央廣網(wǎng)天津10月20日消息（記者陳慶濱 通訊員喬仁銘）“橋式吊車”是一種十分常見的裝配運(yùn)輸工具，作為一類典型的欠驅(qū)動機(jī)器人系統(tǒng)，在港口、倉庫、建筑工地等場所得到了廣泛應(yīng)用?！皹蚴降踯嚒币话闶峭ㄟ^有經(jīng)驗(yàn)的工人來操縱吊車，由于缺乏高性能吊車自動控制方法，常規(guī)人工操作方式體現(xiàn)出許多不足之處，最突出的就是安全隱患。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，由于吊車事故，美國年均死亡200人左右。

近日，2017年度第七屆吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎評審結(jié)果公布，南開大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院教師方勇純、孫寧、張雪波作為完成人的研究成果“一類欠驅(qū)動機(jī)器人系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃與跟蹤控制”，榮獲第七屆吳文俊人工智能自然科學(xué)獎一等獎（唯一的一等獎），該研究成果在“橋式吊車”研究領(lǐng)域取得重大突破，對實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、降低人力成本等方面將產(chǎn)生重要影響。

對于“橋式吊車”這種復(fù)雜的欠驅(qū)動機(jī)器人系統(tǒng)，如何對其實(shí)現(xiàn)高性能控制是當(dāng)前困擾機(jī)器人與控制界的一個難題，亟待設(shè)計(jì)高效自動消擺定位控制方法來部分代替人工操作，減少人力勞動，提高系統(tǒng)的工作效率與安全性能，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。盡管國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，但一些開放性難點(diǎn)，如防擺軌跡規(guī)劃、基于能量的控制方法、輸出反饋控制、伴隨負(fù)載升降運(yùn)動的防擺定位控制、考慮未建模動態(tài)與外界擾動的魯棒控制等實(shí)際問題，仍未得到有效解決。

針對難題，方勇純、孫寧、張雪波與科研團(tuán)隊(duì)成員提出了基于能量分析的高性能消擺定位控制方法、可高效抑制負(fù)載擺動的軌跡規(guī)劃方法、適用于特殊工況的欠驅(qū)動系統(tǒng)高性能控制方法等先進(jìn)控制技術(shù)，來擊破壁壘。

對于基于能量分析的高性能消擺定位控制方法，針對系統(tǒng)的欠驅(qū)動特性，團(tuán)隊(duì)首次引入基于能量分析的思想來解決“橋式吊車”等欠驅(qū)動機(jī)器人系統(tǒng)的控制問題，其核心思想在于深入分析系統(tǒng)的能量分布，在此基礎(chǔ)上，通過提高驅(qū)動與非驅(qū)動狀態(tài)之間的耦合關(guān)系來實(shí)現(xiàn)非驅(qū)動狀態(tài)的高性能控制?；谶@一核心思想，團(tuán)隊(duì)先后提出了若干種適用于不同應(yīng)用場景的先進(jìn)控制策略，并取得了非常好的控制性能。

對于可高效抑制負(fù)載擺動的軌跡規(guī)劃方法，團(tuán)隊(duì)首次將機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)改進(jìn)并應(yīng)用于吊車系統(tǒng)。然而，不同于全驅(qū)動系統(tǒng)，“橋式吊車”等對象的欠驅(qū)動特性使得研究人員只能對驅(qū)動狀態(tài)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，而無法為負(fù)載擺動等非驅(qū)動狀態(tài)加以規(guī)劃。因此在設(shè)計(jì)軌跡時，團(tuán)隊(duì)巧妙地分析了驅(qū)動狀態(tài)與非驅(qū)動狀態(tài)之間的耦合特性，并充分考慮非驅(qū)動狀態(tài)的性能要求來構(gòu)造驅(qū)動狀態(tài)的軌跡?；谶@一思想，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了若干種有效的消擺定位軌跡。

對于適用于特殊工況的欠驅(qū)動系統(tǒng)高性能控制方法，已有控制方法適用于一般工況下的吊車系統(tǒng)，而在一些特殊工作情況下，它們的性能可能會受到影響。為此，該研究針對吊繩長度時變、工作環(huán)境惡劣（如干擾）等特殊工作情況下的吊車控制問題開展了深入研究，并取得了數(shù)項(xiàng)代表性研究成果。

該研究中最大的“瓶頸”在于，如何在最大限度減少貨物擺動的情況下，盡可能提高運(yùn)輸效率。當(dāng)機(jī)器人控制量的維數(shù)小于位形配置空間的維數(shù)時，稱之為欠驅(qū)動系統(tǒng)。以“橋式吊車”為例，由于驅(qū)動電機(jī)只有3個，分別控制臺車在水平兩個方向的位置以及負(fù)載在豎直方向的高度。負(fù)載在兩個方向的擺角并無驅(qū)動電機(jī)直接控制，而只能通過控制臺車驅(qū)動電機(jī)的加減速來間接影響擺角。為此，系統(tǒng)狀態(tài)之間高度耦合，相互影響。直觀地講，如果運(yùn)輸加速太快，往往引起較大的擺角；如果加速過慢，擺動角度雖然較小，但導(dǎo)致運(yùn)輸效率低下。通俗說，負(fù)載擺動和運(yùn)輸效率往往相互矛盾。

張雪波說：“為突破“瓶頸”，團(tuán)隊(duì)成員在反饋控制與軌跡規(guī)劃方面進(jìn)行了一系列深入研究。在反饋控制方面，基于能量分析等方法設(shè)計(jì)了一系列高性能非線性控制器，來克服吊車運(yùn)輸過程中各種擾動的影響；在軌跡規(guī)劃方面，研究了存在約束下的最短時間運(yùn)動規(guī)劃問題，并利用相平面幾何分析的方法提出了簡單易行的臺車運(yùn)行軌跡，隨后，基于非線性耦合分析提出了在線軌跡規(guī)劃技術(shù)。”

經(jīng)過努力，該團(tuán)隊(duì)取得了許多實(shí)質(zhì)性成果，并得到了研究同行的一致認(rèn)可。

孫寧說：“這項(xiàng)研究成果能使‘橋式吊車’減少由于負(fù)載來回?cái)[動浪費(fèi)的能量，大幅降低整體的能耗，達(dá)到節(jié)能減排。吊車的效率將直接影響到港口的吞吐量與經(jīng)濟(jì)效益，成果可以很好地提高吊車系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)一步提升相關(guān)行業(yè)的自動化水平。以前，工人需要利用他們的經(jīng)驗(yàn)并通過其眼睛的觀測來估計(jì)臺車的位置，這樣操作需要長時間的培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)積累，操作效率低，消擺效果差，定位精度差，疲勞時易導(dǎo)致誤操作，存在極大的安全隱患。而采用此項(xiàng)研究成果的吊車可以將負(fù)載的擺動限制到一個非常小的范圍，且實(shí)現(xiàn)無人化操作，將杜絕大多數(shù)的安全隱患?！?/p>

對于科研團(tuán)隊(duì)接下來的工作計(jì)劃，方勇純談到，團(tuán)隊(duì)將充分分析海洋、海風(fēng)、洋流等強(qiáng)干擾的影響，將此項(xiàng)成果技術(shù)移植到船用吊車等系統(tǒng)，移植到無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)、振動篩等到一些類似的機(jī)電系統(tǒng)，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深度推廣，以此提高國內(nèi)吊車行業(yè)的自動化程度與市場競爭力，努力通過南開人的智慧與力量，推動我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展。