欠驱动系统实验室-南开大学机器人与信息自动化研究所

本实验室主要研究集中在欠驱动机电系统的高性能自主控制，包括桥式吊车、船用吊车、自平衡机器人等。
桥式吊车系统在工业生产中，有着极其广泛的应用。同时由于该系统的非线性以及欠驱动特性，其控制难度较高，具有一定的研究意义。在此背景下，课题组对桥式吊车进行了动力学建模，并针对桥式吊车的高效且精确运送，以及运送过程中负载摆动的抑制与消除的问题，申请了相关科研项目，展开了相应的研究，取得了一系列研究成果。同时，为验证所设计方法的有效性，课题组根据实际桥式吊车的结构与特点，自主设计并搭建了桥式吊车实验平台（如图1、2所示），可以很好的模拟桥式吊车系统的工作过程。利用该平台，所提的各种控制方法的有效性均得到了验证。为了更好的模拟实际生产过程中的吊车特性，课题组成员还对具有双摆效应的桥式吊车系统进行了一定的研究，取得了相应的成果。此外，课题组对吊车实验平台进行了相应的改进，用以模拟双摆吊车系统的工作特性。
课题组与天津起重设备有限公司合作搭建32吨自动桥式吊车（如图3所示），自主开发基于DSP与PLC的控制板卡及控制系统，在实现手自动切换，远程遥操作，三维重建及行人检测的基础上，采用基于相平面分析的在线轨迹规划方法实现了较高的定位精度及良好的消摆效果。
除了陆地桥式吊车之外，项目组还在船用吊车的研究方面进行了大量的工作。船用吊车是一种固定于船舶、从事海上作业的特殊起重装置，被广泛应用于海洋设备的建立与维护，海上补给、船体货物装卸等任务。近年来，随着人类的海洋活动越来越频繁，船用吊车的需求进一步增大，并展现出了极高的应用前景。相应地，其研究也受到了来自军用、民用等各个领域极大重视。
不同于陆地吊车，船用吊车经常工作在有强烈外界干扰(海风、海浪等)的恶劣环境。这些外界干扰会严重影响吊车的正常运作，降低吊车整体的工作效率，并带来极大的安全隐患。为了解决上述问题，本实验室致力于分析与研究船用吊车动力学特性，并提出有效的控制算法，从而使得船用吊车即使在强干扰环境下也能顺利进行各种运输任务。为此，我们自主开发了船用吊车平台1套，如图4所示，可以很方便地模拟船用吊车的实际工作情况，为先进自动控制算法设计与验证奠定了基础。

主要科研项目：
1. 国家“十二五”科技支撑计划：“安全高效自动桥式吊车关键技术与系统集成”，项目编号：2013BAF07B03，2013.1~2015.12，总经费973万元（国拨经费473万元），主持人：方勇纯教授。
2. 国家自然科学基金面上项目：“基于能量分析的欠驱动非线性吊车控制系统设计”，项目编号：60875055，2009.1~2011.12，主持人：方勇纯教授。
3. 天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目：“欠驱动非线性桥式吊车自动控制系统设计”，项目编号：08JCZDJC21800，2008.4~2011.3，主持人：方勇纯教授。
4. 国家自然科学基金青年科学基金项目：“受两级摆动影响的吊车系统控制方法研究”，项目编号：61503200，2016.1.1~2018.12.31，主持人：孙宁博士。
5. 天津市自然科学基金青年基金项目：“具有双摆效应的欠驱动起重机建模与防摆控制研究”，项目编号：15JCQNJC03800，2015.4.1~2018.3.31，主持人：孙宁博士。
6. 南开大学中央高校基本科研业务费资助项目：“欠驱动吊车若干控制问题研究”，项目编号：63151008，2015.1.1~2015.12.31，主持人：孙宁博士。
7. 南开大学计控学院 “学科振兴计划”项目，2014.7~2016.12，主持人：孙宁博士。

取得的主要成果：
发表会议、期刊论文51篇，其中包括2篇Automatica，2篇IEEE/ASME Trans. on Mechatronics，4篇IEEE Trans. on Industrial Electronics，1篇IEEE Trans. on Control Systems Technology，4篇IET Control Theory & Applications，1篇ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control，3篇Nonlinear Dynamics，1篇Mechatronics，3篇自动化学报，4篇控制理论与应用。此外，申请/受理国家发明专利10项，其中3项已经授权。
基于这些研究，孙宁与方勇纯于2013年中国控制会议上获得了关肇直奖提名奖。孙宁的博士论文“欠驱动吊车轨迹规划与非线性控制策略设计、分析及应用”获得了2015年南开大学优秀博士论文（并被南开大学推荐为2016年天津市优秀博士论文）；同时，该博士学位论文已被中国知网（CNKI）邀请作为优秀学位论文样例进行推广，将以专著形式进行深度传播。