本发明专利技术公开了一种倒立摆远程实验系统，包括倒立摆系统、实验系统服务器、远程用户计算机、网络系统和视频传输系统。网络系统用于连接远程用户计算机与实验系统服务器。实验系统服务器连接倒立摆系统，进行倒立摆系统的软件仿真和控制，并将仿真结果和倒立摆视频图像返回远程用户计算机。远程用户计算机通过实验系统服务器发送对倒立摆系统进行控制的控制命令，并显示从实验系统服务器接收的软件仿真结果和倒立摆实时控制状态的视频图像。视频传输系统与实验系统服务器连接，实时地拍摄倒立摆系统运行的视频图像，将所拍摄到的视频图像传输到远程用户计算机。该系统突破了传统实验的时间和空间限制，使有限的实验室资源得到最大限度的利用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自动控制技术科研与教学领域，特别涉及一种能通过远程实 验系统进行倒立摆实验的倒立摆远程实验系统。
技术介绍
高等教育中许多理论和技术应用的教学需要实验演示以增强形象性效果 和形象性验证。倒立摆控制系统是一个典型的不稳定的、高阶次、多变量、 强耦合的非线性系统，是进行自动控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题如非 线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。然而，由于 学生理论课程安排较满，能够选做实验的时间非常有限，同时倒立摆实验设 备比较昂贵，维修费时，资源有限。由此可见，倒立摆实验的效果、学生的 学习热情与现有的设备资源、实验可选做时间之间形成了明显的矛盾。计算机技术特别是网络技术的应用为实验教学提供了强有力的辅助。随 着计算机科学的快速发展，计算机辅助实验教学技术也得到快速发展为实验 教学提供了新的广阔途径。计算机辅助实验教学主要涉及软件技术、多々某体 技术、虚拟现实技术、网络技术和远程控制技术等。但现有的技术存在交互 性差、缺乏物理现实的真实形象感等不足之处，远程实验是在传统实验的基 础上，在采用遥控遥测技术、计算机网络技术和计算机控制技术，这样几项 功能组合应用中，还存在诸多关键问题，有待开发。
技术实现思路
为了解决上述倒立摆远程实验中仪器资源与学生需求之间存在的日益加 剧的矛盾，提高远程教育的水平，在原实验室实验的基础上，结合远程控制 技术、网络技术，以及多媒体技术和虚拟现实技术，针对教学实验的要求和 特点实现低成本、方便的倒立摆远程实验系统。根据本专利技术的一个方面，提供一种倒立摆远程实验系统，包括至少一个倒立摆系统、至少一个实验系统服务器、至少一个远程用户计算机、网络系统和视频传输系统，其特征在于所述网络系统用于连接所述远程用户计算机与所述实验系统服务器；所 述实验系统服务器连接到所述倒立摆系统，为所述远程用户计算机提供远程 访问服务，以进行倒立摆实验的软件仿真和对所述倒立摆系统的控制，并将软件仿真结果和倒立摆实时控制状态的视频图像返回远程用户计算机；所述远程用户计算机通过所述实验系统服务器发送对所述倒立摆系统进行控制的 控制命令，并显示从所述实验系统服务器接收的软件仿真结果和倒立摆实时控制状态的视频图像；以及所述视频传输系统与所述实验系统服务器连接， 实时地拍摄所述倒立摆系统运行的视频图像，并将所拍摄到的视频图像通过 所述实验系统服务器经所述网络系统传输到远程用户计算机。优选地，所述视频传输系统包括摄像头和视频传输软件，所述摄像头实 时地拍摄所述倒立摆系统运行的视频图像，视频传输软件将所拍摄到的视频 图像通过所述实验系统服务器经所述网络系统传输到远程用户计算机。优选地，所述网络系统是因特网或局域网。优选地，所述实验系统服务器进一步包括用于从倒立摆系统获取实验参 数并向倒立摆系统传送控制命令的数据采集卡。优选地，所述实验系统服务器基于Matlab软件平台和Simulink仿真软件， 所述用户计算机通过网络系统远程登录所述实验系统服务器后，利用实时工 具箱、Matlab实时窗口目标工具箱和MatlabSimulink仿真工具，通过所述数 据采集卡控制倒立摆系统。根据本专利技术的另一方面，提供了一种倒立摆系统远程实验方法，包括以 下步骤使用远程用户计算机通过网络系统登录到实验系统服务器；远程用 户计算机通过实验系统服务器设置倒立摆控制参数并进行倒立摆系统仿真； 实验系统服务器将倒立摆系统仿真结果返回远程用户计算机；实验系统服务 器根据控制命令控制倒立摆系统；以及实时地拍摄倒立摆系统的状态并将所 拍摄到的视频图像通过视频服务器传输到远程用户计算机。优选地，所述控制命令是由远程用户通过远程计算机发送到实验系统服 务器的。优选地，所述实验系统服务器基于Matlab软件平台和Simulink仿真软件， 所述用户计算机通过网络系统远程登录所述实验系统服务器后，利用实时工具箱、Matlab实时窗口目标工具箱和Matlab Simulink仿真工具，通过数据采 集卡控制倒立摆系统。优选地，倒立摆系统视频图像是通过摄像头拍摄并且通过视频传输软件 传输到远程用户计算机的。本专利技术采用的以上的技术方案，使远程实验用户进行远程实验时无需借 助实验室工作人员的帮助，即可在异地使用个人计算机通过网络就能对实验 室中的倒立摆进行控制，完成整个倒立摆实验(包括软仿真和硬件在环部分 的实验)，并能在个人计算机上实时观看实验过程中的倒立摆系统的实际运 行状态的画面。从而可以实现与实^^室实^r相同的真实的实-睑体^r，让学生 对倒立摆系统有更深入和直观的理解。本专利技术所述倒立摆系统突破了传统实 验的时间和空间限制，使有限的实验室资源得到最大限度的利用，提高了实 验教学的质量。附图说明图1示出了根据本专利技术的倒立摆远程实验系统的整体结构示意框图。图2示出了根据本专利技术第一实施例的倒立摆远程实验系统的示意框图。图3示出了根据本专利技术第 一 实施例的倒立摆系统的示意图。图4示出了图2所示的倒立摆远程实验系统的一个具体示例。图5示出了在根据图4所示的倒立摆远程实验系统中，在远程用户计算机上显示的倒立摆软仿真结果的计算机屏幕截图。图6示出了在才艮据图4所示的倒立摆远程实验系统中，在远程用户计算机上观看倒立摆自动起摆过程的视频图像的计算机屏幕截图。图7示出了在根据图4所示的倒立摆远程实验系统中，在远程用户计算机上观看倒立摆在控制器的控制下稳定在垂直状态的视频图像的计算机屏幕截图。图8示出了利用本专利技术的倒立摆远程实验系统的实验方法流程图。 具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发 明的第 一实施例作进一步地详细描述。图1示出了根据本专利技术的倒立摆远程实验系统的整体结构示意图。参照图1,倒立摆远程实验系统100包括至少一个远程用户计算机101、网络系统 102、至少一个连接有摄像头103的实验系统服务器104以及至少一个倒立摆 实验平台105。如图1所示，远程用户计算机101通过网络系统102登录到 实验系统服务器104，进而对倒立摆进行软仿真并且实时控制倒立摆实验平 台105。远程用户计算机101的使用者还可以通过摄像头103捕获倒立摆实 验平台105的实时操作画面，对整个实验过程进行可视观察。下面将结合图 2具体描述倒立摆远程实验系统100中各组成部分的功能和详细操作。图2示出了根据本专利技术第一实施例的倒立摆远程实验系统200的示意框 图。参考图2，本专利技术的倒立摆远程实验系统200包括远程用户计算机201、 网络系统202、实验服务器203、倒立摆系统204和摄像头205。其中，网络 系统202用于连接远程用户计算机201与实验服务器203并提供二者之间的 通讯。根据本专利技术的一个实施例，网络系统202可以是因特网、局域网等适 于进行数据传输的任何网络类型。根据本专利技术的另一实施例，远程用户计算 机201与实验服务器203可以有线或无线连接到网络系统202。实验服务器 203包括倒立摆仿真模块以及倒立摆系统实时控制模块(将在下面的图4中 进行详细描述)。实验服务器203为远程用户计算机201提供远程访问服务， 并通过倒立摆仿真模块以本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种倒立摆远程实验系统，包括至少一个倒立摆系统、至少一个实验系统服务器、至少一个远程用户计算机、网络系统和视频传输系统，其特征在于： 所述网络系统用于连接所述远程用户计算机与所述实验系统服务器；所述实验系统服务器连接到所述倒立摆系统， 为所述远程用户计算机提供远程访问服务，以进行倒立摆实验的软件仿真和对所述倒立摆系统的控制，并将软件仿真结果和倒立摆实时控制状态的视频图像返回远程用户计算机； 所述远程用户计算机通过所述实验系统服务器发送对所述倒立摆系统进行控制的控制命 令，并显示从所述实验系统服务器接收的软件仿真结果和倒立摆实时控制状态的视频图像；以及 所述视频传输系统与所述实验系统服务器连接，实时地拍摄所述倒立摆系统运行的视频图像，并将所拍摄到的视频图像通过所述实验系统服务器经所述网络系统传输到远 程用户计算机。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李小兰，王峻，赵世敏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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