基于機(jī)器人系統(tǒng)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革研究

王慶鳳 李 箐

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 吉林長春 130012

自動(dòng)控制原理是電類各專業(yè)的基礎(chǔ)課，要求掌握工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)理論分析聯(lián)系工程實(shí)際[1]。將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法應(yīng)用于本課程的教學(xué)，能使學(xué)生易于掌握自動(dòng)控制理論的基本知識(shí)和技能，也可以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[2,3]。

在國外，許多院校非常重視自動(dòng)控制原理課程中融入控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的教學(xué)。教學(xué)采用豐富的實(shí)例，強(qiáng)調(diào)對(duì)物理系統(tǒng)的建模和按實(shí)際系統(tǒng)的性能要求指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為解決工程實(shí)際問題提供綜合的分析和設(shè)計(jì)方法[4]。在國內(nèi)，強(qiáng)盛等[4]對(duì)基于項(xiàng)目的“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”進(jìn)行了改革探索，給出了本課程的大量設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)報(bào)告要求和成績評(píng)定方法，提出了適應(yīng)國際工程教育的改革設(shè)想和具體措施。周樹道等[5]以雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)為案例介紹了項(xiàng)目式教學(xué)的具體實(shí)施過程，并分析了可能存在的問題及教學(xué)體會(huì)。任金霞等[6]從項(xiàng)目的選擇、項(xiàng)目要求、系統(tǒng)分析、組建團(tuán)隊(duì)和方案確定等幾個(gè)方面闡述了自動(dòng)控制原理課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)實(shí)踐的過程。此外，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在其他工程類課程的教學(xué)上也得到了廣泛的應(yīng)用。

機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種具有感知、決策、執(zhí)行能力的綜合智能系統(tǒng)，是自動(dòng)控制原理的一個(gè)典型研究對(duì)象，能夠?qū)崿F(xiàn)從系統(tǒng)建模、系統(tǒng)性能分析到控制器設(shè)計(jì)的整個(gè)過程的工程實(shí)踐。然而目前的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革中尚無主要以機(jī)器人控制系統(tǒng)為被控對(duì)象的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，本文提出以多功能機(jī)器人作為典型實(shí)例，建立基于機(jī)器人系統(tǒng)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法，提高學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理課程理論知識(shí)的理解和實(shí)際應(yīng)用。其具體內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的建立和機(jī)器人控制系統(tǒng)項(xiàng)目的建立兩個(gè)部分。

圖1 教學(xué)改革內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的建立

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的建立包括項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)體系的設(shè)計(jì)和教學(xué)過程的實(shí)施。

1.1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)體系

根據(jù)自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn)，建立一套以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，在理論教學(xué)中強(qiáng)化實(shí)踐與應(yīng)用，將實(shí)踐貫穿整個(gè)課程的理論與實(shí)踐教學(xué)體系，有助于提高學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的深入理解和運(yùn)用。

在理論教學(xué)體系方面，由于本課程存在知識(shí)點(diǎn)多且涉及面廣、數(shù)學(xué)公式和定理推導(dǎo)多等問題，大二的學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)不易把握全局以及各部分內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)。因此，結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容和工程設(shè)計(jì)的過程，將課程內(nèi)容分成“系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立”“控制系統(tǒng)性能的分析”和“控制系統(tǒng)性能的校正”3個(gè)主要模塊；以系統(tǒng)和方法為主線，在每個(gè)教學(xué)模塊中，循序漸進(jìn)地強(qiáng)化基本理論知識(shí)；以當(dāng)前工程應(yīng)用為背景，通過機(jī)器人具體實(shí)例將理論與實(shí)踐相結(jié)合。在自動(dòng)控制原理課堂教學(xué)中增加有關(guān)機(jī)器人的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)以增強(qiáng)教學(xué)的實(shí)踐性和互動(dòng)性，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性思維。

我國許多高校中的這一課程是按照自動(dòng)化專業(yè)類和非自動(dòng)化專業(yè)類兩種方式講授，通常在非自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)中，對(duì)現(xiàn)代控制理論部分介紹較少，其實(shí)踐應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容也相對(duì)較少。因此，為彌補(bǔ)這一缺陷，設(shè)計(jì)融合實(shí)踐的教學(xué)體系，具體內(nèi)容包括：MatLab，Labview及C語言等自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用；基于自動(dòng)控制原理(網(wǎng)絡(luò))仿真平臺(tái)進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)-基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；以各類機(jī)器人控制系統(tǒng)為工程實(shí)際應(yīng)用的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐-綜合性實(shí)驗(yàn)。在相關(guān)綜合性實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生根據(jù)任務(wù)需要，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)模塊配置、軟件編程、調(diào)試等環(huán)節(jié)。這些實(shí)踐活動(dòng)主要以機(jī)器人系統(tǒng)為應(yīng)用背景，形成以機(jī)器人系統(tǒng)貫穿整個(gè)教學(xué)過程的多層次實(shí)踐教學(xué)體系。實(shí)踐教學(xué)體系中既包含入門的實(shí)驗(yàn)，又有基礎(chǔ)性的基本實(shí)驗(yàn)，還包含虛擬實(shí)驗(yàn)和開放式綜合實(shí)驗(yàn)，可給有興趣和有能力的學(xué)生提供一個(gè)高級(jí)的實(shí)踐平臺(tái)。

1.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)過程

在“機(jī)器人系統(tǒng)”項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法中，所有需要學(xué)習(xí)和掌握的專業(yè)知識(shí)都圍繞項(xiàng)目展開，需要確定基于機(jī)器人系統(tǒng)的項(xiàng)目內(nèi)容、項(xiàng)目的實(shí)施過程和檢查評(píng)估方法等問題。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，在課程改革的先期，可列出至少3個(gè)典型的機(jī)器人控制系統(tǒng)項(xiàng)目，給出具體的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求(也包括報(bào)告要求，設(shè)計(jì)步驟等指導(dǎo))，每個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目的設(shè)計(jì)都需要涉及三大模塊的內(nèi)容，將每個(gè)項(xiàng)目劃分為相應(yīng)的3個(gè)階段的子項(xiàng)目，在每個(gè)模塊的理論教學(xué)內(nèi)容結(jié)束時(shí)，讓學(xué)生逐步完成各個(gè)子項(xiàng)目，之后再進(jìn)行項(xiàng)目的統(tǒng)一整合設(shè)計(jì)。這樣，至少可以將學(xué)生分成9個(gè)小組來完成3個(gè)典型的機(jī)器人控制系統(tǒng)題目的3個(gè)子項(xiàng)目的內(nèi)容，貫穿了整個(gè)學(xué)期的理論學(xué)習(xí)過程。各小組之間既有橫向的參考，也有縱向的聯(lián)系。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法的實(shí)施如圖2所示，具體操作步驟如下：(1)學(xué)生基于教師發(fā)布的內(nèi)容進(jìn)行選題，也可進(jìn)行自主選題，確定項(xiàng)目研究內(nèi)容；(2)學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)并進(jìn)行分工，明確每個(gè)成員的工作任務(wù)；(3)通過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員查找資料、與教師溝通、成員之間學(xué)習(xí)和交流等方式開展項(xiàng)目的研究；(4)按照項(xiàng)目完成的情況，講解項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程，展示設(shè)計(jì)方案和創(chuàng)新之處。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法是師生通過共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中使學(xué)生能力得到全面鍛煉和提高。

圖2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法的實(shí)施結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目的檢查和評(píng)估主要通過設(shè)置不同的比重來考核以下4個(gè)方面的內(nèi)容：(1)機(jī)器人系統(tǒng)的理論分析，主要包括數(shù)學(xué)模型的建立和系統(tǒng)性能的分析；(2)控制器的設(shè)計(jì)方法；(3)通過軟件編程(如MatLab等)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制算法，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定的功能；(4)查找資料、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、語言表達(dá)、報(bào)告撰寫等方面的能力。考核方式是撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和組織答辯匯報(bào)。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)項(xiàng)目的建立

機(jī)器人控制系統(tǒng)項(xiàng)目的建立包括機(jī)器人項(xiàng)目內(nèi)容的設(shè)計(jì)和機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。

2.1 機(jī)器人項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于“系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模”“控制系統(tǒng)性能的分析”和“控制系統(tǒng)性能的校正”三大模塊和典型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，參考各類自動(dòng)控制原理課程教材中經(jīng)常引用的典型示例，從實(shí)際應(yīng)用中提煉、設(shè)計(jì)和選擇相對(duì)應(yīng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)案例，見表1。

表1 機(jī)器人系統(tǒng)的項(xiàng)目內(nèi)容舉例

(1)倒立擺系統(tǒng)，相對(duì)應(yīng)的機(jī)器人系統(tǒng)是兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)等。

(2)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，相對(duì)應(yīng)的機(jī)器人系統(tǒng)可以是直線行走小車、循跡小車、避障小車、迷宮搜索機(jī)器人等。

(3)彈簧-質(zhì)量-阻尼器機(jī)械位移系統(tǒng)，相對(duì)應(yīng)的可以是仿生機(jī)器人的步態(tài)控制。

(4)速度和位置控制系統(tǒng)，相對(duì)應(yīng)的可以是分揀機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)械手臂控制系統(tǒng)、四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)等。

這樣由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上升為工程實(shí)際的各類機(jī)器人控制項(xiàng)目的綜合性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)單個(gè)訓(xùn)練與綜合設(shè)計(jì)的統(tǒng)一，而其中的部分內(nèi)容可以作為課堂“微實(shí)驗(yàn)”的演示和MatLab虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真。通過一個(gè)項(xiàng)目案例貫穿三大模塊，模塊內(nèi)容之間層層遞進(jìn)，前后關(guān)聯(lián)，使自動(dòng)控制原理理論課內(nèi)容的線索更加清晰。

在先期的3個(gè)典型的機(jī)器人控制系統(tǒng)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，補(bǔ)充更多的機(jī)器人項(xiàng)目供學(xué)生按照興趣進(jìn)行選擇研究。將項(xiàng)目分為不同的等級(jí)，難度依次遞增；將項(xiàng)目進(jìn)行合理的分類，給出性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求；對(duì)每個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)地說明，包括涉及的控制理論知識(shí)、硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景等，逐步增加項(xiàng)目的種類和數(shù)量，構(gòu)建更完整、多樣的項(xiàng)目題庫。項(xiàng)目題庫的建立是個(gè)長期的、需要不斷充實(shí)和維護(hù)的過程，在教學(xué)和科研中需要不斷搜集和更新。

2.2 機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)搭建

為使學(xué)生將主要學(xué)習(xí)精力放在自動(dòng)控制理論知識(shí)的應(yīng)用上，需要做好硬件平臺(tái)的準(zhǔn)備工作，其工作量較大，是需要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。由教師、研究生等共同開發(fā)各類機(jī)器人項(xiàng)目平臺(tái)，這種方案設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)靈活多樣，但設(shè)計(jì)與制作周期長，工作量大，機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)差一些，為此，提出以下兩種方案。

方案一：針對(duì)每一個(gè)機(jī)器人控制項(xiàng)目購買成型的硬件系統(tǒng)。這種方案使得教師和學(xué)生不用過多考慮被控對(duì)象的制備，把更多時(shí)間放在對(duì)被控對(duì)象模型的研究和控制器的設(shè)計(jì)上。目前由于機(jī)器人的創(chuàng)新發(fā)展，國內(nèi)外不斷涌現(xiàn)新的機(jī)器人公司，例如，美國的3D Robotics，ABB Robotics，Aethon等機(jī)器人開發(fā)公司，中國的新松、大疆等機(jī)器人自動(dòng)化公司，涉及移動(dòng)機(jī)器人、仿人、工業(yè)、機(jī)械手、無人機(jī)等自動(dòng)化裝置，足以滿足教學(xué)的需要。這種方案可以使學(xué)生實(shí)踐本課程理論知識(shí)的同時(shí)，提高對(duì)機(jī)電一體化的認(rèn)識(shí)；缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)也有一定的要求。

方案二：選擇機(jī)器人組件系統(tǒng)平臺(tái)作為硬件基礎(chǔ)。例如，EV3機(jī)器人組件系統(tǒng)。在美國、日本和中國，越來越多的大學(xué)本科教育引入這樣的教學(xué)平臺(tái)，用于編程、機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制等領(lǐng)域的教學(xué)。這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，構(gòu)件具有很大的靈活性，傳感器可擴(kuò)展，可以根據(jù)需求進(jìn)行任意組建，建成不同功能的機(jī)器設(shè)備，還可以連接到計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板，進(jìn)行編程以達(dá)到控制的目的。這種方案采用一套組件就可以搭建不同功能的機(jī)器人系統(tǒng)，而且學(xué)生只需要在MatLab/Simulink中進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、仿真及運(yùn)行機(jī)器人，非常適合大二學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)控制原理課程的學(xué)習(xí)。

以上的機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)搭建的方案可根據(jù)教師和實(shí)驗(yàn)室的條件進(jìn)行選擇。

3 結(jié)語

本文對(duì)基于機(jī)器人系統(tǒng)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法進(jìn)行了研究，包括項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法的建立和機(jī)器人控制系統(tǒng)項(xiàng)目的建立。實(shí)踐表明，此教學(xué)改革能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。