基于双轮自平衡小车的创新实验课教学内容设计

钱玉恒, 杨亚非

(哈尔滨工业大学 飞行器控制实验教学中心, 黑龙江 哈尔滨 150001)

建设创新型国家已成为国家发展的核心战略,培养创新人才、服务创新型社会是大学人才培养的中心任务[1]。我校在精英型科技人才培养目标指导下,结合国家创新型人才需求,集中实验教学资源,开设了系列创新实验课,自动化专业开设的“系统化、网络化自动控制元件创新实验课”(以下简称创新实验课)就是其中之一。飞行器控制实验教学中心已为课程配备了20多种实验系统和对象供学生选择,如三自由度直升机、探索者机器人、双轮自平衡小车、扭矩仪、力矩陀螺、磁悬浮球等,经过多年创新实验教学,教学内容日趋完善,许多实验项目深受学生青睐,其中双轮自平衡小车(以下简称平衡车)就极为典型。

平衡车占地面积小、小巧灵活、便捷环保,是青年人喜欢的短距离代步工具[2]。平衡车是运动式一级倒立摆,具有多变量、非线性、强耦合特点,是多输入、多输出的复杂控制系统,也是自动控制领域研究的经典对象[3]。选择平衡车实验对象既能能展现时代感,又能体现应用产品与自动化知识的紧密融合,含有寓教于乐特点。

1 课程教学目标与指导思想

课程围绕自控元件和控制系统知识展开创新教学,面向全校工科类大二以上所有专业学生,共24学时、1个创新学分,是自动化创新实验重要平台,也是交叉专业学习自动化知识极佳平台。课程指导思想是立足智知、鼓励探究、追求问题、重在创新。教学目标是注重创新能力培养,兼顾设计能力、思辨能力及实验能力锻炼,提高学生科研水平。

平衡车创新课程任务是完成平衡车设计、制作及运动控制，其教学内容规划了元件级、单元级及系统级3个层次,各层次配备多个实验项目,以问题为核心设计每个实验项目,让学生在求疑、求异思辨过程中发现问题和解决问题。平衡车制作涵盖电子、计算机、机械及控制等多学科知识,知识交叉特点显著,制作中出现的电子元件、电子线路、机械部件、软件及控制等各种问题很多,有利于创新思维锤炼和实施“问题式”教学[4]。

创新能力既要培养创新思维能力,也要培养智力能力和科研能力。课程采用元件化设计理念,设置元件层实验,要求学生独立设计电路,并要手工制作系统板、主控板及驱动板,加强动手能力锻炼。设置单元层实验,要求学生熟练使用检测和执行部件,拓展学生知识面,实现观察力、想象力及分析能力培养。

平衡车教学采用小组形式,每组通常4人以上,由学生推荐的组长负责实验管理,组员既有分工又有合作,组员专业要尽量交叉。课程由学生主导实验,教师只起辅助教学作用,多数问题由小组讨论解决,即使遇到比较复杂问题,教师也只是参与讨论,且不预设结论,挖掘学生潜能[5]。这样,帮助学生独立思考和科学追求,学生之间的相互协作和促进,可培育组织能力与合作精神,有助于学生科研素质的提高。

2 平衡车整体结构

全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛的知名度很高[6],其中包括平衡车比赛项目。选用“飞思卡尔”平衡车实施教学,不仅授课成本低,且能激发学生创新兴趣。平衡车系统整体结构见图1。

图1 平衡车系统整体结构

课程选E型平衡车作车架基础,包含车身、2个直径6 cm车轮、2个直流有刷电机、减速齿轮组和7.2V电源。车架上加装微处理器、陀螺仪和加速度计、光电传感器、PWM驱动和遥控器等部件构成平衡车系统[7]。

平衡车微处理器采用32位MK60DN512VLL10芯片(K60),K60具有ARM Cortex-M4内核,适合复杂数据处理和运算,高精度AD易于采集传感器参数,灵活IO中断触发利于硬件设计,FTM定时器模块PWM通道可成对工作在相同输出或互补输出,省去了外围死区电路。时钟、滤波、稳压等外部电路能有效保证微处理器正常工作。

平衡车微处理器调试软件使用IAR Embedded Workbench,良好的集成开发环境(IDE)和全软件模拟程序方便系统调试和模拟,高度优化的IAR ARM C编译器方便程序编程。平衡车软件功能主要包括传感器信号采集和处理,电机PWM输出,平衡车角度控制、速度控制及方向控制,以及辅助的初始化、状态监控、参数设定等。

3 元件级认知实验

平衡车含有20多种机械零件、50多种电子器件,熟悉这些元件是进行平衡车设计的基础,灵活使用元件、合理组成线路是设计基本功。为此将系统板(微处理器、滤波、稳压等电路)、主控板(降压、滤波等电路)及驱动板(H桥、变压等电路)制作设计成元件级实验,实验需要学生自主设计和动手焊接,掌握元件知识的精巧应用,将会极大提升学生认知能力。具体元件级实验项目见图2。

图2 元件级认知实验项目

学生对元件识别与检测实验不仅要学懂芯片、阻容等元件原理和用法,还要学会系统板、主控板和驱动板中各种电路作用和应用技巧。更应熟知元件的差异化特点,以便消除元件差异化对系统造成的影响。

电子器件焊接实验主要以锻炼学生动手能力为主,学会焊接工艺与技巧,懂得焊板质量检查,掌握焊接布局与焊接次序。

车身元件实验要使学生熟悉车架、车轮、减速器及电源等部件特点,关注机械零件制造偏差特征,知悉零件误差对控制系统的影响,特别要学会电源测试和筛选方法,保证平衡车动力可靠性。

4 单元级拓展实验

单元级拓展实验主要是扩大学生知识面,学懂微处理器、传感器、电机驱动等单元技术特点,这些单元性能决定着平衡车制作质量,做好单元测试实验是制作平衡车基础,也是保证平衡车控制性能的重要环节,具体单元级实验项目见图3。

微处理器单元实验要求熟悉微处理器外部接口属性,特别要掌握外部接口的灵活运用,要熟悉外部电路设计,学会滤波、防静电等电路使用方法。

检测单元实验主要包括角度测量、速度测量和图像测量。速度测量用编码器脉冲输入,测量误差相对较小。图像测量只有黑白两色,灰度分辨也较容易。而陀螺仪角度测量存在累计误差,加速度计角度测量抗干扰能力弱,使用单一角度测量元件很难获得准确测量数据,这需要设计互补角度测量方案,并通过零位校准和角度标定实验,验证互补角度测量方案的准确性[8-9]。

图3 单元级拓展实验项目

电机驱动单元实验有助于学生掌握H桥驱动电路,熟悉电机工作原理和调节特性,学会处理H桥电路开关管时序控制和电机死区问题。

平衡车装配实验关键是要以平衡车稳定和控制为核心,合理配置重心,准确安装测量单元,以便确保平衡车性能。

5 系统级探索实验

平衡车是复杂的控制系统,要从系统角度研究平衡车稳定性、准确性,平衡车技术不仅涉及数学、物理等知识,也涉及许多未学过的知识[10]。透过平衡车系统实验的真实感受,能帮助学生认识理论和实践的差异。系统实验中蕴含的大量问题有助于提高学生的探索乐趣,有利于开辟学生的创新思维空间。

5.1 系统级探索实验软件实现

平衡车软件采用微处理器软件支持的C语言编程,主程序按功能划分为初始化、中断、角度控制、速度控制、方向控制及控制算法子程序,各部分软件都要与硬件密切结合,具体软件构成见图4。

图4 平衡车软解构成

平衡车软件肩负着硬件功能的全面实现,需要承担数据采集、数据处理、控制运算、控制参数优化等任务,精炼的的程序设计,是实现平衡车性能的根基。学生通过软件设计与编程训练能学会微处理器端口应用技巧,熟悉嵌入式程序特点,知悉控制程序和计算机程序的差别,学会运用系统硬件规划中断程序和设计中断周期,确保控制系统精度[11]。

5.2 探索级实验项目

平衡车控制系统涵盖多学科交叉技术,且系统比较复杂,系统级探索实验是元件级和单元级实验的升华,面临的问题更多,需要思考的难点更明显。探索性实验将注重学生系统思想培养,着重呈现平衡车制作的各种问题,如检测误差、平衡及精度等,让学生深刻体会实验在创新活动中的重要地位,知晓什么是真正的能力,将学生引领到理论和实践协调发展的轨道上,解决学生普遍存在的眼高手低现象[12]。具体系统级探索实验项目见图5。

图5 系统级探索实验项目

数学模型实验要学会理论模型的简化技巧和系统参数辨识方法,懂得实际模型和理论模型的差异机理,为系统控制打下坚实基础[13]。

系统调试实验主要注重角度和速度控制的稳定性问题,感受到为什么存在不稳定问题,不稳定机理是什么,如何解决不稳定问题,为什么零位平衡稳定性是稳定的关键，这些看似简单的理论问题,实验调试难度却很大,由此引发学生对控制问题的好奇,引领学生走入探索思维模式,使学生在探索中发现问题,在精细中解决问题。

轨迹运行实验更注重平衡车运行的平稳性、转弯灵活性等整体运行效果,解决平衡车连续运行问题,重视角度、速度及图像检测的准确性,将控制性能由粗犷走向细化。

5.3 系统级挑战实验

设计系统级挑战实验更注重平衡车的产品化属性,让学生感到实验室研究成功并不一定是合格产品,用户接受的产品才是合格产品,产品优劣需要更复杂的应用环境检验。设计平衡车随机轨迹、滑动路面、颠簸路况及凸凹路况挑战性实验就是要检验平衡车的产品化性能,使学生知晓产品研究的重要性。具体系统级挑战实验项目见图6。

图6 系统级挑战实验项目

随机轨迹实验将着重解决大角度转弯的稳定平衡控制问题,滑动路面实验更关注平衡能力问题,颠簸路况实验将检验适应性问题,凸凹路况实验会更看中鲁棒问题,这需要解决更复杂控制问题[14],这些难点问题更容易激发学生的研究兴趣。

6 平衡车创新教学成效

经过多年教学积累,已形成比较完整的平衡车创新实验,从学生创新实验对象选题热情和评教结果来看,平衡车教学设计适合学生的创新需求,实验内容既有广度也有深度。许多学生在课程结束后仍然找教师共同讨论问题,说明学生的问题式思考模式正在逐步建立,“问题式”教学方法获得认可。图7是学生创新实验课制作的部分平衡车。

图7 学生创新实验课制作的部分平衡车

7 结语

以我校创新实验课人才培养教学目标为指引,设计了平衡车创新实验课教学内容,依据平衡车具有的多变量、非线性、强耦合特点,将教学内容设计为元件级、单元级及系统级3个层次,实验难度从认知到挑战逐步攀升,元件级认知实验主要关注基础能力训练,单元级拓展实验重点放在扩大知识面,系统级探索实验注重软硬件综合应用,系统级挑战实验更强调创新能力。

另外,详细介绍了各层次实验项目的核心问题和实验目的,从问题角度阐述了“问题式”教学的重要性。学生平衡车实物制作所遇到的大量技术问题,即能培养独立思考,也能锻炼创新思维。经过多年平衡车创新实验教学积累,其教学内容设计合理,“问题式”教学方法取得了显著效果。