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輸工具,，作為一類典型的欠驅(qū)動機器人系統(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,，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)計算機與控制工程學(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)動機器人系統(tǒng)，如何對其實現(xiàn)高性能控制是當前困擾機器人與控制界的一個難題,，亟待設(shè)計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,，如防擺軌跡規(guī)劃、基于能量的控制方法,、輸出反饋控制,、伴隨負載升降運動的防擺定位控制、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,、張雪波與科研團隊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,，團隊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)系來實現(xiàn)非驅(qū)動狀態(tài)的高性能控制,。基于這一核心思想,，團隊先后提出了若干種適用于不同應(yīng)用場景的先進控制策略,，并取得了非常好的控制性能。

對于可高效抑制負載擺動的軌跡規(guī)劃方法,，團隊首次將機器人軌跡規(guī)劃技術(shù)改進并應(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)進行軌跡規(guī)劃,，而無法為負載擺動等非驅(qū)動狀態(tài)加以規(guī)劃。因此在設(shè)計軌跡時,，團隊巧妙地分析了驅(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,，團隊設(shè)計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,，盡可能提高運輸效率,。當機器人控制量的維數(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)動電機只有3個，分別控制臺車在水平兩個方向的位置以及負載在豎直方向的高度。負載在兩個方向的擺角并無驅(qū)動電機直接控制,，而只能通過控制臺車驅(qū)動電機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)致運輸效率低下,。通俗說，負載擺動和運輸效率往往相互矛盾,。

張雪波說：“為突破“瓶頸”,，團隊成員在反饋控制與軌跡規(guī)劃方面進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)計了一系列高性能非線性控制器,，來克服吊車運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,，該團隊取得了許多實質(zhì)性成果,，并得到了研究同行的一致認可。

孫寧說：“這項研究成果能使‘橋式吊車’減少由于負載來回擺動浪費的能量,，大幅降低整體的能耗,，達到節(jié)能減排。吊車的效率將直接影響到港口的吞吐量與經(jīng)濟效益,，成果可以很好地提高吊車系統(tǒng)的工作效率,，進一步提升相關(guān)行業(yè)的自動化水平,。以前,，工人需要利用他們的經(jīng)驗并通過其眼睛的觀測來估計臺車的位置，這樣操作需要長時間的培訓(xùn)和經(jīng)驗積累,，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,。而采用此項研究成果的吊車可以將負載的擺動限制到一個非常小的范圍，且實現(xiàn)無人化操作,，將杜絕大多數(shù)的安全隱患,。”

對于科研團隊接下來的工作計劃,，方勇純談到,，團隊將充分分析海洋、海風(fēng),、洋流等強干擾的影響,，將此項成果技術(shù)移植到船用吊車等系統(tǒng)，移植到無人機吊運系統(tǒng),、振動篩等到一些類似的機電系統(tǒng),，對關(guān)鍵技術(shù)進行深度推廣，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)濟建設(shè)發(fā)展。