摘要：“視覺伺服控制”是機器人工程專業(yè)大四開設(shè)的專業(yè)選修課，是對機器人系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的主要課程之一。課程綜合性較強，涵蓋的知識面廣，基本概念多，系統(tǒng)設(shè)計和動手實踐要求高，針對以上特點，課程采用項目驅(qū)動式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生開展課程學(xué)習(xí)。教學(xué)實施過程中重視學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實踐能力培養(yǎng)，學(xué)生參與度高，有效激發(fā)了學(xué)生對課程和專業(yè)領(lǐng)域的興趣，提升了專業(yè)技能，增強了專業(yè)自信，對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和就業(yè)起到了積極正向的作用。

關(guān)鍵詞：視覺伺服控制；機器人工程；項目驅(qū)動

ResearchonTeachingMethodofProjectDrivenVisualServoControlCourse

SunXiaoyuRongAiqiongPengYiwenZhouHongfu

SchoolofMechanicalEngineeringandRoboticsEngineering，GuangzhouCityUniversityofTechnology

GuangdongGuangzhou510800

Abstract："VisualServoControl"isaprofessionalelectivecourseforseniorstudentsmajoringinrobotengineering，anditisoneofthemaincoursestorealizetheintelligentrobotsystem.Thecurriculumiscomprehensive，coveringawiderangeofknowledge，basicconcepts，systemdesignandpracticalrequirements.Inviewoftheabovecharacteristics，thecourseadoptsprojectdriventeachingmethodtoguidestudentstocarryoutcurriculumlearning.IntheprocessofteachingimplementationdiyT3Udw4FWeTTtH82flBYk9PQF2+ERKK+VUfCoDfJs=，attentionispaidtothecultivationofstudents'practicalabilitytofindandsolveproblems，andstudents'participationishigh，whicheffectivelystimulatesstudents'interestincoursesandprofessionalfields，improvesprofessionalskillsandenhancesprofessionalselfconfidence，andplaysapositiveroleinstudents'graduationdesignandemployment.

Keywords：visualservocontrol；robotengineering；projectdrive

1概述

“視覺伺服控制”課程是機器人工程專業(yè)本科學(xué)生專業(yè)方向之一。結(jié)合專業(yè)方向培養(yǎng)目標及就業(yè)需求，在大四上學(xué)期開設(shè)“視覺伺服控制”課程，共32學(xué)時。機器人的控制分為機械本體控制和伺服機構(gòu)控制兩大類，伺服控制系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人機械本體控制和伺服機構(gòu)控制的重要部分。隨著計算機視覺的發(fā)展，基于視覺的伺服控制系統(tǒng)在無人系統(tǒng)中得到關(guān)注及廣泛應(yīng)用［1］。

視覺伺服控制是使用閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中的計算機視覺數(shù)據(jù)來控制機器人運動，引導(dǎo)機器人去完成一項工作。把視覺傳感信號嵌入在機器人的伺服循環(huán)中，通過對視覺特征的控制，實現(xiàn)對機器人的定位閉環(huán)控制，從而完成引導(dǎo)任務(wù)。伺服任務(wù)可根據(jù)需求定義來滿足不同場合需求。視覺是實現(xiàn)機器人人工智能的主要途徑之一［23］。

“視覺伺服控制”課程的先修課程有“機器人學(xué)”“機器視覺”“控制理論”“電機控制”等專業(yè)核心理論課程，是機器人系統(tǒng)智能化的主要課程之一，是一門理論集合實踐綜合性較強的科目。課程涵蓋的知識面廣、基本概念多、系統(tǒng)設(shè)計和動手實踐要求高。因此，研究適合機器人工程專業(yè)技術(shù)課程規(guī)律和特點的教學(xué)方法，對培養(yǎng)高素質(zhì)機器人工程專業(yè)人才和提高整體教學(xué)水平十分重要。針對課程以上特點，該門課程采用的是項目驅(qū)動式教學(xué)法，提高了學(xué)生的理論聯(lián)系實際能力、創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作能力等。

2項目驅(qū)動式教學(xué)方法

項目式教學(xué)法［45］指一種以師生共同完成一個項目為形式安排教學(xué)活動的方法，其顯著特點是以項目為主線，在教師的引導(dǎo)下，以學(xué)生為主體來完成教學(xué)任務(wù)。有別于傳統(tǒng)教學(xué)，在項目式教學(xué)中學(xué)生的參與度高，重視學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實踐能力培養(yǎng)。這種教學(xué)模式符合新工科工程教育要求，學(xué)生能有效地將書本上的知識運用到解決實際的復(fù)雜的工程問題中，同時激發(fā)了學(xué)生對課程和專業(yè)領(lǐng)域的興趣，提升了專業(yè)技能，增強了專業(yè)自信，對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和就業(yè)起到了積極正向的作用。

在教學(xué)過程中，教學(xué)設(shè)計的內(nèi)容以項目為依托，實施過程中學(xué)生是主體，教師進行指導(dǎo)和答疑。學(xué)生在完成項目過程中需要理解項目、收集資料、進行調(diào)研、設(shè)計實施方案和實現(xiàn)項目最終的目標。通過該過程，作為主體的學(xué)生得到了充分的鍛煉，具體要點體現(xiàn)在：

項目驅(qū)動式學(xué)習(xí)：課程設(shè)計以項目為中心，鼓勵學(xué)生探索并解決實際問題。例如，設(shè)計完成一個機器人視覺伺服系統(tǒng)：基于視覺伺服的機械臂開鎖、基于視覺伺服的無人機定點降落等項目設(shè)計。項目設(shè)計的宗旨都是讓學(xué)生應(yīng)用視覺伺服控制的技術(shù)來完成任務(wù)。

理論結(jié)合實踐：課程項目強調(diào)理論知識與實際應(yīng)用之間的緊密聯(lián)系。在教學(xué)過程中，將理論課程與實踐項目相結(jié)合。如學(xué)生在完成上述實際的機器人視覺和控制項目中，需要對前序課程知識機器人動力學(xué)、機器視覺和控制理論等專業(yè)知識進行綜合應(yīng)用與實踐。

創(chuàng)新思維：項目式學(xué)習(xí)鼓勵學(xué)生創(chuàng)新思考，提出技術(shù)解決方案。該項目鼓勵同學(xué)用不同的方法完成，如使用MATLAB或ROS建模仿真，利用軟件模擬工具建模能更好地幫助同學(xué)理解理論實現(xiàn)過程。通過仿真指導(dǎo)實物制作，或者仿真環(huán)境與實物相結(jié)合，提高視覺伺服系統(tǒng)設(shè)計精度。

方案分析：每個項目組可完成相同的題目，在實現(xiàn)的過程中設(shè)計方法和實現(xiàn)過程會有不同；同樣地，每個組可能完成不同項目，在實現(xiàn)過程中可能解決問題方法和思路有相似之處。在項目實施過程中，課堂上組織學(xué)生進行技術(shù)分享、交流和結(jié)果分析，有助于同學(xué)們在項目實施過程中不斷地調(diào)整、修正、相互學(xué)習(xí)。

團隊合作：完成項目通常需要學(xué)生分組合作，培養(yǎng)團隊協(xié)作和溝通技能。

持續(xù)的評估和反饋：項目式學(xué)習(xí)需要持續(xù)的評估和反饋機制。教師可以定期檢查學(xué)生的進展，提供指導(dǎo)和建議，幫助他們克服遇到的困難。

圖1項目式驅(qū)動教學(xué)要點

3項目驅(qū)動式教學(xué)實施

課程建設(shè)遵循學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，注重BLOOM課程設(shè)計方法，同時關(guān)注兩性一度的問題，即在課程中同樣關(guān)注高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

項目驅(qū)動式教學(xué)對于“視覺伺服控制”課程本身而言是前序?qū)W科的綜合應(yīng)用，它要求對機器視覺、控制理論等課程的部分內(nèi)容熟悉掌握。在實施過程中注重學(xué)生知識能力素質(zhì)有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決有關(guān)視覺伺服控制系統(tǒng)問題的綜合能力、能夠獨立自主進行系統(tǒng)改進的高級思維。

課程內(nèi)容理論結(jié)合實際應(yīng)用，在基礎(chǔ)內(nèi)容之上引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注課程和學(xué)科的前沿技術(shù)，教學(xué)過程中鼓勵同學(xué)與教師交流，與學(xué)生共同發(fā)掘感興趣的有探究性的問題。鼓勵學(xué)生獨立進行完整的系統(tǒng)設(shè)計，包括仿真層面的設(shè)計和實物實現(xiàn)，能夠設(shè)計出具有創(chuàng)新性的和有一定挑戰(zhàn)度的項目。

注重課程資源建設(shè)和課程內(nèi)容積累，在學(xué)生課堂、學(xué)生創(chuàng)新項目開展的情況下，不斷迭代增加課程仿真和實物項目庫。該項目實施過程可分為授課部分和實踐指導(dǎo)部分。

（1）項目選題：探索視覺伺服知識理論與項目實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，分析需求的條件。在項目選題及實施過程中鍛煉學(xué)生的綜合能力，通過知識理解、問題提出、資料查詢、提出問題、命題歸納、研究內(nèi)容、技術(shù)路線、仿真研究、協(xié)作分析和解決問題等方式組織教學(xué)。課程形式呈現(xiàn)多元化，包括課堂教學(xué)、問題研討、學(xué)生報告等相結(jié)合。

教師選題和自主選題均可。教師提供的選題包括機械臂機器人、移動機器人、飛行機器人等。要求項目的開展可模擬仿真實現(xiàn)，亦可制作實物。

（2）學(xué)生分組：分組人數(shù)要求5～7人。在項目實施期間，學(xué)生可共同學(xué)習(xí)全過程，也可分工合作負責(zé)不同模塊。要求對于沒有負責(zé)的模塊也要了解其原理。在不同階段，不同同學(xué)完成不同內(nèi)容的匯報，如文獻綜述、方案設(shè)計、視覺模塊、控制模塊等。

（3）任務(wù)要求：各小組根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計項目功能實現(xiàn)的方案路線、模塊選擇、完成任務(wù)設(shè)計與編程，組內(nèi)研討項目任務(wù)的難點問題，共同提出解決思路。小組成員根據(jù)個人興趣方向選擇項目任務(wù)，成員之間需明確任務(wù)分配，各個任務(wù)相關(guān)聯(lián)成員之間必須緊密合作，努力在不同項目節(jié)點完成所屬任務(wù)。

（4）項目開展形式：項目實施的整體思路為課程理論→模擬仿真→實物實踐課程模式，真正地完成本項目提出的講→練→實踐三環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供獨立思考、動手實踐，理論與實際結(jié)合驗證的機會；也為能夠提出創(chuàng)新型和挑戰(zhàn)度難度項目的同學(xué)提供實踐平臺。從而體現(xiàn)課程設(shè)計具有先進性和互動性，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化，實現(xiàn)創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。

圖2項目驅(qū)動流程圖

4項目驅(qū)動式教學(xué)成效

通過項目式驅(qū)動式教學(xué)，學(xué)生完成了不同的項目課題。以排球機器人和無人飛行器目標跟蹤兩個主題為例來說明課程實踐過程，在兩個項目中學(xué)生分成三個方向：視覺組、電控組兼顧仿真、機械組。項目小組同學(xué)能夠查找資料、獨立思考、動手實踐，將理論與實際結(jié)合進行驗證，項目為同學(xué)提供課程設(shè)計實踐平臺。課程設(shè)計內(nèi)容均具有一定的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，學(xué)生在課程實施過程中不斷探究，提出個性化設(shè)計方案并實踐，實現(xiàn)了創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。

4.1排球機器人

此項目為排球機器人接球、對打。完成任務(wù)需采用操作臂+移動底盤機器人的結(jié)構(gòu)。基于視覺伺服控制，學(xué)生完成的內(nèi)容有：使用視覺系統(tǒng)完成目標排球識別。對于排球比賽，視覺識別排球和排球運動軌跡，將軌跡信息作為驅(qū)動移動地盤和操作臂伺服系統(tǒng)的輸入信號。視覺系統(tǒng)反饋信息為移動底盤提供伺服控制策略必需的反饋信號。目前已完成底盤移動機器人視覺伺服跟蹤部分。當(dāng)視覺系統(tǒng)檢測到排球后，根據(jù)檢測信息，判斷接球的運動軌跡，底盤伺服控制系統(tǒng)做出相對回應(yīng)。學(xué)生完成移動底盤路徑規(guī)劃和操作臂跟蹤，但在機器視覺實現(xiàn)排球軌跡跟蹤方面不夠精確，不能完全實現(xiàn)自主接球、對打，響應(yīng)速度有一定誤差。

4.2無人飛行器

此項目為實現(xiàn)四旋翼系統(tǒng)的硬件搭建、目標跟蹤等功能。項目小組從零開始，以分組的形式推進項目任務(wù)和學(xué)習(xí)。該項目已在ROS系統(tǒng)中完成四旋翼飛機視覺目標跟蹤功能，完成四旋翼飛機硬件搭建。

無人機跟蹤的原理是基于無人機通過視覺傳感器獲取目標物體的位置信息。根據(jù)位置信息，通過控制算法調(diào)整無人機的飛行狀態(tài)和姿態(tài)，使其保持與目標物體的合適距離和角度。該項目在精度方面，無人機能夠準確地飛向指定的目標點，并在一定的誤差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定；在穩(wěn)定性方面，無人機在飛行過程中能夠穩(wěn)定地跟蹤目標，并通過PID算法進行動態(tài)調(diào)整，減小姿態(tài)偏差；在實時性方面，無人機能夠及時響應(yīng)控制指令，實現(xiàn)實時的飛行狀態(tài)調(diào)整。綜合評估結(jié)果顯示，該無人機跟蹤系統(tǒng)具有較高的精度、穩(wěn)定性和實時性，能夠滿足實際應(yīng)用需求。課程過程中，學(xué)生通過實踐提出了課程結(jié)束后可進一步改進完善，進一步優(yōu)化算法和系統(tǒng)，提高跟蹤效果和性能。項目小組的同學(xué)計劃繼續(xù)進行該項目，并延伸至畢設(shè)課題，將搭建更完善的基于視覺伺服的無人飛行器系統(tǒng)。

結(jié)語

“視覺伺服控制”課程采用項目驅(qū)動式教學(xué)方法在教學(xué)中探索、實踐，提高了教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)實施過程中重視學(xué)生提出問題、解決問題的能力。學(xué)生參與度高，能夠激發(fā)學(xué)生對課程和專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的興趣，提升了專業(yè)技能，增強了專業(yè)自信，激發(fā)了學(xué)習(xí)潛力。

參考文獻：

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基金項目：2022年廣州城市理工學(xué)院質(zhì)量工程項目立項：《視覺伺服》課程項目式教學(xué)模式探索（項目編號：JY220108）

作者簡介：孫曉雨（1983—），女，遼寧丹東人，博士，講師，研究方向：智能機器人技術(shù)。