板球系统是球杆系统在平面空间的二维拓展,是一种具有强耦合性、复杂性、非线性、参数不确定性、机械摩擦以及外界随机干扰因素的被控对象,与球杆系统相比,板球系统的控制更为复杂,非线性不稳定的特点表现得更加突出,实验研究的易用性和经典性让它渐渐成为控制理论研究的一个重要研究平台;此外,板球系统在非线性系统的分析及建模、计算机视觉检测、运动控制、机械平台设计、运动轨迹的多目标规划等诸多领域中被广泛提及,多领域的结合特性使得该系统的研究具有挑战性。因此,本文选取板球系统作为研究对象。蛙跳算法作为群智能算法的一种,自提出后被众多学者应用到控制工程领域,并有许多出色的工程应用案例;也用于控制参数的离线整定和优化,这种结合“离线”的控制算法被应用在仿真实验中,控制参数的单一性制约其得到更广泛的应用。如果能将蛙跳算法“在线”地与控制算法结合,在板球系统控制的过程中,实现控制参数的在线自动整定和在线自校正,提高系统的控制品质,这种控制策略尚无案例用于板球系统控制的研究。本文以板球系统为研究对象,对其控制算法进行研究探索,通过引入蛙跳算法对PID控制参数进行“在线”自整定和自校正,从而实现板球系统的优化控制。本文以基于视觉检测的板球系统为对象,对板球系统的控制展开研究。首先,分析了板球系统的物理结构和特性,建立线性化板球系统数学模型;其次,优化板球系统的视觉检测方法,提高系统抗干扰性;接着,提出将蛙跳算法与PID控制“在线”结合的SFLA-PID控制算法,并将该算法成功应用于板球系统的SFLA-PID控制器的设计,实现了板球系统的定点运动控制和定轨迹运动控制,实验结果表明:本文所提出的SFLA-PID控制算法具有可行性,便捷有效,有良好的鲁棒性;将SFLA-PID控制算法应用于板球系统运动控制实验中,定点运动控制精度和控制准确度高,单周期的定轨迹运动控制效果也较好;在进行系统控制的过程中,能够实现PID控制参数的在线自整定和自校正,将系统的不确定性和扰动对控制精度的影响尽可能地降低,从而改善了控制品质,快速达到控制目标。本文的主要内容及创新点阐述如下:第一,对实物研究对象和理论研究对象的背景、意义、研究现状进行系统地阐述,分析了板球系统的物理结构与特性,采用拉格朗日力学原理建立板球系统的动力学模型,选取角度控制量线性化动力学模型,建立了系统完全线性化的数学模型。第二,针对板球系统视觉检测方法的不足,改进、优化和完善图像预处理步骤,提高小球质心定位的准确性和控制系统的整体性能,设计如下视觉检测的优化方法:图像平滑、边缘检测、OTSU阈值二值化、质心提取和小球定位的优化方案。实验结果表明,使用优化后的视觉检测方法,提取质心的结果和小球定位的结果都更准确,使系统具有更好的抗干扰性。第三,利用蛙跳算法具有―淘汰、进化、传承‖的思想,将蛙跳算法与PID控制算法进行―在线‖结合,提出了SFLA-PID参数自整定的控制算法,设计了SFLA-PID控制器,实现了板球系统的定点运动控制。实验结果表明,SFLA-PID控制算法可行,该方法定位控制效果好,优化参数的速度快,具有控制参数在线自整定和自校正的能力,最终能使板球系统快速地达到稳定。第四,将SFLA-PID控制算法、PID控制算法、模糊PID控制算法进行板球系统定点运动的实物控制实验;考虑到实验重复进行多次时,并不是每次都能达到设定的控制要求或控制精度,本文提出一种新的评价指标——控制准确度。进行多次、多类别实物实验后,从控制精度、调节时间和控制准确度三个角度对实验结果进行分析对比,结果表明:在定点控制实验中,本文提出的SFLA-PID控制算法不仅能够达到控制要求,而且控制精度最高,控制准确度最高,控制效果最优;使用SFLA-PID控制算法进行单周期的三角形定轨迹运动控制,跟踪速度快,跟踪效果较好。第五,总结全文工作内容,提出课题研究中存在的问题和后续研究工作。