基于URWPGSim2D平台的课程设计的探索与实践

罗耀耀，黄成洋，葛良全，曾国强，赵 琦，阳小燕

（成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059）

“自动控制原理课程设计”是自动化类专业的学生将控制理论应用于实践的一个非常重要的课程[1]。该实践课程一般是设定一段时间，利用仿真软件或者实验平台开展一些设计工作，达到培养学生的动手能力，以及观察、分析、解决问题的能力[2]。而现在的课程设计的方法主要还是基于“模拟学习机”开展实验[3-4]，或者以采用复杂的控制系统如倒立摆、小车运动控制系统和三容水箱，或者相应的被控模型作为被控对象构建相应的实验平台[6-9]。

受限于实验条件的课程开展时间的制约，自动原理的课程设计工作一般限定在一定的时间范围内，为此，教师一般会给出多个选题供学生进行选择。此外，面对当前对多样化人才的需求，开展跨学科的实验设计工作对培养工程创新型人才具有重大的影响。近几年围绕学院的“5A”培养理念，教师鼓励学生广泛参与学科类专业竞赛，如全国大学生电子设计大赛和“西门子杯”中国智能制造挑战赛，以及各类机器人竞赛等。通过卓越工程师计划改善教学环境，增添教学设备，全面提升电气工程及其自动化的专业人才培养。本文围绕国际水中机器人和四川省机器人大赛的URWPGSim2D竞赛平台，开发了相应的实验教学课程，旨在使学生掌握控制算法在工程中的应用，培养学生运用计算机的能力和创新能力。

1 2D仿真比赛平台

水中机器人水球比赛仿真器 2D版（Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2D Edition，URWPGSim2D）软件作为“中国水中机器人大赛”和“中国机器人大赛暨RobuCup中国公开赛”之水中机器人竞赛的 2D仿真组比赛平台，包括服务端（URWPGSim2D Server）和客户端（URWPGSim2D Client）两大部分[8-11]。该平台设计了基本符合运动学控制理论和水下碰撞检测理论的相关模型，不仅能够有效地控制仿真鱼的位置、姿势，而且会根据产生的扰动对仿真鱼的参数产生随机的变化，这样的模型更接近于实际状态。该竞赛项目旨在通过选手对相应比赛项目策略的编写，使仿真鱼在参赛选手的策略控制下、在相应的规定时间内竞技或竞速，以提高参赛选手的代码编写能力、思维创新能力和团队协作能力，并实现相关技术领域仿真推广的效果。该竞赛平台可以进行6项竞赛项目，根据课程的需求，可以选定水中搬运、花样游泳等项目作为实验课程设计的内容，本文以水中搬运为例，对运动控制的模型及效果进行说明。

2 基于URWPGSim2D平台的课程设计的建立

作为考核学生实践能力与综合能力的课程，其考核测评指标非常关键。成绩考核要准确反映学生的知识技能掌握程度。在此背景下，若仅仅按照URWPGSim2D平台上的竞赛项目完成相应的竞赛项目，无法达到课程设计的要求，所以需要确定其具体的评价指标。

2.1 仿真鱼水中搬运竞赛的内容

仿真鱼水中搬运的比赛场地如图1所示，在竞赛时，考核的要点按照推荐的蓝色轨迹和红色轨迹进行运动，完成搬运的任务后计算所需要的总时间。但是作为课程设计，仅仅将时间作为考核点，不足以支撑课程内容，为此，按照其控制方式，从轨迹难度、控制精度、完成任务时间三个方面对该实验课程进行考核。为方便论文表述，以蓝色轨迹进行相关设计，并在比赛场地中标注A、B、C三点作为标记点。

图1 水中搬运的比赛场地及推荐路线图

2.2 水中搬运的控制模型

根据 2D仿真水中鱼在项目中的运行情况，首先是仿真鱼在水中按照既定的路径从出发点A，游向球所在位置 B。鱼的速度和鱼的方向均会受水流影响，所以其真实运动轨迹与设定的路径会存在一定的偏差，将偏差与设定的轨迹进行比较，可以对仿真鱼的行进方向进行校正。

其控制模型如图2所示。当仿真鱼到达B点后，水流的扰动会影响鱼的速度和鱼撞击在球体的方向，鱼的位置和方向将决定球的运动方向和前进速度。将球当前的位置与系统中设定的球的轨迹进行比较，获得两者之间的差值，通过该差值控制鱼的速度大小与鱼的方向，推动球往目标位置行动。

图2 仿真鱼顶球的控制模型

2.3 基于水中搬运竞赛项目的课程设计

1）实验项目指标的确定。

在2D仿真鱼水中搬运的过程中，由A点到B点的过程（第一阶段），是仿真鱼按照规定路径运动的过程，该过程中可以对越过障碍物的数量进行选择；此外，在仿真鱼行进的过程中，与规定路径上行动的差别也是对控制精度进行考核的内容。而从B点到C点（第二阶段）是球体按照规划路径进行的过程，需要考核对受控球体的中心位置与预定路径之间的距离。根据提出的指标，其考核的性能指标见表1。

表1 性能指标评分依据

2）控制精度的定义。

仿真鱼的刚体中心点与已经确定规划的路径的绝对值是衡量对仿真鱼控制精度的标准。其示意图如图1所示，已知既定的运动轨迹为M，L为常数），如果仿真鱼或者球体的刚体中心为(x0,y0)，那么该点到预定的路径规划上的距离d为：

3 实例分

本文对水中搬运上按照绕过三个障碍物的方法进行路径设计，其中只考核A到B、B到C两个阶段，其中以场地的中心所在位置为原点，构建坐标系。按照图1中蓝色线所标记的轨迹，经过5次仿真模拟，仿真鱼运行轨迹如图 3所示，其误差的像素点为[-50,50]；球体的运动轨迹如图4所示，其运动的范围在1 200±42像素内。

图3 仿真鱼按照路径规划运动的实际路径与误差（第一阶段）

图4 球体与规划路径的路径（第二阶段）

4 结语

结合自动控制理论的教学内容，在URWPGSim2D平台的水中搬运的基础上进行的课程设计，较好地改善了传统的纯理论仿真验证模式，充分锻炼了学生对控制方法的应用能力，加深了学生对课程中科学方法的理解，提高了学生的工程实践能力，获得了较好的教学效果。