羅耀耀，黃成洋，葛良全，曾國(guó)強(qiáng)，趙 琦，陽(yáng)小燕

（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”是自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生將控制理論應(yīng)用于實(shí)踐的一個(gè)非常重要的課程[1]。該實(shí)踐課程一般是設(shè)定一段時(shí)間，利用仿真軟件或者實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展一些設(shè)計(jì)工作，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，以及觀察、分析、解決問(wèn)題的能力[2]。而現(xiàn)在的課程設(shè)計(jì)的方法主要還是基于“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”開(kāi)展實(shí)驗(yàn)[3-4]，或者以采用復(fù)雜的控制系統(tǒng)如倒立擺、小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和三容水箱，或者相應(yīng)的被控模型作為被控對(duì)象構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[6-9]。

受限于實(shí)驗(yàn)條件的課程開(kāi)展時(shí)間的制約，自動(dòng)原理的課程設(shè)計(jì)工作一般限定在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，為此，教師一般會(huì)給出多個(gè)選題供學(xué)生進(jìn)行選擇。此外，面對(duì)當(dāng)前對(duì)多樣化人才的需求，開(kāi)展跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作對(duì)培養(yǎng)工程創(chuàng)新型人才具有重大的影響。近幾年圍繞學(xué)院的“5A”培養(yǎng)理念，教師鼓勵(lì)學(xué)生廣泛參與學(xué)科類(lèi)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽，如全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽和“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽，以及各類(lèi)機(jī)器人競(jìng)賽等。通過(guò)卓越工程師計(jì)劃改善教學(xué)環(huán)境，增添教學(xué)設(shè)備，全面提升電氣工程及其自動(dòng)化的專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)。本文圍繞國(guó)際水中機(jī)器人和四川省機(jī)器人大賽的URWPGSim2D競(jìng)賽平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，旨在使學(xué)生掌握控制算法在工程中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)的能力和創(chuàng)新能力。

1 2D仿真比賽平臺(tái)

水中機(jī)器人水球比賽仿真器 2D版（Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2D Edition，URWPGSim2D）軟件作為“中國(guó)水中機(jī)器人大賽”和“中國(guó)機(jī)器人大賽暨RobuCup中國(guó)公開(kāi)賽”之水中機(jī)器人競(jìng)賽的 2D仿真組比賽平臺(tái)，包括服務(wù)端（URWPGSim2D Server）和客戶(hù)端（URWPGSim2D Client）兩大部分[8-11]。該平臺(tái)設(shè)計(jì)了基本符合運(yùn)動(dòng)學(xué)控制理論和水下碰撞檢測(cè)理論的相關(guān)模型，不僅能夠有效地控制仿真魚(yú)的位置、姿勢(shì)，而且會(huì)根據(jù)產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)仿真魚(yú)的參數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的變化，這樣的模型更接近于實(shí)際狀態(tài)。該競(jìng)賽項(xiàng)目旨在通過(guò)選手對(duì)相應(yīng)比賽項(xiàng)目策略的編寫(xiě)，使仿真魚(yú)在參賽選手的策略控制下、在相應(yīng)的規(guī)定時(shí)間內(nèi)競(jìng)技或競(jìng)速，以提高參賽選手的代碼編寫(xiě)能力、思維創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域仿真推廣的效果。該競(jìng)賽平臺(tái)可以進(jìn)行6項(xiàng)競(jìng)賽項(xiàng)目，根據(jù)課程的需求，可以選定水中搬運(yùn)、花樣游泳等項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，本文以水中搬運(yùn)為例，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的模型及效果進(jìn)行說(shuō)明。

2 基于URWPGSim2D平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)的建立

作為考核學(xué)生實(shí)踐能力與綜合能力的課程，其考核測(cè)評(píng)指標(biāo)非常關(guān)鍵。成績(jī)考核要準(zhǔn)確反映學(xué)生的知識(shí)技能掌握程度。在此背景下，若僅僅按照URWPGSim2D平臺(tái)上的競(jìng)賽項(xiàng)目完成相應(yīng)的競(jìng)賽項(xiàng)目，無(wú)法達(dá)到課程設(shè)計(jì)的要求，所以需要確定其具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 仿真魚(yú)水中搬運(yùn)競(jìng)賽的內(nèi)容

仿真魚(yú)水中搬運(yùn)的比賽場(chǎng)地如圖1所示，在競(jìng)賽時(shí)，考核的要點(diǎn)按照推薦的藍(lán)色軌跡和紅色軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成搬運(yùn)的任務(wù)后計(jì)算所需要的總時(shí)間。但是作為課程設(shè)計(jì)，僅僅將時(shí)間作為考核點(diǎn)，不足以支撐課程內(nèi)容，為此，按照其控制方式，從軌跡難度、控制精度、完成任務(wù)時(shí)間三個(gè)方面對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行考核。為方便論文表述，以藍(lán)色軌跡進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，并在比賽場(chǎng)地中標(biāo)注A、B、C三點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)。

圖1 水中搬運(yùn)的比賽場(chǎng)地及推薦路線圖

2.2 水中搬運(yùn)的控制模型

根據(jù) 2D仿真水中魚(yú)在項(xiàng)目中的運(yùn)行情況，首先是仿真魚(yú)在水中按照既定的路徑從出發(fā)點(diǎn)A，游向球所在位置 B。魚(yú)的速度和魚(yú)的方向均會(huì)受水流影響，所以其真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)定的路徑會(huì)存在一定的偏差，將偏差與設(shè)定的軌跡進(jìn)行比較，可以對(duì)仿真魚(yú)的行進(jìn)方向進(jìn)行校正。

其控制模型如圖2所示。當(dāng)仿真魚(yú)到達(dá)B點(diǎn)后，水流的擾動(dòng)會(huì)影響?hù)~(yú)的速度和魚(yú)撞擊在球體的方向，魚(yú)的位置和方向?qū)Q定球的運(yùn)動(dòng)方向和前進(jìn)速度。將球當(dāng)前的位置與系統(tǒng)中設(shè)定的球的軌跡進(jìn)行比較，獲得兩者之間的差值，通過(guò)該差值控制魚(yú)的速度大小與魚(yú)的方向，推動(dòng)球往目標(biāo)位置行動(dòng)。

圖2 仿真魚(yú)頂球的控制模型

2.3 基于水中搬運(yùn)競(jìng)賽項(xiàng)目的課程設(shè)計(jì)

1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目指標(biāo)的確定。

在2D仿真魚(yú)水中搬運(yùn)的過(guò)程中，由A點(diǎn)到B點(diǎn)的過(guò)程（第一階段），是仿真魚(yú)按照規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，該過(guò)程中可以對(duì)越過(guò)障礙物的數(shù)量進(jìn)行選擇；此外，在仿真魚(yú)行進(jìn)的過(guò)程中，與規(guī)定路徑上行動(dòng)的差別也是對(duì)控制精度進(jìn)行考核的內(nèi)容。而從B點(diǎn)到C點(diǎn)（第二階段）是球體按照規(guī)劃路徑進(jìn)行的過(guò)程，需要考核對(duì)受控球體的中心位置與預(yù)定路徑之間的距離。根據(jù)提出的指標(biāo)，其考核的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 性能指標(biāo)評(píng)分依據(jù)

2）控制精度的定義。

仿真魚(yú)的剛體中心點(diǎn)與已經(jīng)確定規(guī)劃的路徑的絕對(duì)值是衡量對(duì)仿真魚(yú)控制精度的標(biāo)準(zhǔn)。其示意圖如圖1所示，已知既定的運(yùn)動(dòng)軌跡為M，L為常數(shù)），如果仿真魚(yú)或者球體的剛體中心為(x0,y0)，那么該點(diǎn)到預(yù)定的路徑規(guī)劃上的距離d為：

3 實(shí)例分

本文對(duì)水中搬運(yùn)上按照繞過(guò)三個(gè)障礙物的方法進(jìn)行路徑設(shè)計(jì)，其中只考核A到B、B到C兩個(gè)階段，其中以場(chǎng)地的中心所在位置為原點(diǎn)，構(gòu)建坐標(biāo)系。按照?qǐng)D1中藍(lán)色線所標(biāo)記的軌跡，經(jīng)過(guò)5次仿真模擬，仿真魚(yú)運(yùn)行軌跡如圖 3所示，其誤差的像素點(diǎn)為[-50,50]；球體的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，其運(yùn)動(dòng)的范圍在1 200±42像素內(nèi)。

圖3 仿真魚(yú)按照路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的實(shí)際路徑與誤差（第一階段）

圖4 球體與規(guī)劃路徑的路徑（第二階段）

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合自動(dòng)控制理論的教學(xué)內(nèi)容，在URWPGSim2D平臺(tái)的水中搬運(yùn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)，較好地改善了傳統(tǒng)的純理論仿真驗(yàn)證模式，充分鍛煉了學(xué)生對(duì)控制方法的應(yīng)用能力，加深了學(xué)生對(duì)課程中科學(xué)方法的理解，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，獲得了較好的教學(xué)效果。