代数/微分Lyapunov方程、矩阵指数的计算等。而Advanced菜单只是形式上地给出并未具体实现, 主要是留出程序接口为以后求解非线性最优控制、时滞系统最优控制等各种专题做好准备。而PIMCSD软件的主体界面从图2中也可以看出主要分为左、右两部分, 其中左上部分包含图1中第三层次功能的实现, 图2是以状态反馈选项下的三种终端控制器来说明的。左下部分用以区分连续系统还是离散系统。右半部分是对具体所选功能的一个简单数学描述, 帮助用户熟悉使用PIMCSD软件。
由于交互式界面软件PIMCSD所包含的具体控制器设计方法多种多样, 数学上的描述不统一, 所以不方便在同一个主界面下进行控制器的设计与仿真。针对不同控制器的设计方法分别以子界面的形式显示, 这样就可以达到针对不同的问题在不同的子界面分别独立完成控制器设计与仿真的目的。例如在图2中选定Soft terminal controller后, 点击Next按钮就得到了如图3所示的连续LQ软终端控制器设计与仿真的单独子界面。
图3中包含了Model、Design and Simulation、Plot-options 3个属性页, 是按照一般控制器设计与仿真的操作流程设计的。首先在Model属性页界面中进行控制系统数学模型的建立, 对于大规模或实际工程问题直接从Read from FILE按钮读入数据文件, 而教学演示的时候可以直接在当前提示窗口中输入数据。在图3中最下面有Show Architecture、Design Store、Help三个选项按钮, 分别描述了控制器设计的结构组成、控制器设计与仿真重要数据结果的输出、简要的操作提示与帮助功能, 如图4所示。
然后在Design and Simulation属性页中进行控制器的设计、输入仿真功能所需参数并进行程序计算, 如图5所示。图5是一个终端控制器的设计与仿真界面, 通过选择参数Qd、Rd、Nd、Qf进行控制器的设计, 还可以选择噪声w (k) 等进行仿真。
最后在Plot-options属性页中进行图形输出参数设定, 以可视化的方式查看设计与仿真的效果, 如图6所示。当然在设定好图形输出参数以后, 每次修改控制器参数或仿真参数可直接在Design and Simulation属性页中查看输出图形, 不必再在Plot-options属性页中进行可视化图形输出参数设定。
2 有限长时间H∞控制
H∞控制理论的发展经历了基于传递函数描述求解和在状态空间描述上直接进行设计两个阶段。MATLAB控制工具箱内的H∞控制设计函数基本上都是针对时域内无限长时间控制问题的设计方法。而有限长时间H∞控制系统设计问题相对复杂、困难[6,7]。在交互式界面软件PIMCSD中提供了有限长时间H∞控制系统设计及仿真算法, 为迫切需要有限长时间H∞控制系统设计的实际工程问题提供了强有力的计算机辅助控制系统设计工具。
图7主要说明了在PIMCSD软件中有限长时间H∞控制系统设计及仿真所包含的具体功能。在图2中的主界面菜单栏中选择Hinf选项即可进入到有限长时间H∞控制系统设计及仿真功能选项。其子界面设计模式与LQ控制子界面模式类似, 主要分为Model、Design、Simulation三个属性页。其中在Model属性页中主要进行控制系统模型的描述与建立。Design属性页包含了有限长时间H∞控制临界参数γ-2的选择, 如图8所示。在Simulation属性页中可以选择不同种类的噪声, 用以测试H∞控制器的各种响应及效果, 如图9所示。
3 软件操作实例
以上主要介绍了交互式界面软件PIMCSD的主要功能, 为了方便熟悉使用本软件, 下面以连续LQ终端控制器为例进行控制器的设计与仿真的演示。所谓终端控制器就是通过控制器的作用, 在有限长时间内使系统能够达到期望的终端状态。其操作步骤、流程描述如下:
1) 在MATLAB命令窗口中输入pimcsdtool命令, 即可得到如图2所示的主界面窗口。
2) 在主界面窗口菜单LQ下选择State-Feedback—>Hard Terminal Controller, 即可得到如图3所示的子界面窗口。首先建立控制系统的数学模型, 有两种读入模型数据的方式:通过数据文件—>Read from FILE, 直接在子界面窗口输入—>Read from current workspace, 确定系统模型数据—>Update Data如果想再次修改模型数据可再次单击Update Data按钮。
3) 进入Design and Simulation属性页完成控制器的设计与仿真, 如图5所示。选择适合的Qd, Rd, Nd, Qf加权矩阵设计LQ硬终端控制器。也可以输入噪声进行仿真, 单击—>Design and Simulation按钮即可完成设计与仿真过程。
4) 查看控制器设计与仿真的效果图。进入Plot-Options属性页, 选择需要查看的控制输入、状态轨迹、反馈增益等, 单击—>Plot Analysis按钮, 即可输出图形结果, 如图6所示。
5) 最终连续LQ硬终端控制器设计与仿真的结果如图10、图11所示。
4 结 论
本文主要介绍了交互式界面软件PIMCSD在线性二次 (LQ) 最优控制、H∞鲁棒控制方面的设计与仿真功能。并通过一个具体的LQ硬终端控制器的设计与仿真算例演示了软件的使用方法和流程。PIMCSD软件提供了MATLAB所不具备的许多控制系统设计和仿真功能, 可作为科研人员和工程师的计算机辅助控制系统设计软件, 同时也可以作为辅助教学软件帮助学生深入理解和掌握控制系统设计的理论和数值方法, 并方便地进行系统设计实践工作。
摘要：在现有精细积分 (最优) 控制系统设计工具箱PIMCSD (Precise Integration Method-Control System Design) 的基础上, 采用MATLAB的GUI技术开发了交互式界面软件PIMCSD, 其主要功能包含有限长时间线性二次最优控制系统和H∞鲁棒控制系统的设计与仿真。以一个具体的线性二次硬终端约束控制器的设计与仿真为例, 介绍了PIMCSD软件的具体操作使用步骤, 也演示了交互式界面软件PIMCSD使用方便、简单易学的特点。
关键词：计算机辅助控制系统设计,精细积分,最优控制,H∞,鲁棒控制,时变控制器
参考文献
[1]Varga A.Numerical awareness in control.IEEE control system maga-zine, February, 2004:14-17.
[2]Van Huffel S, Sima V, Varga A.Sven Hammarling, Francois Delebec-que.High-performance numerical software for control.IEEE control sys-tems magazine, February, 2004:60-76.
[3]Bryson A E.Dynamic optimization.California:Addison Wesley, 1999.
[4]Bryson A E.Applied linear optimal control:examples and algorithms.Cambridge:Cambridge University Press, 2002.
[5]钟万勰.计算结构力学与最优控制[M].大连:大连理工大学出版社, 1993.
[6]吴志刚.线性鲁棒控制的理论与计算[M].大连:大连理工大学出版社, 2003.
[7]钟万勰, 吴志刚, 谭述君.状态空间控制理论与计算[M].北京:科学出版社, 2007.
[8]谭述君, 钟万勰.基于精细积分的 (最优) 控制系统设计程序包[J].计算机应用与软件, 2007 (24) :165-169.
交互式控制 篇2
1.专家审核
*针对问卷的内容，使项目与需求点之间的关系达到最佳。
评定内容
*所设置的问题与所研究的主题密切相关
*题目应清楚，无歧义
*尽量不要使用带有倾向性的问题
*所提出的问题应为被调查者能够回答的问题
*尽量不提带有社会压力的问题
*所提问题应尽量具体
*对某些不易理解的问题应尽量作些简单解释
*询问回答者的切身体验比普遍提法要好
*采用多种方式减轻问题可能给回答者带来的社会压力
计分方法
*4~5名专家独立评定，半数以上人通过的项目才能使用
*对于评定不通过的进行修改
2.内部测试
*针对问卷用语、形式。4~5人，被试参与设计，可以采用的一些问题：
你对整个问卷感觉怎样?
当你说“……”时你心里是怎样想的?
这个问题如果这样问，你会怎样回答?
如果这样问“……”你回答起来会有什么困难吗?
3.外部试测
*正式的预测，200人，被试不参与设计，初步分析问卷的结果，及早发现问题。这里针对不同的问卷，侧重于不同方面。
有结构的问卷
*信度分析
例如：科隆巴哈α低于0.5的项目进行修改。
*效度分析
问卷反映的是要测量的内容，有多种效度。如：结构效度，效标效度等。
无结构的问卷
交互式控制 篇3
关键词：无人机；操作训练；虚拟仿真；Pro/E；3DS MAX；Cult 3D
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1674-098X(2011)03(a)-0000-00
长期以来，无人机装备的操作训练一般依赖于实装开展，受到场地、人员、装备维护保养的限制，具有效率低、代价高、训练内容片面的弊端。利用虚拟仿真训练系统进行无人机操作训练，能够有效克服实装训练中存在的问题，且经济、智能、可重用，具有广阔的应用前景。
无人机虚拟仿真三维交互模型作为用户训练中的直接操作对象，对整个虚拟仿真训练系统起着至关重要的作用，必须具备逼真的外观形象和强大的交互功能，其设计实现涉及到计算机仿真与虚拟现实的相关技术和结合机制问题。采用Pro/E、3DS MAX及Cult 3D软件相结合的形式，利用三者之间的兼容性进行优势互补，是解决上述问题的有效途径[1-4]。在分别运用Pro/E和3DS MAX对无人机实现精确建模和动画模拟的基础上，借助Cult 3D进一步实现模型的交互功能，能够有效确保无人机虚拟仿真三维交互模型的逼真度、沉浸感和可控性，对提高无人机虚拟仿真训练系统的训练实效具有重要意义。
1 无人机三维实体模型的建立
由于Cult 3D本身没有仿真建模功能，3DS MAX难以实现精确三维建模，故无人机三维实体仿真模型需借助Pro/E软件来建立[5]。Pro/E是美国PIE公司推出的一款CAD/CAM/CAE集成解决方案，是目前应用最为广泛的工业仿真设计软件之一。它采用设置特征参数的建模方式，使用参数来描述零部件的形状、尺寸和属性，所建三维模型的精度较高。图1所示为基于Pro/E软件建立的无人机某零件三维模型。
考虑到在无人机操作训练中，涉及大量的零部件的拆卸组装以及配合运动过程，无人机三维实体模型的建立采用拼接法，即先建立各个零部件的独立模型，再组装成整体，具体过程为：首先，对无人机所含零部件进行数量统计和尺寸测量，并予以标识；其次，根据统计数据和测量参数，使用Pro/MOLDESIGN模块创建各个零部件的三维模型，并予以修改和完善。所建立的单个零件模型要进行规范的命名编号，以方便后期的合成组装；再利用Pro/ASSEMBLY模块将所有零部件进行组装，形成无人机整体模型；最后将Pro/E生成的*.prt文件导出为*.stl格式文件。
图1 基于Pro/E软件建立的无人机某零件三维模型
2 无人机模型的渲染和动画设计
3DS MAX是Autodesk公司推出的一款三维动态仿真软件[6]，具有强大的材质编辑功能，能细腻模拟实物的质地和纹理，在合理的灯光效果下可以渲染出逼真的视觉效果，给用户带来强烈的沉浸感。3DS MAX的动画设计通过设置关键帧参数实现，操作方便简洁，且几乎任何参数都可作为关键帧参数，能够生成多种复杂动画[7]。3DS MAX与Pro/E相兼容，能够对其生成的无人机三维模型进行渲染加工和动画设计，从而弥补Pro/E软件的不足。图2所示为基于3DS MAX软件制作的无人机装配三维动态模型。
（a）无人机装配图1
（b）无人机装配图2
图2 基于3DS MAX建立的无人机装配三维动态模型
利用3DS MAX对无人机三维模型进行渲染和动画设计的具体步骤为：首先，将 Pro/E导出的*.stl文件导入3DS MAX，对各个无人机零部件模型进行材质编辑、灯光效果设置。零部件模型使用实物照片进行贴图，并采用Ommi和Sky灯光作为背景灯光，力求渲染效果的逼真自然；其次，按照操作训练需求制作无人机模型动画。按照具体操作步骤将动画分解成若干阶段，在每个阶段规划零部件的运行时间和顺序，确保运动的同步性和协调性。
3无人机模型交互控制的设计
Cult 3D是由瑞典Cycore公司设计制作的一款三维虚拟仿真控制软件，其基于“事件规划窗口”的流程设计方式和图形化编程模式，使得对三维模型复杂运动的交互设计变得十分简单[8]。此外，Cult 3D还提供了Java API接口，用户可以通过JAVA编程实现更强大、更复杂的控制功能。Cult 3D与3DS MAX相兼容，能够对其生成的无人机三维动态模型进行交互功能设置，生成无人机虚拟仿真三维交互控制模型。
借助Cult 3D Export插件，在3DS MAX环境下将无人机三维动画模型导出为*.c3d文件，再将*.c3d文件导入Cult 3D Designer中，即可进行模型交互功能的设计制作，具体步骤为：首先，将所需的模型对象从“场景图表”（参见图3）中的拖入“事件规划窗口”，并在“演示窗口”中设置好用户视角；
图3 Cult 3D的“场景图表”
其次，将“世界启动”和“计时器”图标拖入“事件规划窗口”，并通过 “计时器时间线编辑窗口”设置模型动画的运行时序。设置模型运动时序是极为重要的步骤，要与3DS MAX中设置的动画时间相兼容，否则将出现模型运动的错乱。制作过程中，用户可通过“演示窗口”对所设计的虚拟交互模型进行预览，查找错误并修正；然后，再将“点击鼠标左键”图标拖入“事件规划窗口”，对模型对象运动的交互触发进行设置，直至训练操作运行完毕。最后，利用“文件发布对话框”将制作好的方案导出为*.co文件，作为虚拟仿真系统开发的无人机虚拟仿真三维交互控制模型素材。
4 结语
利用Pro/E、3DS MAX及Cult 3D软件对无人机分别进行三维实体建模、动画设计、交互控制设计，最后生成了逼真的、可控的无人机虚拟仿真三维交互控制模型，能够实现对无人机的三维运动仿真，操作训练模拟，大大提高了无人机虚拟仿真训练的可行性和实际效用。
参考文献
[1] 申蔚,夏立文.虚拟现实技术[M].北京:北京希望电子出版社,2002.
[2] 周晓琪.虚拟现实技术[M].北京:电子工业出版社,2003.
交互式控制 篇4
服务质量指一个网络能够利用各种基础技术,为指定的网络通信提供更好的服务能力,是网络的一种安全机制,是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。对于有多个传输流程和严格实时性要求的媒资交互平台来说,服务质量的控制十分必要。需为媒资交互平台设置服务质量策略,当网络过载或拥塞时,服务质量能确保重要业务不受延迟或丢弃,同时保证网络的高效运行[1,2]。
1媒资交互平台面临的问题
媒资交互平台承担着全台所有节目生产网络间的互联互通工作,其主要任务是网络传输,大部分电视台使用IP协议,也有电视台使用FC协议,但无论使用哪种协议和网络架构,都面临着相同的压力和问题。
1)应用环境复杂
系统中有不同的应用,也对应着不同的流程,本台媒资交互平台现在运行着19个流程,其中包括8个高清流程,所有的节目生产网络都已经实现了文件化的互联互通,互联结构如图1所示。
媒资交互平台为多个系统提供互联服务,其流程从任务优先级划分可以分为播出流程、下载流程及归档流程,传输的内容包括素材和播出文件,应用环境非常复杂,需要根据节目生产的需求,定义每个流程的优先级,分配网络资源,保证关键业务的实时性。
2)网络环境复杂
媒资交互平台传输实质上是将数据由一个存储传送到另一个存储,这些存储属于不同的节目生产网络,并且根据网络应用的需求,采用不同的存储接口和存储访问形式,包括以太接口和FC接口,SAN存储访问架构和NAS存储访问架构。
这些存储并不是只为主干互联服务的,还要优先保证存储所在生产网络的应用,比如播出的二级缓存除了接受主干送来的待播文件,还要及时地将待播文件迁往播出服务器备播,存储的总带宽有限,而存储本身无法区分应用,也缺乏服务质量控制,这就需要媒资交互平台来控制对存储的访问。
为了解决这些问题,采用整体的解决方案来应对,包括流程的优先级设置,EMB传输服务器的指定,负载均衡的文件共享策略。
3)网络带宽需求高
现在各省级电视台基本都已实现高标清同播,并且会在未来的几年内逐步实现全高清的制播,电视节目制播由标清变为高清,不只是对节目编辑带来影响,还大大提高了对网络的带宽需求,就本台的应用情况来说,素材文件的码流由标清的50 Mbit/s码提升到高清的120 Mbit/s,播出文件的码流由原来的15 Mbit/s提升到50 Mbit/s,总体带宽需求提升将近3倍。
此外,媒资网络的负载也不稳定,传输任务和高峰期的公共交通拥堵一样,媒资交互平台的带宽需求也总是在固定的时间集中爆发。
2服务质量控制体系设计
2.1流程优先级的设置
现在各个广电系统集成商的主干产品都支持对流程优先级的设置,这是对任务处理顺序的整体把握,本台使用的是大洋公司的产品,为了保证关键的任务优先执行,本台为流程设置不同的优先级,优先级分为1~5的5个级别,级别等级高的任务会得到优先处理,设置所有送播流程的优先级为4,媒资下载流程和收录流程的优先级为3,媒资归档的优先级为2,优先级1和5保留。
优先级在ESB的流程定义中设置,根据ESB+EMB双总线架构的主干接口标准,ESB使用xml格式在各节点中进行数据交互,以制作网送播流程举例,该流程的优先级为4,定义在以下字段:
ESB在流程中的调用增加EMB服务时将优先级传递给EMB调度服务。EMB接到ESB发来的任务后,会继承任务的优先级,并根据优先级调整处理队列中任务的顺序。
保留优先级别1和5,可以在EMB配置中,修改默认优先级一样的任务的处理顺序,比如同样是传送给播出任务, 默认优先级都为4,如果有任务需要立即执行,可以在EMB任务队列中手动调整优先级,这两种优先级策略的组合控制,可以在最少人为干预的情况下,保证紧急任务得到优先处理。
2.2EMB传输服务器的任务分配
主干的EMB传输服务器负责各网络间的数据交互,这种交互简单地说就是EMB传输服务器读取一个网络存储的数据然后复制到另一个网络存储上,一般有UNC和FTP两种实现方式,两种方式的本质是一样的,采用UNC方式就是将各网络的储存访问路径映射成本地的逻辑盘符,主干的传输任务就变成EMB传输服务器本地两个盘符之间的数据复制。 如果目标网络使用NAS结构,网络存储的主机接口使用以太网接口,EMB传输服务器可以直接映射,如果目标网络使用FC SAN架构,EMB传输服务器就必须通过文件共享服务器来映射[3]。
本台媒资交互平台文件共享结构如图2所示。
现在各电视台普遍采用的EMB传输服务器的分配模式有2种,分别是服务器共享和服务器分组,这2种模式都有各自的局限性。
1)服务器共享模式的局限性
各台普遍常用服务器共享模式,在这种模式下,EMB传输服务器和各网络传输设备并不是一一对应的,在EMB任务调度时采用动态指定的方式,每个EMB服务器并不是单独为一个网络或一个流程服务,而是被所有流程所共有。这是考虑到日常工作中基本不会出现在同一时刻所有的网络都并发出现大量的传输需求的情况,为了节约成本,就像不能按照节假日高速公路的交通流量来设计公路的宽度一样,网络中设计的主干网的EMB传输服务器的传输能力要小于各网文件共享服务器传输能力及NAS存储的总和。本台网络中配备有12台EMB传输服务器,各网络的文件共享服务器达到18台,并且有2个存储采用直连方式,这2个存储都使用双万兆以太网主机接口。这种控制方式会带来2个方面的问题。
(1)文件共享服务器能力不足
当一个网络同时出现大量传输请求时,所有的EMB同时接到这个网络的任务,在传输层面就会出现多个EMB服务器对少量的接口服务器的情况。例如高清新闻网同时提交多个媒资下载任务,那么传输的链路如下:
媒资网存储→4台媒资网文件共享服务器服务器→12台EMB传输服务器→2台新闻网文件接口服务器→制作网存储
显然,新闻网文件接口服务器带宽不足,成为整个链路的瓶颈,相当于每6台EMB服务器对应于1台新闻网文件共享服务器,造成EMB传输服务器传输效率低下,网络拥堵,而队列中的其他流程的任务因为没有空闲的EMB传输服务器, 只能长时间的等待。这种情况时需要有策略控制参与执行传输任务的EMB传输服务器数量,释放EMB资源。
(2)存储能力不足
对于一台存储来说,除了提供主干的数据传输,还要保证本系统的应用。比如图中介绍过的播出缓存,它用2条万兆链路和主干网直接连接,没有文件共享服务器的限制,播出缓存可以提供的总带宽为500 Mbit/s,如果多个EMB传输服务器同时接到传输播出的任务,那么传输的带宽就很容易超过这个限制,导致存储工作在不稳定的状态下,并且导致存储没有带宽资源提供播出网内部的待播文件迁移到播出服务器的关键任务。这种情况也需要策略控制参与执行任务的EMB传输服务器数量。
2)服务器分组模式的局限性
服务器分组的方法简单说就是采用服务器专用,为每条流程指定专门的EMB传输服务器,相应的服务器不能再处理其他流程的任务。就上面的例子来说,在EMB任务调度层面指定2台EMB传输服务器专门处理媒资下载到新闻网这条流程,这样就可以实现对参与任务服务器数量的精确控制, 但采用这种模式需要配备更多的服务器,随着媒资网络规模的扩大,服务器数量会成几何级数增加,导致成本增加,网络也变得更加复杂。
3)解决方法:服务器灵活指定技术
为了解决以上2种模式的局限性,本台设计并应用了一种服务器灵活指定技术,可以将每个流程限制在一个或一组服务器上执行,但该服务器并不为这个流程所专用,还可以处理其他流程的任务。
EMB服务器除了执行传输的任务,还可以处理转码任务,比如可以设置为制作网只需提交素材,由EMB传输服务器进行播出格式的转码,但考虑到事故责任的划分,各电视台现在都已经不在媒资交互平台进行转码,EMB传输服务器只做文件的复制工作。笔者利用EMB调度服务对EMB传输服务器转码能力的区分来实现控制,为每个流程设置一个单独的转码位,这个转码位对应一个转码能力,在EMB调度分配任务时,会根据流程的转码位来选择具有转码能力的传输服务器来执行任务。如果具有相应转码能力的服务器都处于忙碌状态,那么任务会排队等待。每个服务器可以配置多个转码能力。
以媒资下载到新闻网的流程来举例。首先在EMB的配置中定义新的转码能力,在参数配置中增加新的外系统自定义的转码能力,名称为mz,能力位为1。EMB配置示意图如图3所示。
然后指定2台EMB传输服务器ACTOR1和ACTOR3可以处理mz任务。EMB配置示意图如图4所示。
此外,还需修改ESB的流程定义,使媒资下载到新闻网的流程在调用增加EMB任务时,将能力位1传送给EMB调度,在ESB流程的调用增加EMB服务节点,增加以下字段和定义:
完成以上设置后,所有媒资下载到新闻网的流程都带被定义为类别为1的转码任务,EMB调度任务时,会分配给具有相应能力的2台传输服务器处理。
EMB共享模式结合服务器灵活指定技术可以实现对EMB传输任务细致有效的管理,根据系统的应用情况来选择如何分配传输服务器,需要注意的是,设置中的转码并不进行真的转码工作,只是用来做EMB调度分配任务的依据。
2.3文件共享服务器负载分配
最理想的情况下,与主干互联的网络的文件共享服务器使用集群策略,对主干提供一个统一的服务IP来做文件访问,内部根据各文件共享服务器的负载情况来分配任务,但这种方式成本昂贵,技术复杂。所以,一般情况下,只能在EMB传输服务器的存储映射策略上做合理的安排,实现存储映射层面的平均分配,不能实现按流量的负载均衡。
在设计EMB服务器和文件共享服务器的对应关系时尽量使每个文件共享服务器对应的EMB服务器数量相等,此外,可以利用网络文件系统提供的特性,实现服务器之间的高可用。
3小结
媒资交互平台服务质量控制是IT层面的课题,它和电视信号无关,只关心文件如何在网络上的传输。各台在推进网络化、无带化的生产流程时都会遇到类似的问题,就文件送播流程来讲,必须制定时长几倍于磁带送播的“关门时间”, 这样就压缩了记者的编辑时间。媒资交互平台的管理人员要根据应用情况,合理应用本文介绍的几种策略,寻找投入成本、系统复杂性和人为干预程度等几个要素中的平衡点, 提高媒资交互平台的可用性。
摘要：结合辽宁广播电视台媒体资产管理与交互平台设计及运行情况,从应用环境、网络环境、网络带宽需求等方面分析了媒资交互平台在设计和使用过程中面临的问题。在系统设计时,采用服务质量控制体系设计的思路,为媒体资产管理与交互平台提供更好的服务能力。着重介绍了媒资交互平台服务质量控制体系设计的各种策略,包括流程优先级的设置、EMB传输服务器的任务分配、文件共享服务器负载分配,并重点阐述了使用服务器灵活指定技术实现对文件的转码控制。
交互式控制 篇5
交互式触摸屏一体机特点，交互式触摸屏一体机品牌推荐
在市场上众多高科技触控产品供应商中，很多厂家都是中途改做触摸一体机产品的，所以很多触摸一体机行业中，很多小厂家、小作坊的产品都是无法保证质量的。交互式触摸一体机的应用越发广泛，选择一个好的生产厂家非常重要，因为只有好的厂家生产的交互式触摸一体机的质量才比较好，所以用户在选购交互式触摸一体机的时候一定要谨慎小心。
交互式触摸一体机，采用了国内外先进的多点触控互动技术，是一款使用屏幕触摸操作的多功能人机交互终端，集成了交互式电子白板、电视、音响、计算机、互联网、多媒体播放等功能于一身。
交互式触摸一体机广泛应用于教育教学、企业会议、商业展示、信息查询等领域。如：网络多媒体教学系统，教育培训的录播系统，企业产品展示系统，汽车4S店产品体验系统，单位机构查询系统，政务公开查询系统等等。
优质触摸一体机品牌厂家
产品特点：
1.性能稳定，节能环保，全金属外壳，无尖锐棱角；低功耗，低辐射，以及能效，符合国家3C及节能要求；
2.防爆防眩钢化玻璃，有效抑制外界环境光线的干扰，图像柔和，不刺眼；
3.真4K分辨率，超高清画面显示，是普通屏幕清晰度的4倍，画面细腻，细节展现淋漓尽致；
4.安卓与电脑双系统触摸操作，无需电脑也能正常上网、播放多媒体文件、ppt等互动演示，也可以安装APK应用软件；
5.简约无线、超薄设计，节省空间，壁挂支架或者移动支架安装；
6.环绕音响，身临其境；内置立体环绕音响，声音立体饱满，呈现影院音效； 7.前置按键及USB。双系统一键切换，触摸菜单，使用方便快捷；
8.人性化设计，维护简单。采用前置多功能按钮与电脑USB接口，便于用户轻松快捷拷贝文件；配置可根据客户需求进行定制；
9.应用软件，一应俱全。配备电子白板软件、手机互动软件，凝聚眼球，提高展示和演讲的科技感、临场感，形象生动。
交互式触摸一体机环境适应能力高，功能非常强大，可以根据应用领域的不同而具备不同的功能，在教学、会议、查询、展示等多个领域被广泛应用。
交互式控制 篇6
交互式电子白板作为一项最新的信息化产品，它具备和超越了黑板的所有功能，包括白板笔随意书写、画图、批注重点以及电子白板中的拖放、照相、隐藏、拉幕、涂色等功能模块，可以使用丰富多彩的电子课件，同时，它强大的多媒体功能，增强了视听效果，既体现出数字化信息技术的多媒体特征，又体现出新课程改革以学生发展为中心的核心思想。在二者的“交互”过程中，大大提高了学生的注意力，调动了学生的积极性，实现了教师主导地位与学生主体地位的全面结合。下面，我就交互式电子白板的“交互”功能在课堂教学中的应用谈谈自己的认识。
一、人机交互，教师主导作用得以全面体现
在对交互式电子白板的功能设计中，设计者集多媒体控制平台和多媒体展示于一体，实现了多媒体技术的简便操作和多媒体信息的高速度、高质量。在教学过程中，使教师对信息技术与媒体的操作行为成为主导学生参与学习过程的教学行为。同时，电子白板的操作方式，使教师从“幕后”走到了台前，把教师从电脑的束缚中解脱出来，教师不必困在电脑旁点击鼠标，而是与学生直接交流。这与我们使用班班通、多功能投影和网络教室相比，电子白板的触摸功能取代了鼠标，操作方便且使用灵活。老师从幕后走到了前台，使得课堂不被机器主导，教师的课堂主导作用得到了体现。
二、生机交互，学生主体作用得以充分实现
从孔子提出的“亲其师，信其道”到90年代初在全国推广的“快乐教学”，再到“主体式学习方式”成为新课标一个鲜明的观点，它们所表达的都是学生在教学过程中的参与性。学生参与学习的过程，首先应该是情感参与，但是，学生的学习积极性、主动性都是在情感参与的前提下产生的。在这一系列的教学活动中，学生的行为参与往往被放在了最后。而交互式电子白板则为学生提供了更多的行为参与机会。在罗艳玲老师执教的《富饶的西沙群岛》一课中，学生到白板前操作的次数就达到了8次，而且学生的操作不是蜻蜓点水，而是对重点词句的勾画、词句连线、图片归类。在白板功能的应用上，学生不仅尝试使用白板笔进行勾、画、圈、点，还运用了白板的图片拖拽、放大、缩小等功能。虽然一个环节只有一个学生在操作，但我观察到下面的每一位同学都瞪圆了眼睛，专注地听着，使得整节课课堂气氛都非常好。这种全方位的深入参与，离不开交互式电子白板的“交互”功能，正是有了这种互动，学生的主体性作用才得以充分的实现。
三、功能交互，拓宽了教学应用范围
任何一种媒体和技术，都有自己特有的功能。ppt课件是老师们非常熟悉的一种教学资源。在学校最开始进行交互式电子白板的培训时，我心里是有些不以为然，但随着对交互式电子白板了解的深入，知道ppt课件经过模式转换后可以与交互式电子白板同等播放，并且有优于ppt课件的很多地方，比如，它可以对打开的文件通过电子白板的软件笔进行实时批注，可以直接保存和回放等；辅助教学工具：幕布、聚光灯、放大镜、照相机、图形编辑、电子词典等等，这些教学工具是为了使课堂教学变得生动而制作的，也使学生从被动学习向主动学习转变。同样，在罗艳玲老师执教的《富饶的西沙群岛》一课中，我发现，她就利用到了白板的大量信息存储和重放功能对重点句和重点段落的勾画功能等，在字、词、句、段、文中渗透了遣词造句，使學生学会了选取材料，学会了如何围绕一个中心句写文章……这一勾、一画、一聚光，将课文的重点、难点十分醒目地呈现在学生面前。在罗老师的课堂上，我看到了交互式电子白板在实际教学中的效果，也认识了交互式电子白板强大的教学功能，它为教师的教学提供了更优质的保障。
在学科教学与信息技术的整合过程中，信息技术作为一种手段，不断优化着课堂教学的效果。交互式电子白板独特的交互性功能，使教师在教学中的主导作用更加明确，学生的主体地位更加突出。它完善的教学辅助功能，也拓宽了电子白板在教学中的应用范围，而这一切都是通过“交互”二字得以体现与实现的。
嵌入式运动控制器交互系统设计 篇7
关键词：嵌入式,运动控制器,交互系统
1 引言
嵌入式运动控制器交互系统是运动控制系统核心部分, 目前实现运动控制器的方法主要包括单片机加微处理器、 专用芯片处理器和基于 PC 总线的 DSP 或者FPGA 处理器。 其中, 单片机加微处理器作为控制器核心精度低、运行速度慢, 适用于对运动轨迹不复杂的运动控制系统中, 专用芯片处理器作为运动控制器核心结构简单, 不具备交互功能, 只用于单一运动控制中, 基于PC 总线的 DSP 或者 FPGA 处理器作为控制器核心具有较强的信息里能力, 适用于多轨迹运动控制, 但是其设备体积大, 设计成本高。 因此, 本文提出一种基于 ARM处理 器 加 DSP 处 理 器 为 核 心 的嵌 入 式 运 动 控 制 器 系统, 该系统具有多轨迹运动控制能力和良好的扩展性, 同时设计成本较低。
2 嵌入式运动控制器设计思路
2.1 系统平台介绍
本 文 所 开 发 的 嵌 入 式 运 动 控 制 器 交 互 系 统 采 用ARM 与 DSP 分步设计 , ARM 控制板与 DSP 控制板通过 I/O 接口实现数据交互。 嵌入式运动控制器交互系统是采用 Linux 操作系统设计操控平台, 软件交互采用QT/Embedded 可 触控设计 , 编程语言选择 C++ 完 成平台设计, 通过标准化通信接口实现与机械的人机交互, 人机交互硬件控制采用嵌入式 ARM 处理器, DSP 数字信号处理器和 FPGA 可编程逻辑门阵列, 完成对机械的运动下载指令。 系统平台结构如图 1 所示。
在 Linux 环境下设计的软件操控平台通过通信接口可实现操作运动控制器, 运动控制器通过运动指令操纵机械运动, 由此实现软件对机械运动的控制。 同时, 机械运动过程中所产生的运动数据通过传感器信息反馈给软件操控平台, 进而进行机械运动数据的可视化监控, 保证机械按照既定规则运动。
2.2 系统建模
嵌入式运动控制器交互系统根据被控制对象的可证进行模块化设计, 系统建模首先对系统进行初始化, 初始化系统硬件设备包括通信接口伺服系统等; 其次, 设定通信模块参数值 , 对 I/O 接口、网 络 接 口 、报 警状态、坐标值、各通信数值等进行设定。
2.3 人机交互
嵌入式运动控制器交互系统人机交互流程如图 2所示。
嵌入式运动控制器交互系统人机交互是基于 Linux系统, 搭建 QT/Embedded 图形化开发环境, 设计嵌入式运动控制器交互平台, 该平台可划分为机械控制部分和信息显示部分, 机械控制部分包括机械自动化控制、机械手动控制和机械控制设置。 首先对机械运动过程进行控制设置, 设置成功机械按照既定程序进行运动, 如出现故障则转换为手动控制模式。 信息显示部分包括机械运动信息、机械参数信息和机械故障信息, 当机械运动过程中, 机械运动信息通过传感器反馈到信息显示平台, 当机械运动参数超过既定参数范围则显示机械故障信息, 并触发预警机制。
3 嵌入式运动控制器交互系统实现
3.1 系统结构
嵌入式运动控制器交互系统如图 3 所示。
嵌入式运动控制器交互系统控制功能实现是通过ARM 处理器 、DSP 数字信号处理器和 FPGA 可编程逻辑门列阵共同完成, ARM 作为上位机是实现人机交互的重要元件, 通过 ARM 可实现机械运动指令的下达、运动信息的查看、机械连贯性运动智能编程等, 由 DSP 数字信号处理器进行控制通信, 并进行运动插补的计算, FPGA 可编程逻辑门进行底层逻辑操作 , 通过标准通信接口下载机械控制命令。
3.2 交互方式
为了实现运动控制实时交互, 采用实时进程方式进行交互, 在本系统中, 交互进程可分为四种线程, 即状态检测线程、插补线程、位置控制线程和功能线程。
状态检测线程是对硬件设备的运行状态进行检测, 检测方式通过对 I/O 接口的数据值进行监控, 当监控数据值与设定值出现偏差时, 可通过预警方式报警或者是自动停止设备运行。
插补线程是在译码的缓冲区按照既定顺序获取插补数据值, 再根据直线或者圆弧的方式进行插补, 由此可得出运动控制器周期性的理论坐标值。
位置控制线程是对计数器中的编码值进行读取, 确定实际坐标值, 其与插补器所获得的运动控制器周期性理论坐标值进行比对, 当出现差值时, 可调节 PID 参数, 由此控制运动控制坐标位置。
功能控制线程是控制运控控制器轨迹和实现运动控制器信息功能的管理, 功能控制线程一方面控制机械运动的开启、暂停和速度状态, 另一方面对运动控制器的状态信息进行采集反馈到控制平台。
3.3 交互实现
交互实现流程如图 4 所示。
嵌入式运动控制器交互实现是人机交互功能 , 包括:数控指令的下达与编译、运动状态的监控与管理等, 对运动控制器下达数控指令, 由 ARM 处理器进行指令译码、运动状态处理及插补计算等, 由此调用运动控制函数执行机械运动, 运动控制函数存放在运动控制函数库中, 函数库中的函数满足机械可执行的各项运动。 同时, 通过 I/O 接口对机械运动的状态值进行监控, 当监控数据值与设定值出现偏差时, 可通过预警方式报警或者是自动停止设备运行。
4 结束语
嵌入式运动控制器交互系统是实现人机交互的主要部件, 该系统一方面可由软件设计机械运动过程, 通过运动组合完成机械运动目的, 另一方面机械运动信息通过传感器反馈到信息显示平台, 便于对机械运动的状况进行监控。 在嵌入式运动控制器交互系统设计中, 将其划分为两部分进行设计, 一部分是实现硬件系统对机械运动的控制, 另一部分是软件控制设计软件对机械运动命令的编辑和机械运动信息的监控, 二者实现命令及信息的交互完成机械运动智能化管理与操控。
参考文献
[1]付浩, 刘建群.基于OMAP-L138的嵌入式运动控制器的设计与研究[J].科学技术与工程, 2013 (01) .
[2]林勇强, 王勇, 冯屹朝.开放式运动控制器技术现状与发展趋势[J].信息技术, 2010 (05) .
[3]张仕龙.基于DSP的嵌入式运动控制器设计与优化[J].电源技术应用, 2013 (08) .
[4]蒋涛.基于嵌入式平台的人机交互系统设计[J].工业控制计算机, 2012 (04) .
桌面型触感交互装置的构建与控制 篇8
关键词：交互装置,灵巧手,恒流源
0 引言
灵巧型触感交互装置无论在理论上,还是在工程上都有着重要的作用,对它的研究,显得十分迫切。灵巧型触感交互装置从结构上分为穿戴型和桌面型,这两种类型各有优缺点。穿戴型触感交互装置具有符合人手结构的支撑骨架,外形与人手相似,像一个手套,使用时佩戴在手背上,它的优点是可以直观的进行物体的抓取等操作,但是需要操作者承担装置自身的质量,且无法感知抓持对象的质量以及抓取时的反馈力。桌面型触感交互装置则解决了这一问题,通常放置在桌面上,或是有独立的支撑机构,传感器有较大的放置空间,在结构上不受人手的限制。但工作空间有限,难以灵活操作,往往随着自由度的增加而变的庞大和复杂。
为了实现灵巧型触感交互装置的运动位姿测量和力触觉反馈这两大主要功能,结合穿戴型主手和桌面型主手的各自的特点,本文构建了一种桌面型触感交互装置,该装置体积小,结构紧凑,具有和人手相似的结构,控制方便,在进行触碰或者抓握物体时能够感受到反馈力。
1 桌面型触感交互装置的构建
针对桌面型和穿戴型这两种结构的主操作手的特点进行优化,设计出一种桌面型触感交互装置,使其既具备力反馈功能,又有比较紧凑的结构空间。该装置一共有5个手指,有着与人手相同的结构,便于操纵和控制。在Pro/E软件中对触感交互装置进行结构设计,在设计时应该注意的条件是,在达到触感交互装置的性能要求的前提下,其结构需要尽量满足控制简便、安全可靠、经济合理、外形美观等要求,并且尽量减小体积,减轻质量,提高效率。最终确定的装置的外形如图1所示。桌面型触感交互装置的机械本体尺寸为:总长193.8mm,总宽215.83mm,总高88mm。
触感交互装置采用了桌面型结构,使用触感交互装置操作时,与平时使用鼠标相似,整个手掌覆盖在装置上,进行抓握和触摸等活动。该触感交互装置共有15个自由度,能够实现简单的抓取和感知物体表面材质的功能。装置有力反馈结构,在抓取物体过程中能够将反作用力的大小反馈给操作者,一般作为从手的灵巧手,每个手指的承载能力最大为4N,相应地,本装置也能够提供4N的反馈力。在触感交互装置上安装有旋转电位计,可以测量操作者手指的各个关节在运动时转过的角度,实时的把手指的位置姿态信息传达给从手。
综上所述,本文设计出的桌面型触感交互装置具有以下特点:
1) 本装置有着类似鼠标的结构外形,在工作时,符合现代人的操作习惯,使用舒适轻便;桌面型的结构使得操作者无需承担装置的自重,在采用电动机等驱动装置进行力反馈驱动或进行其他功能扩展时,不会因为装置质量的增加而影响操作者手指的正常运动。
2) 设计的桌面型触感交互装置具有创新性,是由结构独立的5个手指以及连接组件构成的,布局与人手相似,操作方便。仿人手的5个手指的结构,简化了触感交互装置和从手间的映射关系。
3) 人手在运动时,通过本装置可以采集到5个手指的各自的4个自由度,可以实现将操作者的手指的位置姿态准确的传递给从手灵巧手。本装置具有力反馈系统,增强了操作者在使用触感交互装置的沉浸感。力反馈和位置反馈结构简单,容易实现实时控制。
为了验证触感交互装置的功能特性,在工程软件造型的基础上,同时进行物理样机的制作。一般用于结构制作的材料选择金属材料,为了满足足够的强度和刚度的要求,主要材料可以选用各种碳钢和铝合金[1]。由于桌面型触感交互装置负载小,要求其自重轻,对寿命的要求不高,因此选择铝合金作为主要的加工材料,可以使触感交互装置的整体质量保证在一个合理的范围内,并且可以降低制作成本。
2 桌面型触感交互装置的传感和驱动系统
2.1 位置传感器
根据桌面型触感交互装置的具体结构,为了将操作者的手指的位置姿态信息准确传递给从手灵巧手,需要测量转轴转动的角度,因此需要用到角位移传感器。
在桌面型触感交互装置中,具体选用的是村田制作所的SV01A型旋转位置传感器。因为触感交互装置上的传感器是安装在位于两支架间的转轴和指尖结构的横向滚轮和竖向滚轮处,指尖结构处的用于固定两滚轮的定位壁尺寸很小,为11mm×12mm,因此要求选用的传感器体积尽量小。SV01A型旋转位置传感器结构紧凑,体积小,测量精度高,安装方便。传感器的高度为12mm,宽11mm,厚度仅有2.1mm,其外形如图2所示。
该传感器使用方便,不需要搭建特殊的测量电路来将电阻的变化转化成电信号,可以直接对传感器的输出引脚的信号进行检测和分析。图中引脚1为地,引脚3为电源输入,引脚2是输出。
SV01A型旋转位置传感器非常薄,厚度仅为2.1mm。使用寿命长,这是因为使用了优良的电阻材料和高可靠性的滑动片,有效转角为333.3°,有1M的旋转寿命。测量的角位移和输出电压在一定范围内有高度的线性关系,如图3所示。在电压比率为50%处,顺时针逆时针旋转160°,在这一范围内,能够保证输出的线性。
2.2 译码电路
本文采用由Tekscan公司生产的挠性压力传感器Flexiforce Sensor进行力的测试。该传感器属于薄片式传感器,外形如图4所示。Flexiforce传感器本身非常薄,柔韧性强,具有可挠性,能够测量几乎所有接触面之间的压力,线性好,滞后性小,漂移小,在温度灵敏度方面也具有十分优良的特性。
Flexiforce Sensor属于压阻效应的应变式测力传感器,在传感器的前端大约直径为9mm左右的圆形区域,是其测力的感测区域。在没有负载的情况下,电阻值非常大(约20MΩ)。随着负载的增加,电阻值开始下降。末端输出的三只插脚则可适用于一般的面包板或三孔插座使用。根据不同负载时产生的电阻变化,配合使用如图5所示的电路,转换成电压变化。
在无负载情况下输出为0V,在0.4kg/g时,输出为 2.25V,输出电压与负载呈现高度的线性关系。经过试验,得到电压-负载关系图如图6所示。
2.3 驱动系统
驱动技术是机器人的动力源,它决定着机器人的整体的运行性能[2]。无论哪类伺服机构,用于机器人的驱动装置,有着如下要求:效率高,输出功率大,体积小,质量轻;运行平稳,尽量不产生冲击或抖动;滞后小,反应速度快,控制灵活,惯量小,位移偏差和速度偏差小;可靠安全,操作和维护简单;对环境污染小,噪声小,以及成本低廉;应能够与光电码盘、测速机和制动机构等组装成一体,使用方便。
本文设计的桌面型触感交互装置采用电驱动方式进行驱动。考虑来自从手灵巧手的反馈力最大为4N,而且在触感交互装置的装置中有限位轴可以保护操作者的使用安全,感受指尖正压力的力反馈系统采用主动式力反馈结构,主动式力反馈结构对力的灵活控制成为选用该结构的理由,这里选用电动机作为驱动器。在感受材质表面粗糙程度的指尖机构,则采用被动式力反馈结构的电磁铁作为驱动器。
3 桌面型触感交互装置的控制系统
控制系统相当于机器人的大脑,是机器人的神经中枢。机器人的控制算法和运动策略正是通过控制系统才得以实现的,控制系统对各种信息进行综合处理,协调各个检测部件和执行部件的运行。在整个控制系统中,控制系统处于核心位置,其工作性能的好坏决定了机器人的性能[3]。桌面型触感交互装置的控制系统主要实现以下两大功能:实现对操作者手指的位置姿态信息的采集与处理;实现对驱动器的有效控制,将从手灵巧手与环境作用产生的力信息反馈给操作者。
桌面型触感交互装置的控制系统主要分为以下几个部分:控制器开发板电路,直流电动机控制电路,DA转换电路,采样电路,力传感器的辅助电路。其中,控制器开发板直接220V的交流电源;直流电动机接30V的直流电源,直流电动机驱动电路接±9V直流电源;采样电路和DA转换电路需要5V直流电源,力触感器的辅助电路接±9V直流电源。根据这些电路的需求,仿真器和直流电机的电源另外考虑,其余电路统一使用±9V的直流,并通过三端稳压块7809,7909,7805来实现,,电源电路如图7所示。
在设计中要求直流电动机将灵巧手感受到的力的大小转变为扭矩输出,反馈给操作者。而直流电动机的扭矩与电流有非常好的线性关系,所以对直流伺服电机的控制就可以采用恒流源电路,如图8所示。
为了验证该电路对直流电动机的控制效果,在触感交互装置的折形摆杆的前端用测力传感器代替圆球,操作者的指尖由放在圆球上改为放在力传感器前端的圆形区域。DSP发指令使恒流源的输入电压Vin从0～3V之间变化,带动电动机旋转,操作者保持折形摆杆的前端处于初始的水平位置,此时力传感器会测出指尖的力。图为恒流源的输入电压Vin与力传感器的输出电压之间的关系。从图中可以看出,使用该恒流源电路作为直流电动机的驱动电路,可以满足桌面型触感交互装置的要求。
4 结语
对桌面型触感交互装置的设计和制作的过程,是一个将机械、电子、传感技术、驱动技术,以及电路搭建等方面的知识进行整合,加深认识的过程。灵巧手触感交互装置的开发是一个循序渐进的过程,需要大量的时间和人力不断进行试验和改进。所研制的桌面型触感交互装置样机,其性能虽然基本达到了预期的效果,但是尚有许多地方需要进一步完善。当然,本文中的触感交互装置只是一个实验样机,若要使之能够适应工业机器人的要求,具有较好的稳定性和抗干扰能力,还需要解决众多的实际问题。
参考文献
[1]戈登.麦库姆.机器人本体制作指南[M].北京:机械工业出版社,2006:25-54.
[2]龚振邦.机器人机械设计[M].北京:电子工业出版社,1995:30-59.
交互式控制 篇9
关键词：ATmega128,力触觉,交互
0 引言
主从力触觉交互装置是一种接口装置。该装置通过力觉、触觉的实时反馈,使操作者产生身临其境的感觉从而实现人远程操作。在一些危险的或者是人不容易进入的复杂环境中要求机器人完全智能化的完成各种作业是不切实际的。利用主从力触觉交互系统可以较为合理完成这些机器人不能完成的任务。该装置集成了生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、机器人学、电子学等诸多学科交叉为一体的新型研究领域,并成为了机器人领域的新热点[1]。本文在此提出了一种力触觉交互系统的从手控制电路设计方案,基于该方案利用AVR单片机以及直流电机实现了从手控制电路设计。
1 主从力触觉交互系统从手设计
1.1 主从力触觉交互系统原理[1]
力触觉交互系统是指操作者通过机械装置与外部环境之间进行全双工通讯交流。人操作机械主手运动,机械主手把操作者施加的力触觉通过通讯装置传送给远程的从机械手,使从机械手能够在自由运动的情况下跟踪机械主手,保持与主手的位置和速度的一致性;从手与外部环境进行接触,将受到外部环境作用的力触觉信息通过全双工通讯装置传递给机械主手,从而使人能够通过非直接接触感受到远程环境的真实情况。图一是力触觉交互系统示意图。
力触觉交互设备具备四个重要组成部分:主手、从手、接口电路和计算机。为了实现力触觉交互必须在主手和从手之间借助接口电路进行力反馈信息的传送。机械主手上装有产生反馈力触觉的力矩电机和位置检测的光电编码器。从手应该能够跟踪主手位置,同时接收通讯装置传递的机械主手力触觉信息,并把与外部环境接触的力触觉信息通过力传感器反馈主手。
1.2 从手控制电路设计原理
1.2.1 从手实现原理
主从力触觉反馈装置中,机械从手接收到机械主手力触觉信息通过AVR单片机控制直流电机使从手跟踪主手,并且从手能够通过力传感器实时检测与环境力触觉的大小,输出电压信号经通讯装置将控制信号传递给主手。主手将收到从手与环境的交互力触觉反馈。机械从手实现控制原理图如图三所示:
1.2.2 从手控制器芯片选择与设计
在本设计中采用的控制器是ATmega128单片机,AT-mega128单片机是ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机,是ATmega103的升级产品,应用极其广泛[2]。ATmega128具有如下特点:高性能、低功耗;先进的RISC结构,133条指令,大多数可以在一个时钟周期内完成;32个8位通用工作寄存器加外设控制寄存器,全静态工作,工作于16 MHz时性能高达16 MIPS;128K字节的系统内可编程Flash,两路8位PWM6路分辨率可编程(2到16位)的PWM,8路10位ADC工作电压,2.7-5.5V AT-mega128L,4.5-5.5V ATmega128。如图四所示为从手控制器电路。
1.2.3 从手电机驱动模块
在本设计中采用直流电机,额定电压是24V,工作电流均在2A左右,且需要正反转和调速。考虑成本因素,选择自制大电流三极管H桥,电路原理图如图五所示。该电路中使用了通过大电流的达林顿管。这对于6-24伏的系统来说,可以工作得很好。这一电路可以让这些三极管在24伏的供电条件下有5安的工作电流,当然4安会更安全一些。在1安以上工作时,就必须为这些三极管安装散热片,电流越大散热片越大[3]。
图五为电机驱动模块原理图。在本文中由MOS管构成成的H桥驱动电路,通过MOS开关控制电机使H桥实现正反转。如果信号输入端加入PWM矩形波可以实现电机的调速[4]。在图六中,电机调速PWM矩形波由DATA接入,1脚是地线,其余是信号线,1脚对地连接了一个2千欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时,这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时,这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。
1.2.4 压力信息采集
测传感信号需要传给控制系统,以便系统协调的工作,所有信息的采集全部由主控制芯片ATmega128单片机的通用I/O口来管理。因为ATmega128的I/O口可以方便的设置为输入和输出状态,根据通用I/O采集的信息,单片机执行相应的程序代码。在从手与环境交互过程中采用的是薄膜压力传感器A401,如图七所示。
2 结束语
在本文中,自制了基于Atmega128为主控制器的从手控制电路板,采用直流电机对从控制手进行控制,选用了A401薄膜压力传感器进行从手与环境的压力测设。通常的从手控制电路中通常采用步进电机进行从手控制。由于与外部环境接触中有可能遇上高刚度的碰撞接触,采用步进电机容易损坏,因而在本论文结合实际特点选择了直流电机。其次,采用Atmega128,高性能、低功耗;先进的RISC结构,133条指令,大多数可以在一个时钟周期内完成,大大提高了从手系统的系统响应。
参考文献
[1]崔建伟.力觉临场感系统中的异构式手控器设计[D].南京:东南大学仪器科学与工程系,2004.
[2]查明华.ATMELATMEGA128新型微控制器及应用[J].工业控制计算机,2002,15(10):58-59.
[3]丹尼斯.克拉克,等著.机器人设计与控制[M].北京:科学出版社,2004.
交互式控制 篇10
高压开关智能控制系统对煤矿井下供电系统的安全起着至关重要的作用, 它的智能化水平直接反映了煤矿用电设备的发展水平。笔者提出一种矿用高压开关智能控制系统的人机交互功能的实现方案, 该方案采用C语言设计, 主要实现液晶显示和按键输入2个部分的功能。
1 硬件设计
该方案选用杭州清达光电技术有限公司生产的HG1286412-LYH图形点阵单色液晶模块进行显示。该模块为点阵128×64的显示模块, 采用驱动控制芯片ST7920, 带中文字库, 3.3 V/5 V工作电源可选。通过简单的指令即可完成字符或汉字旋转、放大, 字间距、行间距调整, 并且可以任意决定字符的位置、大小和方向。液晶显示模块与单片机的接口有汇流排控制模式 (并口) 和串列控制模式 (串口) 2种[1], 考虑到STC单片机I/O口的个数, 本文选用串口方式。使用STC单片机的2个I/O口线可实现与显示模块的接口;P2.3产生串列控制用的时钟脉冲信号给HG1286412-LYH的脉冲信号接收口E (SCLK) , P2.2传送串列数据给串列资料接收口R/W (SID) 。
由于该系统中需要的按键个数较少, 故采用独立式按键, 每个按键占用1根I/O口线, 且各按键之间的输入状态互不影响, 配置灵活, 软件结构简单, 适用于按键较少或响应速度要求较高的场合[2]。液晶模块显示的内容为工作菜单选项及其对应的参数, 菜单为多级嵌套形式, 最长的有9层, 按键的功能就是完成对菜单中各个工作参数的设置或查询, 可通过“移位”、“确认”、“复位”3个键实现对菜单的选择。各按键具体功能:
“移位”键:在本层菜单的项目中向下移动进行选择, 当移动至本层菜单的最后一项时返回至第一项。
“确认”键:进入光标所在的菜单项目的下级相应菜单页。
“复位”键:用于系统的手动复位。
2 软件实现
该方案软件在C语言环境下编写, 以利于程序的阅读和修改[3]。人机交互功能的实现包括显示和按键操作, 主程序流程如图1所示。
2.1 LCD液晶显示
LCD液晶显示器需要实时显示当前电网电压、负荷电流值, 各种保护参数的选择设置, 发生故障时显示故障状态和故障参数并进行记录。LCD显示多级菜单部分目录如图2所示。
液晶显示子程序包括从第一行顺序写入和在某行某列写入某个数据2个子程序。此外, 显示部分还要满足当移位键移到相应位置时该位置的字符反白显示。部分程序如下:
2.2 按键设计
使用的按键为机械式按键, 按下或释放按键时, 由于机械弹性作用的影响, 通常伴随一定时间的触点机械抖动, 因此, 在程序中采用延时并重复判断键值的方法消除抖动的影响[4]。首先采用查询方式执行1个按键扫描的过程, 主要程序如下:
取得键值以后, 转向键盘服务程序, 根据所按下的键转去执行相应的功能, 获得新的状态索引号, 根据新索引号执行相应的函数, 实现要求的功能程序如下:
根据实际需要, 首先建立一个结构, 并定义结构变量key_table。该结构中共有4个结构元素, 分别是3个字符型变量和1个指针变量。3个字符型变量分别为当前及各个按键的索引号, 也就是操作的状态号, 1个指针变量指向需要执行的函数, 这样就可以做一个结构数组。在结构数组里为每一个菜单项编制1个单独的函数, 并根据菜单的嵌套顺序排好本菜单项的索引号, 以及本级菜单项的下移索引号和确认进入的上、下级菜单的索引号, 再将显示程序头文件包含进来, 并调用相应的显示子程序, 以实现设计目标。结构建立过程如下:
3 结语
本文采用HG1286412-LYH点阵液晶显示模块和3位独立式按键搭建人机交互界面的硬件平台, 运用C语言编写基于STC单片机的程序, 实现了多级嵌套菜单式人机交互界面, 包括菜单的移位选择、菜单进入、数值输入等功能。该界面使矿用高压开关智能控制系统不仅具有完善的保护和控制功能, 而且具有液晶汉字显示、累计运行数据查询、故障记录翻查等更加完善的功能, 实现了矿用配电设备的智能化、数字化。
该界面已在投入现场使用的矿用高压开关智能控制系统中得到应用, 它能根据系统对开关装置执行相应保护功能的要求, 准确完成正常工作状态的显示以及按键的操作处理, 性能稳定可靠。
参考文献
[1]李刚, 林凌, 姜苇.51系列单片机系统设计与应用技巧[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.
[2]田立, 田清, 代方震.51单片机C语言程序设计快速入门[M].北京:人民邮电出版社, 2007.
[3]汪同庆, 张华, 杨先娣.C语言程序设计教程[M].北京:机械工业出版社, 2007.
交互式控制 篇11
在液晶玻璃生产线中, 交互设计的应用对自动化控制技术有着积极的影响。液晶玻璃基板是TFT-LCD关键上游材料, 玻璃基板的生产制造中高效率和高良品率越来越成为制造工艺过程的关键所在。在玻璃基板生产过程中, 生产线是每天24小时不间断运行的, 然而保证高效率和高良品率的关键之一则是整个生产线中设备的安全稳定高效的运行, 这就涉及到如何进行控制系统的交互设计。
1 人机界面中的交互设计
在液晶玻璃基板生产过程中, 人员与系统进行交互的其中一种方式是通过人机界面中的操作画面来实现。然而, 在自动控制系统中采用的是针对工业环境的图形操作终端, 因生产厂家不同, 其硬件接口和嵌入式系统也不同, 兼容性差, 功能有其局限性, 在编程方面不灵活, 并且触摸屏分辨率和支持的显示颜色不同, 所表现出的结果也就不同, 为界面的设计带来很大困难。由于人机界面生产厂家的画面编辑软件内嵌的部件不能完全满足设计需要, 这就需要自行设计, 虽然繁琐, 但一旦设计完成, 可以进行复制, 还能重复利用, 而且相似部件可以共享其资源, 节省大量的存储空间。
1.1 考虑颜色对心理的影响
在人机界面画面设计中, 要注重画面色彩的使用和搭配, 每个画面中颜色的数量不易过多, 控制在3-4个之间, 包括背景色、按钮ON及OFF的颜色和与背景色区别的部件颜色, 亮度不能太高。
1.2 考虑使用者的操作习惯
操作人员在长期使用过程中, 逐渐形成一种操作习惯, 包括运行方式和操作方式等, 还有人机界面中的画面功能和布局等等, 加上国内与国外之间的文化差异, 行为习惯不同, 从CRT (Cathode Ray Tube) 行业一下转到液晶玻璃基板生产中来, 在生产过程中, 难免会将以前的行为习惯表现出来, 这就需要在系统设计予以考虑, 逐渐让其适应新的操作方式和生产方式, 跟进新技术的发展。
1.3 设计通用的画面模板
为了实现人机界面中的画面标准化和专业化, 设计通用的画面模板, 规范画面中的所有元素的外观、大小和功能, 所有设备中使用的人机界面的画面都按照此模板进行设计。虽然控制设备不同, 但是功能控制划分基本相同, 再针对自身特点, 添加或更改相应部件和功能即可, 这就减少了现场调试时的沟通工作, 提高了工作效率;界面反映的是信息的总和而并非单一的信息, 倘若在提示、菜单和帮助产生相同术语, 在不同的画面中应具有相似的界面外观、布局、交互方式及信息显示、界面设计要保持风格的一致性。
1.4 操作画面的安全等级
为了保证生产数据和工艺参数等相关数据安全, 在操作画面中设有安全等级, 根据生产需要, 设有操作员、工程师、管理员三个级别, 操作员只有常用操作和信息查看的权限;工程师除了具有操作员基本权限外, 还能进行相关参数设定的权限;管理员具有所有权限, 对所有数据进行管理, 包括操作员和工程师权限的变更。
1.5 画面中设有设备布局图
在画面中添加设备的布局图, 可以直观的查看设备有哪些工位组成, 都有哪些执行机构或控制元件等, 对设备有清晰的认识。在设备上方添加透明按钮, 可以切换到具体的某一工位画面, 进行相关操作或查看运行信息等。并且可以很清楚的模拟玻璃基板运行到了具体的哪个工位或位置, 准确掌握设备运行状况。
1.6 画面中的按钮位置和大小
在画面中添加的按钮, 将主要的、操作频率高的放到主画面的左右两侧, 必要时可以左右手同时操作, 提高及时性和方便性。毕竟, 两侧空间受屏幕大小的限制, 不能摆放更多按钮, 此时, 按功能进行划分, 按功能区域进行摆放。
1.7 设有多种操作模式
在画面中设有设备自动、手动、暂停和恢复 (继续) 等几种操作模式, 为操作人员操作时提供方便。在自动运行条件不具备时, 先对设备进行点动操作, 手动调试, 以便排查设备中所有与之连接的执行机构和传感器是否正常, 正常之后, 再进行自动操作, 进入到自动运行模式。即保证人身和设备安全, 又降低调试难度和减少反复的时间。
1.8 画面中设置帮助功能
由于液晶玻璃基板生产车间内大部分区域为高等级的洁净区, 携带洁净纸质操作手册进入时, 也需要进行多次更衣和风淋才能进入, 很不方便。在画面中制作帮助画面, 根据需要将整个设备的操作功能、操作步骤、操作方法、开机条件、相互的制约条件、参数设定和操作等级等关键性功能分条的书写到画面中, 添加帮助功能会带来诸多好处。
2 现场操作盒的使用
在液晶玻璃基板生产过程中, 人员与系统进行交互的其中另一种方式是通过现场操作盒来实现, 操作盒面板上没有人机界面, 只有相应的按钮和指示灯 (按钮和指示灯是连接到PLC系统中IO模块上的, 并分配有IO地址) 。当需要进行相应操作时, 只需按动相应功能的按钮即可, 指示灯会指示当前的操作功能。
3 系统的记忆功能
为了减轻操作人员的反复操作和记忆负担, 人机界面与PLC配合, 在程序中加入记忆功能, 即在操作中切换了画面, 操作完毕后, 要返回上次操作的画面, 按返回按钮即可返回上次操作的画面, 减少操作步骤, 提高了工作效率。
4 结束语
虽然交互设计在软件和网站等高科技领域发展的较快, 而且逐渐成熟, 然而在工业自动化控制技术方面还有很长的路要走, 液晶玻璃基板生产线中自动化控制技术的交互设计更是如此, 这就需要我们大家共同努力, 把交互设计的工作做好, 做强, 更好的为生产服务。
参考文献
[1]普里斯 (美) 等著.交互设计:超越人机交互[M].刘晓军等译.电子工业出版社, 2003.
[2]库帕 (美) 等著.软件观念革命:交互设计精髓[M].詹剑锋等译.电子工业出版社, 2005.
[3]库帕 (美) 著.交互设计之路:让高科技产品回归人性[M].丁全钢等译.电子工业出版社, 2006.