從本科生課程中走出的空間任意軌跡彈道軌跡模擬突破
——訪全國(guó)第十三屆“挑戰(zhàn)杯”一等獎(jiǎng)項(xiàng)目《前下視可見(jiàn)光空間五軸模擬系統(tǒng)》
圖為項(xiàng)目第一作者舒德兀在比賽展示現(xiàn)場(chǎng)的項(xiàng)目裝置圖前。
清華大學(xué)的《前下視可見(jiàn)光空間五軸模擬系統(tǒng)》項(xiàng)目在第13屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“全國(guó)‘挑戰(zhàn)杯’”）中斬獲一等獎(jiǎng)。除了獲得“挑戰(zhàn)杯”的殊榮，該項(xiàng)目的實(shí)用化產(chǎn)品已在某國(guó)防研究院得到相關(guān)運(yùn)用，為國(guó)防工業(yè)做出了自己的貢獻(xiàn)。
課程中的創(chuàng)新和工程平臺(tái)的思考
五軸空間運(yùn)動(dòng)的精確控制，一直是國(guó)內(nèi)工程界的一個(gè)難題。國(guó)外一直對(duì)五軸及以上的圓弧插補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)封鎖。來(lái)自清華大學(xué)電機(jī)系的舒德兀、蔣燁、張書(shū)銘、劉天澄、張傳宇、黃杰和精儀系的朱陶元敏等7位同學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)，在電機(jī)系指導(dǎo)教師于慶廣副教授和精儀系指導(dǎo)教師索雙富副教授的帶領(lǐng)下，自主研發(fā)并設(shè)計(jì)了可用于飛行器軌道模擬的五軸系統(tǒng)，通過(guò)五軸電機(jī)控制攝像頭，實(shí)現(xiàn)了空間任意飛行器軌跡的模擬，為研究飛行器空間姿態(tài)、設(shè)計(jì)空間避障方案提供了可能。
當(dāng)問(wèn)及項(xiàng)目的創(chuàng)意來(lái)源時(shí)，項(xiàng)目第一作者舒德兀說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我們正在上自動(dòng)控制原理這門(mén)課，在某次的課程討論中，我們決定設(shè)計(jì)一個(gè)硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制算法。當(dāng)時(shí)我就跟幾個(gè)同學(xué)報(bào)了SRT（大學(xué)生研究訓(xùn)練項(xiàng)目）來(lái)做飛行器飛行狀態(tài)的模擬。用電機(jī)控制的狀態(tài)來(lái)模擬飛行器的每個(gè)自由度，想法比較新穎，但是真正實(shí)現(xiàn)起來(lái)，卻遇到了不少困難。因?yàn)閱蝹€(gè)電機(jī)的控制比較容易，但是如何結(jié)合多個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模擬是卻是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”
基于課程的深入思考，激發(fā)了團(tuán)隊(duì)大膽的想法，通過(guò)堅(jiān)持不懈地努力，最終成就了這件優(yōu)秀作品。舒德兀說(shuō)：“記得最初電機(jī)的選型，機(jī)械框架的搭建，我們心中非常沒(méi)有底。在老師們的支持和指導(dǎo)下，我們獲得了實(shí)現(xiàn)作品構(gòu)想的機(jī)會(huì)。在調(diào)試時(shí)，我們一連幾天都泡在實(shí)驗(yàn)室里，大家都格外珍惜這個(gè)機(jī)會(huì)，覺(jué)得無(wú)論怎樣，都要把這個(gè)構(gòu)想實(shí)現(xiàn)。”
分工合作，系統(tǒng)綜合
該項(xiàng)目的裝置包含三部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電機(jī)控制設(shè)計(jì)和圖像處理的設(shè)計(jì)。最初完成的工作是單個(gè)電機(jī)的控制設(shè)計(jì)和選型工作。由于團(tuán)隊(duì)同學(xué)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和圖像部分不熟悉，他們一方面請(qǐng)了相關(guān)老師來(lái)指導(dǎo)，同時(shí)把團(tuán)隊(duì)分成了3個(gè)小組，并吸收了一些機(jī)械系的同學(xué)加入，幫助完成機(jī)械部分和圖像匹配部分。
項(xiàng)目最大的困難是把機(jī)械設(shè)計(jì)、電機(jī)控制和圖像匹配三個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)合到一起，“那時(shí)總是一個(gè)問(wèn)題解決了，另一個(gè)問(wèn)題又來(lái)了。” 舒德兀說(shuō)。圖像識(shí)別是團(tuán)隊(duì)的短板，于是，他們請(qǐng)教了第十一屆全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”一等獎(jiǎng)獲得者、電機(jī)系陽(yáng)岳希同學(xué)（指導(dǎo)教師于慶廣副教授），第十二屆全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”二等獎(jiǎng)獲得者、電機(jī)系項(xiàng)頂同學(xué)（指導(dǎo)教師于慶廣副教授），得到了相關(guān)的理論指點(diǎn)，并在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，選取了符合工業(yè)實(shí)際的算法。對(duì)此，舒德兀說(shuō)：“關(guān)鍵是把圖像匹配得到相關(guān)表征指標(biāo)的參數(shù)，比如稀疏度、失真度、距離遠(yuǎn)近的參數(shù)等，加入到控制環(huán)節(jié)的外環(huán)中。對(duì)于控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，我們利用所學(xué)的知識(shí)，建立相應(yīng)的模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)設(shè)計(jì)，并考慮干擾因素的隨機(jī)建模。所有環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都離不開(kāi)我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作。”
在克服困難的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)深深認(rèn)識(shí)到，系統(tǒng)綜合的工作要比分工完成的工作更加具有挑戰(zhàn)性，而對(duì)于理論知識(shí)的融會(huì)貫通，對(duì)于技術(shù)的綜合應(yīng)用正是清華的同學(xué)應(yīng)該尤其具備的。
從實(shí)際產(chǎn)品到模擬裝置
經(jīng)過(guò)層層篩選，該項(xiàng)目最終被選為清華大學(xué)全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”6件參賽作品之一。舒德兀說(shuō)，接到通知后他們很興奮，但也很緊張，因?yàn)樗麄冃枰诓坏絻蓚€(gè)月的時(shí)間里制作出新的模擬裝置，復(fù)現(xiàn)原系統(tǒng)的功能。不過(guò)他們的努力沒(méi)有白費(fèi)，最后設(shè)計(jì)的整個(gè)模擬裝置高1.5米，寬2米，長(zhǎng)3米，共使用5臺(tái)電機(jī)。在電機(jī)系于歆杰副主任提供的教學(xué)經(jīng)費(fèi)的資助下，團(tuán)隊(duì)在主辦方提供的條件非常嚴(yán)苛的現(xiàn)場(chǎng)，完成了機(jī)械部分和電機(jī)控制部分樣機(jī)模擬功能展示。最終，獲得全國(guó)挑戰(zhàn)杯一等獎(jiǎng)。
舒德兀說(shuō)：“參賽的過(guò)程讓我領(lǐng)略了科研的魅力，同時(shí)在逐漸分析的過(guò)程中打消了對(duì)科研畏懼。這次參賽讓我了解到，科研與其他工作一樣，有著自身的規(guī)律和方法——積累知識(shí)，積極探索，勇于實(shí)踐，總能找到合適的途徑，開(kāi)辟出屬于自己的天地。”
在這條路上，團(tuán)隊(duì)同學(xué)一直在團(tuán)結(jié)合作，克服學(xué)科融合間的重重困難，拼盡全力去做好這件事——這不僅僅是為了參賽獲獎(jiǎng)，更是為了挑戰(zhàn)自我，因?yàn)樗麄円恢庇浀贸醮谓佑|“挑戰(zhàn)杯”賽事時(shí)講過(guò)的話(huà)：挑戰(zhàn)，是一種信仰。
（清華新聞網(wǎng)12月23日電）
供稿：電機(jī)系 編輯：范 麗
