CN109495691B - 一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置及其控制方法 - Google Patents

一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置，包括：集装箱体；目标板，其竖直固定设置在集装箱体内；丝杠，其垂直所述目标板设置，且所述目标板沿所述丝杆轴向对称；相机，其可滑动设置在所述丝杠上，且相机镜头与所述目标板垂直相对设置；焦距调焦圈，其可旋转设置在所述相机镜头上，且所述焦距调焦圈周向设置有齿条；主动轮，其设置在所述焦距调焦圈上方，且与所述焦距调焦圈啮合，用于驱动所述焦距调焦圈旋转；第一动力机构和第二动力机构，用于分别驱动所述丝杠旋转和所述主动轮旋转。本发明还提供的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，减少人为产生的试验误差。

Description

一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验 装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速试验技术领域，更具体的是，本发明涉及一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置及其控制方法。
背景技术
激光粒子测速(PIV)是常用的流场可视化试验方法，主要用来测量流场内的速度分布，根据量化及可视化的试验结果，可有效对植物工厂内的空气流动进行优化分析。在对植物工厂内流场进行试验时，烟雾(示踪粒子)会在试验过程中，经植物工厂通风换气系统扩散到外界大气，因此浓度逐渐降低，需要经常重启烟雾发生器补充烟雾，但仍然存在烟雾浓度前后时刻变化较大的问题，增大了试验误差。且在PIV试验时，每次更换试验状态改变测量截面位置时，为保证相机拍摄视野大小不变，都需要重新调整工业相机位置，而且工业相机一般都不具备自动对焦的能力，需要重新对相机进行人工对焦，操作误差大，且工作繁琐。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置，能够主动调节相机与目标板的距离和相机镜头的旋转角度，减少人为产生的试验误差，提高试验效率。
本发明的另一个目的是设计开发了一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，能够精确控制相机与目标板的距离和相机镜头的旋转角度，减少人为产生的试验误差，提高试验效率。
本发明还能基于模糊控制方法控制目标板附近的烟雾浓度，使得目标板附件烟雾浓度的变化率较小，降低试验误差。
本发明提供的技术方案为：
一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置，包括：
集装箱体，其两侧设置有进口和出口；以及
目标板，其竖直固定设置在集装箱体内；
丝杠，其垂直所述目标板设置，且所述目标板沿所述丝杆轴向对称；
相机，其可滑动设置在所述丝杠上，且相机镜头与所述目标板垂直相对设置；
焦距调焦圈，其可旋转设置在所述相机镜头上，且所述焦距调焦圈周向设置有齿条；
主动轮，其设置在所述焦距调焦圈上方，且与所述焦距调焦圈啮合，用于驱动所述焦距调焦圈旋转；
第一动力机构，其输出端与所述丝杠固定连接，用于驱动所述丝杠旋转；
第二动力机构，其设置在所述相机上，且输出端与所述主动轮固定连接，用于驱动所述主动轮旋转。
优选的是，还包括：
滑块，其中心设置有通孔，且周向设置有与所述丝杠配合的内螺纹，能够沿所述丝杠轴向滑动；
电动推杆，其一端垂直固定设置在所述滑块上，另一端与所述相机固定连接，所述电动推杆高度可调节；
第一驱动电机，其输出端与所述丝杠固定连接，用于驱动所述丝杠旋转。
优选的是，还包括：
支撑架，其垂直所述目标板设置；
挡板，其垂直设置在所述支撑架轴向两端，所述丝杠两端可旋转穿过所述挡板；
支撑块，其设置在所述支撑架两端且靠近所述挡板设置，所述丝杠两端可旋转穿过所述支撑块，用于支撑所述丝杠。
优选的是，还包括：
凸起，其轴向设置在所述支撑架上；
凹槽，其设置在所述滑块底面上，且所述凹槽与所述凸起配合。
优选的是，还包括：
红外传感器，其固定设置在所述相机上，用于检测相机镜头与所述目标板的水平距离；
第二驱动电机，其设置在所述相机上，且输出端与所述主动轮固定连接，用于驱动所述主动轮旋转。
优选的是，还包括：
浓度传感器，其设置在所述目标板附近，用于检测目标板处烟雾浓度；
烟雾发生器，其设置在所述集装箱体的进口处，用于向集装箱体内补充烟雾；
控制器，其与所述浓度传感器和烟雾发生器连接，用于接收所述浓度传感器的检测数据并控制所述烟雾发生器工作。
一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：调节电动推杆的高度，使相机镜头与目标板中心处于同一水平线上；
步骤2：控制第一驱动电机旋转，调节相机与目标板的距离，使得相机与目标板的距离满足：
其中，D为相机与目标板的距离，f0为相机的初始焦距，s0为目标板的面积，s为相机的实际拍摄面积，LE为相机镜头像平面的扩充距离，p为相机镜头的放大倍数，dov为相机的景深距离，e为自然对数的底数；
步骤3：控制第二驱动电机旋转，使得焦距调焦圈旋转，且所述焦距调焦圈旋转的角度满足θ：
优选的是，控制器还包括模糊控制器：
将目标板处烟雾浓度C和目标板与相机镜头的距离L输入模糊控制器，所述目标板处烟雾浓度C和目标板与相机镜头的距离L分为7个等级；
模糊控制器输出烟雾发生器的工作时间t，输出分为7个等级；
所述目标板处烟雾浓度C的模糊论域为[0,1]，其量化因子为12；所述目标板与相机镜头的距离L的模糊论域为[0,1]，量化因子为30；输出烟雾发生器的工作时间t的模糊论域为[0,1]，量化因子为35；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入第i个目标板处烟雾浓度C和理想烟雾浓度C0的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行烟雾发生器的工作时间的误差补偿控制。
优选的是，
所述目标板处烟雾浓度C和理想烟雾浓度C0的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为6；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为2；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明提供的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置，能够主动调节相机与目标板的距离和相机镜头的旋转角度，减少人为产生的试验误差，提高试验效率。
(2)本发明提供的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，能够精确控制相机与目标板的距离和相机镜头的旋转角度，减少人为产生的试验误差，提高试验效率。本发明还能基于模糊控制方法控制目标板附近的烟雾浓度，使得目标板附件烟雾浓度的变化率较小，降低试验误差。
附图说明
图1为本发明所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的结构示意图。
图2为本发明所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的结构示意图。
图3为本发明所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的局部结构示意图。
图4为本发明所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的局部结构示意图。
图5为本发明所述集装箱体的结构示意图。
图6是本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的控制示意图。
图7是本发明所述的模糊控制器的输入目标板处烟雾浓度C的隶属度函数图。
图8是本发明所述的模糊控制器的输入目标板与相机镜头的距离L的隶属度函数图。
图9是本发明所述的模糊控制器的输出烟雾发生器的工作时间t的隶属度函数图。
图10是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图11是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图12是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图13是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图14是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-5所示，本发明提供一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置，包括：集装箱体100，其两侧设置有进口110和出口120；以及目标板130，其竖直固定设置在集装箱体110内；垂直目标板130设置有丝杠140，并且目标板130沿丝杠140轴向对称。
滑块141，其中心设置有通孔，且周向设置有与丝杠140配合的内螺纹，使得滑块141能够沿丝杠140轴向滑动，即当丝杠141旋转时，滑块141由于和丝杠140是螺纹配合，使得滑块141能够沿丝杠140轴向滑动。
电动推杆142，其一端垂直固定设置在滑块141上，另一端与相机150固定连接，且相机150的镜头与目标板130垂直相对设置，电动推杆高度142可调节，由于电动推杆142为现有技术中常用的高度可调节的推杆，因此其结构在此不做赘述。
第一驱动电机143，其输出端与所述丝杠140固定连接，用于驱动所述丝杠140旋转。
焦距调焦圈151，其可旋转设置在相机150镜头上，且焦距调焦圈151周向设置有齿条152；在焦距调焦圈151上方设置有主动轮153，且与焦距调焦圈151的齿条152啮合，当主动轮153旋转时，能够带动焦距调焦圈151旋转，进而能够对相机镜头的焦距进行调节，使得相机镜头成像更清楚。
第二驱动电机154，其设置在相机150上，且输出端与主动轮153固定连接，用于驱动主动轮153旋转，进而驱动相机调焦圈151旋转。
支撑架160，其垂直目标板130设置；在支撑架160轴向两端垂直设置有挡板161，丝杠140两端可旋转穿过所述挡板161；在支撑架160两端且靠近挡板161设置有支撑块162，丝杠140两端可旋转穿过支撑块162，用于支撑丝杠140。在支撑架160上轴向设置有凸起163，在所述滑块141底面上设置有凹槽164，且该凹槽164与凸起163配合，能够使得滑块在沿丝杠140轴向运动时，能够稳定的在支撑架160上运动，使得滑块141不会发生漂移现象，使得相机镜头更加稳定。
红外传感器155，其固定设置在相机150上，用于检测相机150镜头与所述目标板130的水平距离；浓度传感器156，其设置在目标板130附近，用于检测目标板130处烟雾浓度；烟雾发生器157，其设置在集装箱体100的进口处，用于向集装箱体内补充烟雾，且在烟雾进口处设置有风扇158，新补充的烟雾经过风机扇叶旋转扰动，均匀充斥于整个来流空气中从而避免新产生过高浓度的局部烟雾对试验段的测量环境产生直接影响，本实施例中，烟雾原材料可选用液态石蜡，并由烟雾发生器加热到340℃，并由二氧化碳带出，烟雾粒子直径10～25μm左右。控制器159，其与所述浓度传感器和烟雾发生器连接，用于接收所述浓度传感器的检测数据并控制所述烟雾发生器工作。
本发明提供的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置，能够主动调节相机与目标板的距离和相机镜头的旋转角度，减少人为产生的试验误差，提高试验效率。
本发明还提供一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：调节电动推杆的高度，使相机镜头与目标板中心处于同一水平线上；
步骤2：通过控制第一驱动电机旋转驱动丝杠旋转，使得滑块沿丝杠轴向运动，调节相机与目标板的距离，使得相机与目标板的距离满足：
其中，D为相机与目标板的距离，f0为相机的初始焦距，s0为目标板的面积，s为相机的实际拍摄面积，LE为相机镜头像平面的扩充距离，p为相机镜头的放大倍数，dov为相机的景深距离，e为自然对数的底数；
步骤3：控制第二驱动电机旋转，使得主动轮旋转带动焦距调焦圈旋转，且所述焦距调焦圈旋转的角度满足θ：
步骤4：控制器还包括模糊控制器和模糊PID控制器，控制流程图如图6所示：
步骤4.1：将目标板处烟雾浓度C(粒子对/判读区范围内)和目标板与相机镜头的距离L(mm)和烟雾发生器的工作时间t(s)进行模糊处理；在无控时，目标板处烟雾浓度C的模糊论域为[0,1]，其量化因子为12；目标板与相机镜头的距离L的模糊论域为[0,1]；量化因子为30；输出烟雾发生器的工作时间t的模糊论域为[0,1]，量化因子为35；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述目标板处烟雾浓度C和目标板与相机镜头的距离L分为7个等级；输出烟雾发生器的工作时间t，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：
(4.1)目标板处烟雾浓度C一定，目标板与相机镜头的距离L增大，需要增大烟雾发生器的工作时间t；
(4.2)目标板与相机镜头的距离L一定，目标板处烟雾浓度C增大时，需要减小烟雾发生器的工作时间t；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一 烟雾发生器的工作时间的模糊控制表
模糊控制器输入目标板处烟雾浓度C和目标板与相机镜头的距离L，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出烟雾发生器的工作时间t，输出烟雾发生器的工作时间t利用重心法解模糊化。
步骤4.2：模糊PID控制器
将第i个目标板处烟雾浓度C和理想烟雾浓度C0的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为6；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为2；PID的比例系数Kp的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数Ki的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数Kd的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图7-14。
其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大Kp Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二 PID的比例系数Kp的模糊控制表
表三 PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表四 PID的微分系数Kd的模糊控制表
输入第i个目标板处烟雾浓度C和理想烟雾浓度C0的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行烟雾发生器的工作时间的误差补偿控制，其控制算式为：
经实验反复确定，模糊PID控制器对烟雾发生器的工作时间t进行精确控制，烟雾发生器的工作时间t为模糊控制器的输出工作时间和PID控制器的工作时间的误差补偿值的加和，使烟雾发生器的工作时间t得以精确控制，使其偏差小于0.1％。
本发明提供的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，能够精确控制相机与目标板的距离和相机镜头的旋转角度，减少人为产生的试验误差，提高试验效率。本发明还能基于模糊控制方法控制目标板附近的烟雾浓度，使得目标板附件烟雾浓度的变化率较小，降低试验误差。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，使用集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置，其特征在于，执行如下步骤：
步骤1：调节电动推杆的高度，使相机镜头与目标板中心处于同一水平线上；
步骤2：控制第一驱动电机旋转，调节相机与目标板的距离，使得相机与目标板的距离满足：
其中，D为相机与目标板的距离，f0为相机的初始焦距，s0为目标板的面积，s为相机的实际拍摄面积，LE为相机镜头像平面的扩充距离，p为相机镜头的放大倍数，dov为相机的景深距离，e为自然对数的底数；
步骤3：控制第二驱动电机旋转，使得焦距调焦圈旋转，且所述焦距调焦圈旋转的角度满足θ：
其中，所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置包括：
集装箱体，其两侧设置有进口和出口；以及
目标板，其竖直固定设置在集装箱体内；
丝杠，其垂直所述目标板设置，且所述目标板沿所述丝杠轴向对称；
相机，其可滑动设置在所述丝杠上，且相机镜头与所述目标板垂直相对设置；
焦距调焦圈，其可旋转设置在所述相机镜头上，且所述焦距调焦圈周向设置有齿条；
主动轮，其设置在所述焦距调焦圈上方，且与所述焦距调焦圈啮合，用于驱动所述焦距调焦圈旋转；
第一动力机构，其输出端与所述丝杠固定连接，用于驱动所述丝杠旋转；
第二动力机构，其设置在所述相机上，且输出端与所述主动轮固定连接，用于驱动所述主动轮旋转；
浓度传感器，其设置在所述目标板附近，用于检测目标板处烟雾浓度；
烟雾发生器，其设置在所述集装箱体的进口处，用于向集装箱体内补充烟雾；
控制器，其与所述浓度传感器和烟雾发生器连接，用于接收所述浓度传感器的检测数据并控制所述烟雾发生器工作；
所述控制器还包括模糊控制器：
将目标板处烟雾浓度C和目标板与相机镜头的距离L输入模糊控制器，所述目标板处烟雾浓度C和目标板与相机镜头的距离L分为7个等级；
模糊控制器输出烟雾发生器的工作时间t，输出分为7个等级；
所述目标板处烟雾浓度C的模糊论域为[0,1]，其量化因子为12；所述目标板与相机镜头的距离L的模糊论域为[0,1]，量化因子为30；输出烟雾发生器的工作时间t的模糊论域为[0,1]，量化因子为35；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
2.如权利要求1所述的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，其特征在于，所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置还包括：
滑块，其中心设置有通孔，且周向设置有与所述丝杠配合的内螺纹，能够沿所述丝杠轴向滑动；
电动推杆，其一端垂直固定设置在所述滑块上，另一端与所述相机固定连接，所述电动推杆高度可调节；
第一驱动电机，其输出端与所述丝杠固定连接，用于驱动所述丝杠旋转。
3.如权利要求2所述的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，其特征在于，所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置还包括：
支撑架，其垂直所述目标板设置；
挡板，其垂直设置在所述支撑架轴向两端，所述丝杠两端可旋转穿过所述挡板；
支撑块，其设置在所述支撑架两端且靠近所述挡板设置，所述丝杠两端可旋转穿过所述支撑块，用于支撑所述丝杠。
4.如权利要求3所述的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，其特征在于，所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置还包括：
凸起，其轴向设置在所述支撑架上；
凹槽，其设置在所述滑块底面上，且所述凹槽与所述凸起配合。
5.如权利要求4所述的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，其特征在于，所述集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置还包括：
红外传感器，其固定设置在所述相机上，用于检测相机镜头与所述目标板的水平距离；
第二驱动电机，其设置在所述相机上，且输出端与所述主动轮固定连接，用于驱动所述主动轮旋转。
6.如权利要求1所述的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：
输入第i个目标板处烟雾浓度C和理想烟雾浓度C0的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行烟雾发生器的工作时间的误差补偿控制。
7.如权利要求6所述的集装箱植物工厂通风内流场激光粒子测速自动对焦试验装置的控制方法，其特征在于，
所述目标板处烟雾浓度C和理想烟雾浓度C0的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为6；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为2；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
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