基于机器人系统项目驱动的自动控制原理课程教学改革研究

2020-01-09王庆凤

中国现代教育装备 2019年23期

王庆凤李箐

吉林大学电子科学与工程学院吉林长春 130012

自动控制原理是电类各专业的基础课，要求掌握工业自动化应用技术的理论基础，强调理论分析联系工程实际[1]。将项目驱动法应用于本课程的教学，能使学生易于掌握自动控制理论的基本知识和技能，也可以提高学生的工程实践能力和创新能力[2,3]。

在国外，许多院校非常重视自动控制原理课程中融入控制系统设计项目的教学。教学采用丰富的实例，强调对物理系统的建模和按实际系统的性能要求指导系统的设计，为解决工程实际问题提供综合的分析和设计方法[4]。在国内，强盛等[4]对基于项目的“自动控制原理课程设计”进行了改革探索，给出了本课程的大量设计题目、设计报告要求和成绩评定方法，提出了适应国际工程教育的改革设想和具体措施。周树道等[5]以雷达天线伺服控制系统为案例介绍了项目式教学的具体实施过程，并分析了可能存在的问题及教学体会。任金霞等[6]从项目的选择、项目要求、系统分析、组建团队和方案确定等几个方面阐述了自动控制原理课程项目驱动教学实践的过程。此外，项目驱动教学法在其他工程类课程的教学上也得到了广泛的应用。

机器人控制系统是一种具有感知、决策、执行能力的综合智能系统，是自动控制原理的一个典型研究对象，能够实现从系统建模、系统性能分析到控制器设计的整个过程的工程实践。然而目前的自动控制原理课程教学改革中尚无主要以机器人控制系统为被控对象的项目驱动教学方法，本文提出以多功能机器人作为典型实例，建立基于机器人系统的项目驱动式教学方法，提高学生对自动控制原理课程理论知识的理解和实际应用。其具体内容结构图如图1所示，主要包括项目驱动式教学方法的建立和机器人控制系统项目的建立两个部分。

图1 教学改革内容结构图

1 项目驱动式教学方法的建立

项目驱动式教学方法的建立包括项目驱动式教学体系的设计和教学过程的实施。

1.1 项目驱动式教学体系

根据自动控制原理的课程特点，建立一套以理论教学为基础，在理论教学中强化实践与应用，将实践贯穿整个课程的理论与实践教学体系，有助于提高学生对于理论知识的深入理解和运用。

在理论教学体系方面，由于本课程存在知识点多且涉及面广、数学公式和定理推导多等问题，大二的学生在学习时不易把握全局以及各部分内容之间的关联。因此，结合理论教学内容和工程设计的过程，将课程内容分成“系统数学模型的建立”“控制系统性能的分析”和“控制系统性能的校正”3个主要模块；以系统和方法为主线，在每个教学模块中，循序渐进地强化基本理论知识；以当前工程应用为背景，通过机器人具体实例将理论与实践相结合。在自动控制原理课堂教学中增加有关机器人的教学演示实验以增强教学的实践性和互动性，能够有效激发学生的学习兴趣和创造性思维。

我国许多高校中的这一课程是按照自动化专业类和非自动化专业类两种方式讲授，通常在非自动化专业的教学中，对现代控制理论部分介绍较少，其实践应用的教学内容也相对较少。因此，为弥补这一缺陷，设计融合实践的教学体系，具体内容包括：MatLab，Labview及C语言等自动控制系统分析与设计工具的应用；基于自动控制原理(网络)仿真平台进行的虚拟实验-基础实验；以各类机器人控制系统为工程实际应用的项目设计与实践-综合性实验。在相关综合性实验中，让学生根据任务需要，在教师指导下进行机器人系统模块配置、软件编程、调试等环节。这些实践活动主要以机器人系统为应用背景，形成以机器人系统贯穿整个教学过程的多层次实践教学体系。实践教学体系中既包含入门的实验，又有基础性的基本实验，还包含虚拟实验和开放式综合实验，可给有兴趣和有能力的学生提供一个高级的实践平台。

1.2 项目驱动式教学过程

在“机器人系统”项目驱动式教学方法中，所有需要学习和掌握的专业知识都围绕项目展开，需要确定基于机器人系统的项目内容、项目的实施过程和检查评估方法等问题。

根据实验室条件，在课程改革的先期，可列出至少3个典型的机器人控制系统项目，给出具体的性能指标和设计要求(也包括报告要求，设计步骤等指导)，每个机器人项目的设计都需要涉及三大模块的内容，将每个项目划分为相应的3个阶段的子项目，在每个模块的理论教学内容结束时，让学生逐步完成各个子项目，之后再进行项目的统一整合设计。这样，至少可以将学生分成9个小组来完成3个典型的机器人控制系统题目的3个子项目的内容，贯穿了整个学期的理论学习过程。各小组之间既有横向的参考，也有纵向的联系。

项目驱动式教学法的实施如图2所示，具体操作步骤如下：(1)学生基于教师发布的内容进行选题，也可进行自主选题，确定项目研究内容；(2)学生组建团队并进行分工，明确每个成员的工作任务；(3)通过项目团队成员查找资料、与教师沟通、成员之间学习和交流等方式开展项目的研究；(4)按照项目完成的情况，讲解项目的实现过程，展示设计方案和创新之处。项目驱动式教学方法是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动，在团队协作中使学生能力得到全面锻炼和提高。

图2 项目驱动式教学法的实施结构图

项目的检查和评估主要通过设置不同的比重来考核以下4个方面的内容：(1)机器人系统的理论分析，主要包括数学模型的建立和系统性能的分析；(2)控制器的设计方法；(3)通过软件编程(如MatLab等)实现设计的控制算法，并驱动机器人硬件系统实现特定的功能；(4)查找资料、团队协作、语言表达、报告撰写等方面的能力。考核方式是撰写实验报告和组织答辩汇报。

2 机器人控制系统项目的建立

机器人控制系统项目的建立包括机器人项目内容的设计和机器人系统平台的搭建。

2.1 机器人项目内容设计

基于“系统数学建模”“控制系统性能的分析”和“控制系统性能的校正”三大模块和典型基础实验内容，参考各类自动控制原理课程教材中经常引用的典型示例，从实际应用中提炼、设计和选择相对应的机器人控制系统案例，见表1。

表1 机器人系统的项目内容举例

(1)倒立摆系统，相对应的机器人系统是两轮自平衡机器人系统等。

(2)直流电机转速控制系统，相对应的机器人系统可以是直线行走小车、循迹小车、避障小车、迷宫搜索机器人等。

(3)弹簧-质量-阻尼器机械位移系统，相对应的可以是仿生机器人的步态控制。

(4)速度和位置控制系统，相对应的可以是分拣机器人系统、机械手臂控制系统、四旋翼飞行器飞行控制系统等。

这样由基础实验上升为工程实际的各类机器人控制项目的综合性实验，促进单个训练与综合设计的统一，而其中的部分内容可以作为课堂“微实验”的演示和MatLab虚拟实验的仿真。通过一个项目案例贯穿三大模块，模块内容之间层层递进，前后关联，使自动控制原理理论课内容的线索更加清晰。

在先期的3个典型的机器人控制系统项目基础上，补充更多的机器人项目供学生按照兴趣进行选择研究。将项目分为不同的等级，难度依次递增；将项目进行合理的分类，给出性能指标和设计要求；对每个项目进行详细地说明，包括涉及的控制理论知识、硬件结构、软件设计和应用前景等，逐步增加项目的种类和数量，构建更完整、多样的项目题库。项目题库的建立是个长期的、需要不断充实和维护的过程，在教学和科研中需要不断搜集和更新。

2.2 机器人系统平台搭建

为使学生将主要学习精力放在自动控制理论知识的应用上，需要做好硬件平台的准备工作，其工作量较大，是需要解决的重点和难点之一。由教师、研究生等共同开发各类机器人项目平台，这种方案设计的机器人系统灵活多样，但设计与制作周期长，工作量大，机器人系统稳定性相对差一些，为此，提出以下两种方案。

方案一：针对每一个机器人控制项目购买成型的硬件系统。这种方案使得教师和学生不用过多考虑被控对象的制备，把更多时间放在对被控对象模型的研究和控制器的设计上。目前由于机器人的创新发展，国内外不断涌现新的机器人公司，例如，美国的3D Robotics，ABB Robotics，Aethon等机器人开发公司，中国的新松、大疆等机器人自动化公司，涉及移动机器人、仿人、工业、机械手、无人机等自动化装置，足以满足教学的需要。这种方案可以使学生实践本课程理论知识的同时，提高对机电一体化的认识；缺点是成本相对较高，对嵌入式系统的知识也有一定的要求。

方案二：选择机器人组件系统平台作为硬件基础。例如，EV3机器人组件系统。在美国、日本和中国，越来越多的大学本科教育引入这样的教学平台，用于编程、机器人设计、控制等领域的教学。这样的实验平台系统功能强大，构件具有很大的灵活性，传感器可扩展，可以根据需求进行任意组建，建成不同功能的机器设备，还可以连接到计算机、智能手机、平板，进行编程以达到控制的目的。这种方案采用一套组件就可以搭建不同功能的机器人系统，而且学生只需要在MatLab/Simulink中进行算法设计、仿真及运行机器人，非常适合大二学生进行自动控制原理课程的学习。

以上的机器人系统平台搭建的方案可根据教师和实验室的条件进行选择。