CN111897206B - 一种用于教学的板球控制装置及系统 - Google Patents

一种用于教学的板球控制装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及教学仪器技术领域，具体公开了一种用于教学的板球控制装置，其中，包括：底座，底座上设置驱动控制机构、机械运动机构和图像采集机构，驱动控制机构和图像采集机构均能够与上位机通信连接，机械运动机构与驱动控制机构连接，图像采集机构位于机械运动机构的上方；驱动控制机构能够根据上位机的实验教学算法的实验控制指令驱动机械运动机构进行运动；图像采集机构能够采集机械运动机构的运动图像，并将运动图像发送至上位机，以使得上位机能够显示实验结果并能够根据运动图像验证实验教学算法进行性能分析。本发明还公开了一种用于教学的板球控制系统。本发明提供的用于教学的板球控制装置方便对各种控制类的实验教学算法的验证。

Description

一种用于教学的板球控制装置及系统
技术领域
本发明涉及教学仪器技术领域，尤其涉及一种用于教学的板球控制装置及一种用于教学的板球控制系统。
背景技术
板球控制系统是一个典型的多变量、非线性的复杂的机械系统和计算机控制系统，涉及机械结构设计、电机驱动、图像处理、控制算法等理论知识。它通过摄像头采集球的位置信息，经过相应的控制算法计算后，来控制平板运动，从而使球运动到理想位置。综上所述，对板球系统的研究具有深远意义。作为一个良好的实验平台对象，它不仅有助于帮助学生更好的理解大学期间学习的控制理论相关课程，也为后续科研奠定了坚实的基础。
当前远程教学成为一大热点。对于大学教育，尤其是对工科知识的学习，物理实验是一个重要的过程。
但就目前的教学器材而言，这种物理实现（实验）并不能远程操控。同时，现在基于传统机器视觉识别小球的方法，虽然可以识别到小球的位置，但是对于识别环境的要求过高，在识别环境中不能出现与小球颜色相近的色块，否则会造成极大的干扰。
因此，如何提供一种方便远程教学的实验教学仪器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种用于教学的板球控制装置及一种用于教学的板球控制系统，解决相关技术中存在的实验教学仪器不方便远程教学的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种用于教学的板球控制装置，其中，包括：底座，底座上设置驱动控制机构、机械运动机构和图像采集机构，所述驱动控制机构和所述图像采集机构均能够与上位机通信连接，所述机械运动机构与所述驱动控制机构连接，所述图像采集机构位于所述机械运动机构的上方；
所述驱动控制机构能够根据上位机的实验教学算法的实验控制指令驱动机械运动机构进行运动；
所述机械运动机构能够根据所述上位机的实验控制指令进行运动；
所述图像采集机构能够采集所述机械运动机构的运动图像，并将所述运动图像发送至所述上位机，以使得所述上位机能够显示实验结果并能够所述根据所述运动图像验证实验教学算法进行性能分析。
进一步地，所述机械运动机构包括：转动平衡板、第一圆柱齿轮组、第二圆柱齿轮组、内圆柱齿轮组和外圆柱齿轮组，所述第一圆柱齿轮组和所述第二圆柱齿轮组均与所述驱动控制机构连接，所述外圆柱齿轮组与所述第一圆柱齿轮组连接，所述内圆柱齿轮组与所述第二圆柱齿轮组连接，所述外圆柱齿轮组的外侧连接有与所述外圆柱齿轮组处于同一平面的固定框架，所述内圆柱齿轮组与所述固定框架连接，所述外圆柱齿轮组与所述转动平衡板连接，
所述第一圆柱齿轮组能够在所述驱动控制机构的驱动下带动所述外圆柱齿轮组运动，以带动所述转动平衡板在第一平面运动；
所述第二圆柱齿轮组能够在所述驱动控制机构的驱动下带动所述内圆柱齿轮组运动，以带动所述转动平衡板在第二平面运动。
进一步地，所述第一平面和所述第二平面垂直。
进一步地，所述驱动控制机构包括第一驱动控制器、第一电机、第二驱动控制器和第二电机，所述第一电机与所述第一驱动控制器连接，所述第二电机与所述第二驱动控制器连接，所述第一驱动控制器和所述第二驱动控制器均与所述上位机通信连接，所述第一电机连接所述第一圆柱齿轮组，所述第二电机连接所述第二圆柱齿轮组；
所述第一驱动控制器能够根据所述上位机的实验教学算法的实验控制指令生成第一驱动指令，所述第一电机能够根据所述第一驱动指令驱动所述第一圆柱齿轮组运动；
所述第二驱动控制器能够根据所述上位机的实验教学算法的实验控制指令生成第二驱动指令，所述第二电机能够根据所述第二驱动指令驱动所述第二圆柱齿轮组运动。
进一步地，所述第一电机和所述第二电机均包括伺服电机。
进一步地，所述第一驱动控制器和所述第二驱动控制器均包括PanasonicMADLT05SF的驱动器。
进一步地，所述伺服电机包括Panasonic MSMF012L1U2M。
进一步地，所述图像采集机构包括摄像头。
进一步地，所述底座上设置支架，所述支架上设置固定脚架，所述摄像头通过所述固定脚架固定在所述支架上。
作为本发明的另一个方面，提供一种用于教学的板球控制系统，其中，包括：上位机和前文所述的用于教学的板球控制装置，所述用于教学的板球控制装置中的驱动控制机构和图像采集机构均与所述上位机通信连接，所述上位机包括多种实验教学算法，所述上位机能够根据实验教学算法输出对应的实验控制指令，所述驱动控制机构能够根据所述实验控制指令驱动机械运动机构进行运动，所述图像采集机构能够采集所述机械运动机构的运动图像，并将所述运动图像发送至所述上位机。
本发明提供的用于教学的板球控制装置，通过上位机可以实现对机械运动机构以及驱动控制机构的远程控制，可以让学习控制理论的学生快速看到实验结果，从而更深入理解控制理论，同时通过图像采集机构可以更准确的获得机械运动机构的运动状态，从而方便对上位机内的各种控制类的实验教学算法的验证。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的用于教学的板球控制装置的俯视图。
图2为本发明提供的用于教学的板球控制装置的侧视图。
图3为本发明提供的用于教学的板球控制装置的主视图。
图4为本发明提供的机械运动机构的俯视图。
图5为本发明提供的机械运动机构的主视图。
图6为本发明提供的机械运动机构的侧视图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种用于教学的板球控制装置，图1至图6是根据本发明实施例提供的用于教学的板球控制装置的结构示意图，如图1至图6所示，包括：底座7，底座7上设置驱动控制机构、机械运动机构和图像采集机构1，所述驱动控制机构和所述图像采集机构均能够与上位机通信连接，所述机械运动机构与所述驱动控制机构连接，所述图像采集机构位于所述机械运动机构的上方；
所述驱动控制机构能够根据上位机的实验教学算法的实验控制指令驱动机械运动机构进行运动；
所述机械运动机构能够根据所述上位机的实验控制指令进行运动；
所述图像采集机构能够采集所述机械运动机构的运动图像，并将所述运动图像发送至所述上位机，以使得所述上位机能够显示实验结果并能够所述根据所述运动图像验证实验教学算法进行性能分析。
本发明实施例提供的用于教学的板球控制装置，通过上位机可以实现对机械运动机构以及驱动控制机构的远程控制，可以让学习控制理论的学生快速看到实验结果，从而更深入理解控制理论，同时通过图像采集机构可以更准确的获得机械运动机构的运动状态，从而方便对上位机内的各种控制类的实验教学算法的验证。
在一些实施方式中，所述图像采集机构采集到所述机械运动机构的运动图像后，可以根据图像处理算法对所述运动图像进行图像处理，得到位于机械运动机构上的小球的实时位置，并将该小球的实时位置发送至上位机，上位机能够显示该实时位置，并根据小球的该实时位置更新实验教学算法的实验控制指令。
在一些实施方式中，所述图像采集机构采集到所述机械运动机构的运动图像后，将该运动图像发送至上位机，上位机能够根据图像处理算法对运动图像进行图像处理，得到位于机械运动机构上的小球的实时位置，并根据该实时位置更新实验教学算法的实验控制指令。
具体地，如图5和图6所示，所述机械运动机构包括：转动平衡板2、第一圆柱齿轮组4、第二圆柱齿轮组8、内圆柱齿轮组5和外圆柱齿轮组6，所述第一圆柱齿轮组4和所述第二圆柱齿轮组8均与所述驱动控制机构连接，所述外圆柱齿轮组6与所述第一圆柱齿轮组4连接，所述内圆柱齿轮组4与所述第二圆柱齿轮组8连接，所述外圆柱齿轮组6的外侧连接有与所述外圆柱齿轮组6处于同一平面的固定框架3，所述内圆柱齿轮组5与所述固定框架3连接，所述外圆柱齿轮组6与所述转动平衡板2连接，
所述第一圆柱齿轮组4能够在所述驱动控制机构的驱动下带动所述外圆柱齿轮组6运动，以带动所述转动平衡板2在第一平面运动；
所述第二圆柱齿轮组8能够在所述驱动控制机构的驱动下带动所述内圆柱齿轮组5运动，以带动所述转动平衡板2在第二平面运动。
需要说明的是，所述第一平面和所述第二平面垂直。
具体地，所述驱动控制机构包括第一驱动控制器、第一电机、第二驱动控制器和第二电机，所述第一电机与所述第一驱动控制器连接，所述第二电机与所述第二驱动控制器连接，所述第一驱动控制器和所述第二驱动控制器均与所述上位机通信连接，所述第一电机连接所述第一圆柱齿轮组，所述第二电机连接所述第二圆柱齿轮组；
所述第一驱动控制器能够根据所述上位机的实验教学算法的实验控制指令生成第一驱动指令，所述第一电机能够根据所述第一驱动指令驱动所述第一圆柱齿轮组运动；
所述第二驱动控制器能够根据所述上位机的实验教学算法的实验控制指令生成第二驱动指令，所述第二电机能够根据所述第二驱动指令驱动所述第二圆柱齿轮组运动。
在一些实施方式中，所述第一电机和所述第二电机均包括伺服电机。
优选地，所述第一驱动控制器和所述第二驱动控制器均包括PanasonicMADLT05SF的驱动器。
优选地，所述伺服电机包括Panasonic MSMF012L1U2M。
应当理解的是，从图中可见所述机械运动机构包括内圆柱齿轮组5、外圆柱齿轮组6、第一圆柱齿轮组4、第二圆柱齿轮组8、转动平衡板2，所述内圆柱齿轮组5与第一圆柱齿轮组4相连，所述外圆柱齿轮组6与第二圆柱齿轮组8相连；所述第一圆柱齿轮组4与所述第二圆柱齿轮组8分别与伺服电机的转动抽相固定；所述内圆柱齿轮组5与连接外圆柱齿轮组6的固定框架3连接。本发明实施例采用内外圆柱齿轮组与第一、第二圆柱齿轮组配合转动的方式，通过调整齿轮比的大小可以提高转动平衡板的转动精度，此设计易于产品调节、改装等。
在一些实施方式中，第一圆柱齿轮组4和外圆柱齿轮组6通过中间的一个齿轮（图中未示出）进行配合，具体运动方式可以为，伺服电机带动第一圆柱齿轮组4顺时针转动，与第一圆柱齿轮组4相齿合的中间圆柱齿轮受力逆时针转动，外圆柱齿轮组6与中间圆柱齿轮齿合，受力顺时针转动，带动转动平衡板2顺时针转动。该实施方式中，转动平衡板2是在第一平面内运动。
另外，以垂直于第一平面，即在第二平面内的运动可以为，伺服电机带动第二圆柱齿轮组8顺时针转动，内圆柱齿轮组5与之齿合，受力逆时针转动，带动转动平衡板2逆时针转动。
具体地，所述图像采集机构1包括摄像头。
进一步具体地， 所述底座上设置支架，所述支架上设置固定脚架，所述摄像头通过所述固定脚架固定在所述支架上。
应当理解的是，所述摄像头固定在摄像头支架上并位于转动平衡板2的正上方，所述支架通过所述固定脚架与底座7相连，具有减震作用，进一步提高了稳定性。
需要说明的是，在上位机上的远程交互操作界面可以由Python语言编写，所述远程交互操作界面具有识别控制面板、系统控制面板、PID参数调节面板及小球运动控制面板，通过远程连接实验室中的板球系统本体，可以方便学生远程操作，该设计成为远程教育、虚拟教育有力的教学手段。
需要说明的是，本发明实施例提供的用于教学的板球控制装置，采用720p分辨率的摄像头作为反馈机构，不同于传统视觉识别方法，本实施例采用fast R-CNN卷积神经网络作为视觉识别模型，提高了识别的准确率，并且具有抗干扰性；与现有技术相比，采用基于深度学习的卷积神经网络来识别物体；另外可以基于Python语言编写的远程交互控制界面，提供了开放式的参数调节接口，并封装了卡尔曼滤波、PID控制等先进性的算法，可以方便学生对于学习过的控制理论知识进行验证。
作为本发明的另一实施例，提供一种用于教学的板球控制系统，其中，包括：上位机和前文所述的用于教学的板球控制装置，所述用于教学的板球控制装置中的驱动控制机构和图像采集机构均与所述上位机通信连接，所述上位机包括多种实验教学算法，所述上位机能够根据实验教学算法输出对应的实验控制指令，所述驱动控制机构能够根据所述实验控制指令驱动机械运动机构进行运动，所述图像采集机构能够采集所述机械运动机构的运动图像，并将所述运动图像发送至所述上位机。
本发明实施例提供的用于教学的板球控制系统，采用前文的用于教学的板球控制装置，通过上位机可以实现对机械运动机构以及驱动控制机构的远程控制，可以让学习控制理论的学生快速看到实验结果，从而更深入理解控制理论，同时通过图像采集机构可以更准确的获得机械运动机构的运动状态，从而方便对上位机内的各种控制类的实验教学算法的验证。
在一些实施方式中，所述上位机采用x86 架构的64位Ubuntu操作系统。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于教学的板球控制装置，其特征在于，包括：底座，底座上设置驱动控制机构、机械运动机构和图像采集机构，所述驱动控制机构和所述图像采集机构均能够与上位机通信连接，所述机械运动机构与所述驱动控制机构连接，所述图像采集机构位于所述机械运动机构的上方；
所述驱动控制机构能够根据上位机的实验教学算法的实验控制指令驱动机械运动机构进行运动；
所述机械运动机构能够根据所述上位机的实验控制指令进行运动；
所述图像采集机构能够采集所述机械运动机构的运动图像，并将所述运动图像发送至所述上位机，以使得所述上位机能够显示实验结果并能够所述根据所述运动图像验证实验教学算法进行性能分析；
其中，所述机械运动机构包括：转动平衡板、第一圆柱齿轮组、第二圆柱齿轮组、内圆柱齿轮组和外圆柱齿轮组，所述第一圆柱齿轮组和所述第二圆柱齿轮组均与所述驱动控制机构连接，所述外圆柱齿轮组与所述第一圆柱齿轮组连接，所述内圆柱齿轮组与所述第二圆柱齿轮组连接，所述外圆柱齿轮组的外侧连接有与所述外圆柱齿轮组处于同一平面的固定框架，所述内圆柱齿轮组与所述固定框架连接，所述外圆柱齿轮组与所述转动平衡板连接，
所述第一圆柱齿轮组能够在所述驱动控制机构的驱动下带动所述外圆柱齿轮组运动，以带动所述转动平衡板在第一平面运动；
所述第二圆柱齿轮组能够在所述驱动控制机构的驱动下带动所述内圆柱齿轮组运动，以带动所述转动平衡板在第二平面运动。
2.根据权利要求1所述的用于教学的板球控制装置，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面垂直。
3.根据权利要求1所述的用于教学的板球控制装置，其特征在于，所述驱动控制机构包括第一驱动控制器、第一电机、第二驱动控制器和第二电机，所述第一电机与所述第一驱动控制器连接，所述第二电机与所述第二驱动控制器连接，所述第一驱动控制器和所述第二驱动控制器均与所述上位机通信连接，所述第一电机连接所述第一圆柱齿轮组，所述第二电机连接所述第二圆柱齿轮组；
所述第一驱动控制器能够根据所述上位机的实验教学算法的实验控制指令生成第一驱动指令，所述第一电机能够根据所述第一驱动指令驱动所述第一圆柱齿轮组运动；
所述第二驱动控制器能够根据所述上位机的实验教学算法的实验控制指令生成第二驱动指令，所述第二电机能够根据所述第二驱动指令驱动所述第二圆柱齿轮组运动。
4.根据权利要求3所述的用于教学的板球控制装置，其特征在于，所述第一电机和所述第二电机均包括伺服电机。
5.根据权利要求3所述的用于教学的板球控制装置，其特征在于，所述第一驱动控制器和所述第二驱动控制器均包括Panasonic MADLT05SF的驱动器。
6.根据权利要求4所述的用于教学的板球控制装置，其特征在于，所述伺服电机包括Panasonic MSMF012L1U2M。
7.根据权利要求1所述的用于教学的板球控制装置，其特征在于，所述图像采集机构包括摄像头。
8.根据权利要求7所述的用于教学的板球控制装置，其特征在于，所述底座上设置支架，所述支架上设置固定脚架，所述摄像头通过所述固定脚架固定在所述支架上。
9.一种用于教学的板球控制系统，其特征在于，包括：上位机和权利要求1至8中任意一项所述的用于教学的板球控制装置，所述用于教学的板球控制装置中的驱动控制机构和图像采集机构均与所述上位机通信连接，所述上位机包括多种实验教学算法，所述上位机能够根据实验教学算法输出对应的实验控制指令，所述驱动控制机构能够根据所述实验控制指令驱动机械运动机构进行运动，所述图像采集机构能够采集所述机械运动机构的运动图像，并将所述运动图像发送至所述上位机。
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