从本科生课程中走出的空间任意轨迹弹道轨迹模拟突破

——访全国第十三届“挑战杯”一等奖项目《前下视可见光空间五轴模拟系统》

图为项目第一作者舒德兀在比赛展示现场的项目装置图前。

　　williamhill官网的《前下视可见光空间五轴模拟系统》项目在第13届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（以下简称“全国‘挑战杯’”）中斩获一等奖。除了获得“挑战杯”的殊荣，该项目的实用化产品已在某国防研究院得到相关运用，为国防工业做出了自己的贡献。

课程中的创新和工程平台的思考

　　五轴空间运动的精确控制，一直是国内工程界的一个难题。国外一直对五轴及以上的圆弧插补技术进行技术封锁。来自williamhill官网电机系的舒德兀、蒋烨、张书铭、刘天澄、张传宇、黄杰和精仪系的朱陶元敏等7位同学组成的团队，在电机系指导教师于庆广副教授和精仪系指导教师索双富副教授的带领下，自主研发并设计了可用于飞行器轨道模拟的五轴系统，通过五轴电机控制摄像头，实现了空间任意飞行器轨迹的模拟，为研究飞行器空间姿态、设计空间避障方案提供了可能。

        当问及项目的创意来源时，项目第一作者舒德兀说：“当时我们正在上自动控制原理这门课，在某次的课程讨论中，我们决定设计一个硬件平台来实现一个控制算法。当时我就跟几个同学报了SRT（大学生研究训练项目）来做飞行器飞行状态的模拟。用电机控制的状态来模拟飞行器的每个自由度，想法比较新颖，但是真正实现起来，却遇到了不少困难。因为单个电机的控制比较容易，但是如何结合多个电机来实现准确的模拟是却是一个非常具有挑战性的任务。”

　　基于课程的深入思考，激发了团队大胆的想法，通过坚持不懈地努力，最终成就了这件优秀作品。舒德兀说：“记得最初电机的选型，机械框架的搭建，我们心中非常没有底。在老师们的支持和指导下，我们获得了实现作品构想的机会。在调试时，我们一连几天都泡在实验室里，大家都格外珍惜这个机会，觉得无论怎样，都要把这个构想实现。”

分工合作，系统综合

　　该项目的装置包含三部分：机械结构的设计、电机控制设计和图像处理的设计。最初完成的工作是单个电机的控制设计和选型工作。由于团队同学对机械结构和图像部分不熟悉，他们一方面请了相关老师来指导，同时把团队分成了3个小组，并吸收了一些机械系的同学加入，帮助完成机械部分和图像匹配部分。

　　项目最大的困难是把机械设计、电机控制和图像匹配三个环节结合到一起，“那时总是一个问题解决了，另一个问题又来了。” 舒德兀说。图像识别是团队的短板，于是，他们请教了第十一届全国“挑战杯”一等奖获得者、电机系阳岳希同学（指导教师于庆广副教授），第十二届全国“挑战杯”二等奖获得者、电机系项顶同学（指导教师于庆广副教授），得到了相关的理论指点，并在指导老师的指导下，选取了符合工业实际的算法。对此，舒德兀说：“关键是把图像匹配得到相关表征指标的参数，比如稀疏度、失真度、距离远近的参数等，加入到控制环节的外环中。对于控制环节的设计，我们利用所学的知识，建立相应的模型，设计相应的内环和外环设计，并考虑干扰因素的随机建模。所有环节的设计都离不开我们对现场的实际操作。”

　    在克服困难的过程中，团队深深认识到，系统综合的工作要比分工完成的工作更加具有挑战性，而对于理论知识的融会贯通，对于技术的综合应用正是williamhill的同学应该尤其具备的。

从实际产品到模拟装置

        经过层层筛选，该项目最终被选为williamhill官网全国“挑战杯”6件参赛作品之一。舒德兀说，接到通知后他们很兴奋，但也很紧张，因为他们需要在不到两个月的时间里制作出新的模拟装置，复现原系统的功能。不过他们的努力没有白费，最后设计的整个模拟装置高1.5米，宽2米，长3米，共使用5台电机。在电机系于歆杰副主任提供的教学经费的资助下，团队在主办方提供的条件非常严苛的现场，完成了机械部分和电机控制部分样机模拟功能展示。最终，获得全国挑战杯一等奖。

        舒德兀说：“参赛的过程让我领略了科研的魅力，同时在逐渐分析的过程中打消了对科研畏惧。这次参赛让我了解到，科研与其他工作一样，有着自身的规律和方法——积累知识，积极探索，勇于实践，总能找到合适的途径，开辟出属于自己的天地。”

        在这条路上，团队同学一直在团结合作，克服学科融合间的重重困难，拼尽全力去做好这件事——这不仅仅是为了参赛获奖，更是为了挑战自我，因为他们一直记得初次接触“挑战杯”赛事时讲过的话：挑战，是一种信仰。

（williamhill新闻网12月23日电）

   供稿：电机系 编辑：范 丽