基于四軸運動控制教學平臺的多元實踐體系改革

史瑩晶， 李 瑞， 梁 穎

（1.電子科技大學自動化工程學院，成都611731；2.中航工業成都飛機工業有限責任公司，成都610000）

0 引 言

自動化作為一個與工程實踐緊密結合的專業學科，有著很強的實踐性和應用性。但是，現今大多數高校在自動化專業的教學中還是“重理論、輕實踐”，導致了理論與實踐脫節的現象。部分高校雖然針對不同的課程安排了相應的實驗環節，但是所設的實驗多為驗證性實驗，不能夠充分調動學生利用所學知識來解決實際問題的積極性。除此之外，自動化專業包含自動控制原理、微機原理、電力電子技術等眾多專業基礎課程，由于教學過程的分離，導致學生不能夠從整體上將各門課程所學知識有機地結合起來，形成一個完整的知識體系［1-5］。

針對以上問題，設計了一款小型運動控制教學平臺，該平臺將實際工業場景中的運動控制分揀平臺小型化，具體涉及運動控制、嵌入式、單片機、C語言以及傳感器檢測技術等課程相關知識［6-7］。不同于直接購買的運動控制教學設備，該運動控制教學平臺一方面主要面向實際應用，另一方面底層軟硬件開放，具備很大的開發改進空間。可使學生在具體的實踐過程中了解實際的工程應用，為培養適應于社會的應用型人才、實現卓越工程師教育培養目標起到了重要作用。將該平臺應用于自動化專業學生的教學中，在改善教學效果的基礎上，進一步提高學生的創新能力和應用實踐能力。

1 運動控制教學平臺的硬件結構

為了與現今市場上的主流實現方案相一致［8-10］，設計的運動控制教學平臺是基于ARM和DSP雙CPU結構實現的獨立嵌入式運動控制平臺，其中，ARM 以其運算速度快、外設設備豐富的優勢作為主CPU，實現整體控制和對外擴展，DSP 則選用專用的運動控制芯片PCL6045B，實現核心的運動控制功能，具體包括：單軸速度及位置設定與調節、任兩軸的直線插補、任兩軸的圓弧插補、三軸直線插補、最高速度的自動修正、停止時震動抑制以及多種原點復歸方式等。由于主控CPU采用現階段應用最為廣泛的STM32 系列芯片，故而能夠在實踐過程中幫助學生了解和熟悉行業內的主流應用。同時，還能夠以該教學平臺為例對微機原理或嵌入式等課程中相關的知識點進行講解，加深學生對理論知識的理解。整個運動控制教學平臺的結構如圖1 所示。

圖1 運動控制教學實踐平臺硬件體系結構

整個運動控制系統中的運動控制器部分發出3 路運動控制信號（分別對應于空間中的3 個軸），經由相應電動機驅動器驅動電動機以一定的速度轉動一定的角度，進而帶動相應的機械裝置進行運動，實現相應的運動控制功能。該運動控制系統可實現速度以及位置的設定與調節、直線插補、圓弧插補以及限位和原點操作。

為了進一步增強整個運動控制系統的智能性，擬合實際工業場景中的檢測分揀裝置，添加視覺反饋單元來實現對移動目標的檢測追蹤［11-12］。融合視覺檢測的閉環運動控制系統能夠實時檢測移動目標，并根據移動目標的運動狀態選擇相應的運動模式來控制機械執行機構實現對移動目標的追蹤抓取［13］。整個系統的最終實現如圖2 所示，具體包括相應的運動控制器、驅動器、電動機、機械執行機構以及相應的反饋機構。

圖2 運動控制教學平臺的硬件

該運動控制系統能夠很好地模擬實際工業場景中的分揀裝置，讓學生能夠基于該運動控制教學平臺對控制系統的組成有個整體認識，進而幫助學生將所學的基礎課程融會貫通。

2 運動控制教學平臺軟件架構

為了便于學生在具體的實踐過程中積極創新，將相關的運動控制功能進行應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）封裝，方便二次開發。另外，不同于直接購買的運動控制平臺，該運動控制教學平臺是基于ARM ＋PCL6045B 架構實現的，所以整個運動控制平臺不但能夠實現基本的運動控制功能，還將底層軟硬件開放給有余力的學生，使得這部分學生能夠充分發揮創造性，進一步對運動控制平臺進行開發，增強運動控制教學平臺的實用性。運動控制教學實踐平臺的軟件架構如圖3 所示。

由于整個運動控制器部分是基于ARM ＋PCL6045B 架構實現的，所以對基本運動控制功能進行封裝是通過STM32 以一定的時序對PCL6045B里面相應的寄存機讀寫來實現的。通過這部分的實踐，不但能夠加深學生對微機原理以及嵌入式等課程的認識，還能夠鍛煉學生的C 語言編程能力，幫助他們通過所學的知識來解決實際的問題。

圖3 運動控制教學實踐平臺的軟件架構

3 基于運動控制教學平臺的多元實踐體系

作為自動化等相關專業的核心課程之一，運動控制結合眾多相關專業課程，綜合性和實踐性強，很適用于高校相關專業學生的實踐課程［14-15］。開發的運動控制教學平臺基礎功能豐富、系統開放性高，可同時用于運動控制常規實踐和運動控制創新實踐。運動控制常規實踐即是對調速、定位以及直線＼圓弧插補等運動控制功能的驗證，運動控制創新實踐則是在已實現運動控制系統的基礎上，充分利用平臺的開放性來對其進行擴展。

運動控制教學平臺包含人機交互、運動控制器、驅動裝置、電動機、機械執行機構以及相應的反饋機構，具體涉及嵌入式、電動機拖動、C 語言編程、傳感器檢測技術以及機器視覺等相關課程。前期的學習主要是通過課堂理論教學，相應的實踐環節也是對相應知識點的驗證，比較單一且不貼近實際，導致學生常常是為了實踐而實踐，并沒有主動去思考。通過整套運動控制教學平臺就可以將以上各相關課程所學的知識進行融匯，貫穿成一條線，用于解決實際問題，真正地做到學以致用。構建的運動控制實踐教學平臺的多元實踐體系如圖4 所示。

圖4 基于運動控制實踐教學平臺的多元實踐體系

3.1 運動控制常規實踐

運動控制常規實踐主要用于對相關理論的驗證，并對某些難以理解的知識點進行實際演示，使學生能夠從理論和實踐兩個層面同時對相關知識點有全面的認識。比如教授完數控相關課程后，就可以運用該教學平臺實際演示一下相應的直線或圓弧插補；教授完傳感器檢測或視覺檢測等相關課程后，就可以通過平臺上的視覺反饋和限位檢測來加深學生對相關理論知識的理解。

針對本平臺，設計了一組常規運動實驗，包括直線加減速控制、曲線加減速控制、直線插補運動控制、圓弧插補運動控制等實驗。在實驗開展過程中，將參與課程的學生分組，每組學生可以根據自己的興趣參與一個或多個實驗。受篇幅所限，本文僅就“兩軸直線插補運動控制實驗”給出介紹。

當選擇基于最小偏差法的直線插補算法時，設計步驟如下：

（1）區分長短軸。在插補過程中，長軸一直做勻速運動，短軸則需要根據最小偏差值判斷決定是否運動。

（2）計算偏差函數值。設系統當前所在點為p（xi，yi），終點坐標為（xe，ye）。當長軸方向上進給一個脈沖當量后，偏差函數為F（Δx），在長軸、短軸上均進給一個脈沖當量后，偏差函數為F（Δx，Δy），因而，需要判斷Fi＝｜F（Δx，Δy）｜- ｜F（Δx）｜的符號。易知：Fi＝F（x）＋F（x，y）＝2xeyi-2yexi-2ye＋xe。

若Fi＞0，則朝X 軸方向進給一個脈沖當量；若Fi≤0，則朝X、Y軸均進給一個脈沖當量。

（3）判斷運動終止條件。設Xstep表示X軸方向的進給步數，每朝X軸進給1 步，則給出Xstep＋1，當Xstep

等于xe時，說明已經運動到終點，否則繼續進行插補運算。圖5 為在Matlab 中實現的最小偏差法的直線插補仿真曲線。

圖5 最小偏差法直線插補曲線仿真

在開展了基于Matlab 的插補算法分析基礎上，將指導學生完成直線插補算法的現場可編程邏輯門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）實現。

在進行FPGA中實現時，首先設計乘法器，分別計算xeyi、yexi的值。直接使用FPGA 自帶的IP 核（Intellectual Property，是一種預先設計好的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件模塊），可以完成乘法器設計。通用LPM＿MULT（參數化的乘法器模塊），很容易實現系統所需要的乘法運算。類似地，LPM 也有加減速模塊LPM＿ADD＿SUB，調用此模塊庫，可實現加減法功能。因而，通過調用這些IP 核，可以實現Fi計算。在實現了Fi的計算之后，將利用最小偏差法的算法規則計算插補運算的運動控制，判斷邏輯很簡單，在FPGA 中易于實現。圖6 為在Modelsim（FPGA/ASIC設計的首選仿真軟件）中仿真的直線插補波形。

圖6 Modelsim中仿真直線插補波形

經過常規實踐的演示和驗證，不但能夠使學生對晦澀難懂的理論知識有一個直觀的認識，還可通過將理論運用于實踐，激發學生的學習熱情。

除此之外，由于該運動控制教學平臺是對實際工業場景中的分揀平臺的模擬，故而能夠很好地對相關工業場景進行再現，使學生對典型的運動控制場景有一個直觀感性的認識，讓他們了解自己所學的知識在實際工程中的應用，在激發學生興趣的同時充分調動他們的學習熱情。

3.2 運動控制創新實踐

運動控制創新實踐是在運動控制常規實踐基礎上的拓展與遞進，主要分為相關的課程設計和學生的畢業設計。由于該教學平臺是基于ARM ＋PCL6045B 架構實現的，現階段已實現的皆為基本功能，所以還有很大的開發改進空間。除此之外，不同于直接購買的教學平臺，該運動控制教學平臺還將相關的底層軟硬件開放，保留了相關的擴展接口，很適合在基本架構的基礎上進行進一步的開發。

3.2.1 課程設計類創新實踐

一般來說，前期理論學習主要看重的是學生對知識理解的深度，不太注重相關課程之間的聯系，進而導致學生學到了知識卻不知道這些零碎的知識之間有何聯系，更不知道如何在一個完整的體系中將這些知識有機地結合在一起。有些動手能力較強的學生也苦于條件有限，不能將創新性的想法付諸實踐。為此，可將該運動控制教學平臺用于課程設計類創新實踐，幫助學生在學習了理論知識的基礎上，充分地發揮自己的創造性，將所學知識有機地結合起來。這不但能夠幫助學生建立完整的知識體系，還能夠幫助學生將理論與實踐相結合，真正做到學以致用。課程設計類創新實踐是對常規實踐的進一步提升和拓展。對于課程設計類創新實驗，主要用于所有相關課程結束后，學生充分鍛煉自己的實踐能力、創新能力以及綜合能力，學生可針對自己感興趣的模塊，對整個運動控制系統進行創新性的拓展，使其結構更加完整，功能更加豐富。

在具體的實踐中，針對綜合課程設計課程，設計了一套融合視覺檢測的運動控制系統。該系統通過視覺檢測算法實現對移動目標的實時檢測，并根據相關的檢測結果，設計對應的運動控制策略，針對移動目標的不同運動情況，分別調用單軸控制、直線差補控制以及圓弧插補控制實現對移動目標的追蹤，并在追蹤到移動目標的同時實現對移動目標的抓取。整個系統的結構如圖7 所示。

圖7 融合視覺檢測的運動控制系統的結構

具體來說，針對該系統設計了4 種任務，包括對靜止目標的定位和抓取、普通場景下對移動目標的跟蹤抓取、有其他運動物體干擾時對移動目標的追蹤抓取、有障礙物遮擋情況下對移動目標的追蹤抓取。4 組同學參與了此次教學實踐任務，每組2 名同學。在1 名碩士研究生的帶領下，4 組同學順利完成了預設的任務。這里僅針對有障礙物遮擋的情形，給出簡單介紹。圖8 所示即為發生內部遮擋情況下，整個運動控制系統實現對移動目標的追蹤抓取，該運動控制系統可以有效應對發生外部遮擋以及內部遮擋的情況，實現對不同外部特征的移動目標的追蹤抓取。圖8（a）中是視覺反饋檢測到的移動目標的完整運動軌跡；圖8（b）是移動目標發生內部遮擋重新出現后，運動控制平臺對其進行準確地追蹤抓取的結果。從圖中的結果可見，移動目標運動到障礙物下方時會出現遮擋，但當移動目標繼續運動，重新出現在視覺檢測范圍內時，整個運動控制系統會重新檢測出移動目標，并控制各軸重新對移動目標進行追蹤，不會丟失對移動目標的檢測追蹤。

圖8 融合視覺檢測運動控制系統發生內部遮擋情景下的結果

此外，仿照此系統，有余力的學生可以根據自己感興趣的方向對基本的運動控制平臺進行進一步的設計和改進，在充分鍛煉自己各方面能力的同時做到真正的學以致用。比如，現階段平臺的已控軸為空間垂直的3 個軸向，可在此基礎上進一步增加旋轉軸，來實現更加豐富、更加靈活、更加貼近實際應用的功能。

在扭矩限制器裝配完成后，要求將聯軸器裝在標定設備上進行標定，如果標定過程中發現實際打滑扭矩與要求值偏差超出允許范圍，需要重新調整螺栓的上緊扭矩。

課程設計類創新實驗適宜安排在大三下學期或大四上學期，此時學生已經學完了相關的專業課程，對各門課程相關知識都有了一個較為全面的了解，可針對自己感興趣的方向，對平臺進行拓展，充分鍛煉自身各方面的能力。整個運動控制課程設計以小組為單位，不同成員負責不同任務，并在此基礎上彼此協作，共同完成整個課程設計。這不但有利于學生理論結合實踐、學以致用，鍛煉團隊合作意識，還能夠幫助他們在進一步深造或就業過程中贏得先機。

3.2.2 畢業設計類創新實踐

除了課程設計外，進一步還可以通過學生的畢業設計來進行創新性實踐。相對于課程設計類創新實踐，畢業設計類創新實踐對學生各方面的能力有更高的要求。畢業設計類的創新實踐一般要求學生從系統的角度出發，對整個運動控制平臺有一個完整的認識，而不是僅針對某個模塊進行設計或拓展。學生需要在了解整個系統架構的基礎上，進一步對整個系統的各個模塊進行拓展，實現一個完整的系統設計。

考慮到此類實踐的復雜性，可在進行過程中，以學生為主體，并在此基礎上安排研究生對其進行指導，即在充分調動學生積極性的基礎上適當給予一定的指導，使其能夠在鍛煉自身解決復雜問題能力、應用實踐能力的同時將所學知識充分地融會貫通。針對此類創新實踐，2016 年12 月～2017 年6 月，利用此平臺指導1 名本科畢業生完成了題為基于四軸運動控制平臺的目標檢測與跟蹤的論文。該論文以ARM 為主控制器，配合專用運動控制芯片PCL6045B，實現直線和圓弧插補運動控制；在HSV 顏色空間下，采用基于顏色的方法建立靜止目標檢測的數學模型，在VS2015 加OpenCV的開發環境下實現檢測算法，并進行相機標定。最后在四軸運動控制平臺上結合兩者實現目標的跟蹤。

通過多元化的實踐教學體系，將各個實踐教學環節緊密結合、自然銜接，在理論知識的基礎上，進行實踐操作，進一步通過實踐來對學生的綜合能力進行提升。

4 結 語