史瑩晶， 李 瑞， 梁 穎

（1.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，成都611731；2.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)有限責(zé)任公司，成都610000）

0 引 言

自動化作為一個與工程實踐緊密結(jié)合的專業(yè)學(xué)科，有著很強的實踐性和應(yīng)用性。但是，現(xiàn)今大多數(shù)高校在自動化專業(yè)的教學(xué)中還是“重理論、輕實踐”，導(dǎo)致了理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象。部分高校雖然針對不同的課程安排了相應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)，但是所設(shè)的實驗多為驗證性實驗，不能夠充分調(diào)動學(xué)生利用所學(xué)知識來解決實際問題的積極性。除此之外，自動化專業(yè)包含自動控制原理、微機原理、電力電子技術(shù)等眾多專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于教學(xué)過程的分離，導(dǎo)致學(xué)生不能夠從整體上將各門課程所學(xué)知識有機地結(jié)合起來，形成一個完整的知識體系［1-5］。

針對以上問題，設(shè)計了一款小型運動控制教學(xué)平臺，該平臺將實際工業(yè)場景中的運動控制分揀平臺小型化，具體涉及運動控制、嵌入式、單片機、C語言以及傳感器檢測技術(shù)等課程相關(guān)知識［6-7］。不同于直接購買的運動控制教學(xué)設(shè)備，該運動控制教學(xué)平臺一方面主要面向?qū)嶋H應(yīng)用，另一方面底層軟硬件開放，具備很大的開發(fā)改進空間?？墒箤W(xué)生在具體的實踐過程中了解實際的工程應(yīng)用，為培養(yǎng)適應(yīng)于社會的應(yīng)用型人才、實現(xiàn)卓越工程師教育培養(yǎng)目標起到了重要作用。將該平臺應(yīng)用于自動化專業(yè)學(xué)生的教學(xué)中，在改善教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)用實踐能力。

1 運動控制教學(xué)平臺的硬件結(jié)構(gòu)

為了與現(xiàn)今市場上的主流實現(xiàn)方案相一致［8-10］，設(shè)計的運動控制教學(xué)平臺是基于ARM和DSP雙CPU結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的獨立嵌入式運動控制平臺，其中，ARM 以其運算速度快、外設(shè)設(shè)備豐富的優(yōu)勢作為主CPU，實現(xiàn)整體控制和對外擴展，DSP 則選用專用的運動控制芯片PCL6045B，實現(xiàn)核心的運動控制功能，具體包括：單軸速度及位置設(shè)定與調(diào)節(jié)、任兩軸的直線插補、任兩軸的圓弧插補、三軸直線插補、最高速度的自動修正、停止時震動抑制以及多種原點復(fù)歸方式等。由于主控CPU采用現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的STM32 系列芯片，故而能夠在實踐過程中幫助學(xué)生了解和熟悉行業(yè)內(nèi)的主流應(yīng)用。同時，還能夠以該教學(xué)平臺為例對微機原理或嵌入式等課程中相關(guān)的知識點進行講解，加深學(xué)生對理論知識的理解。整個運動控制教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 運動控制教學(xué)實踐平臺硬件體系結(jié)構(gòu)

整個運動控制系統(tǒng)中的運動控制器部分發(fā)出3 路運動控制信號（分別對應(yīng)于空間中的3 個軸），經(jīng)由相應(yīng)電動機驅(qū)動器驅(qū)動電動機以一定的速度轉(zhuǎn)動一定的角度，進而帶動相應(yīng)的機械裝置進行運動，實現(xiàn)相應(yīng)的運動控制功能。該運動控制系統(tǒng)可實現(xiàn)速度以及位置的設(shè)定與調(diào)節(jié)、直線插補、圓弧插補以及限位和原點操作。

為了進一步增強整個運動控制系統(tǒng)的智能性，擬合實際工業(yè)場景中的檢測分揀裝置，添加視覺反饋單元來實現(xiàn)對移動目標的檢測追蹤［11-12］。融合視覺檢測的閉環(huán)運動控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測移動目標，并根據(jù)移動目標的運動狀態(tài)選擇相應(yīng)的運動模式來控制機械執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)對移動目標的追蹤抓?。?3］。整個系統(tǒng)的最終實現(xiàn)如圖2 所示，具體包括相應(yīng)的運動控制器、驅(qū)動器、電動機、機械執(zhí)行機構(gòu)以及相應(yīng)的反饋機構(gòu)。

圖2 運動控制教學(xué)平臺的硬件

該運動控制系統(tǒng)能夠很好地模擬實際工業(yè)場景中的分揀裝置，讓學(xué)生能夠基于該運動控制教學(xué)平臺對控制系統(tǒng)的組成有個整體認識，進而幫助學(xué)生將所學(xué)的基礎(chǔ)課程融會貫通。

2 運動控制教學(xué)平臺軟件架構(gòu)

為了便于學(xué)生在具體的實踐過程中積極創(chuàng)新，將相關(guān)的運動控制功能進行應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）封裝，方便二次開發(fā)。另外，不同于直接購買的運動控制平臺，該運動控制教學(xué)平臺是基于ARM ＋PCL6045B 架構(gòu)實現(xiàn)的，所以整個運動控制平臺不但能夠?qū)崿F(xiàn)基本的運動控制功能，還將底層軟硬件開放給有余力的學(xué)生，使得這部分學(xué)生能夠充分發(fā)揮創(chuàng)造性，進一步對運動控制平臺進行開發(fā)，增強運動控制教學(xué)平臺的實用性。運動控制教學(xué)實踐平臺的軟件架構(gòu)如圖3 所示。

由于整個運動控制器部分是基于ARM ＋PCL6045B 架構(gòu)實現(xiàn)的，所以對基本運動控制功能進行封裝是通過STM32 以一定的時序?qū)CL6045B里面相應(yīng)的寄存機讀寫來實現(xiàn)的。通過這部分的實踐，不但能夠加深學(xué)生對微機原理以及嵌入式等課程的認識，還能夠鍛煉學(xué)生的C 語言編程能力，幫助他們通過所學(xué)的知識來解決實際的問題。

圖3 運動控制教學(xué)實踐平臺的軟件架構(gòu)

3 基于運動控制教學(xué)平臺的多元實踐體系

作為自動化等相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，運動控制結(jié)合眾多相關(guān)專業(yè)課程，綜合性和實踐性強，很適用于高校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的實踐課程［14-15］。開發(fā)的運動控制教學(xué)平臺基礎(chǔ)功能豐富、系統(tǒng)開放性高，可同時用于運動控制常規(guī)實踐和運動控制創(chuàng)新實踐。運動控制常規(guī)實踐即是對調(diào)速、定位以及直線＼圓弧插補等運動控制功能的驗證，運動控制創(chuàng)新實踐則是在已實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用平臺的開放性來對其進行擴展。

運動控制教學(xué)平臺包含人機交互、運動控制器、驅(qū)動裝置、電動機、機械執(zhí)行機構(gòu)以及相應(yīng)的反饋機構(gòu)，具體涉及嵌入式、電動機拖動、C 語言編程、傳感器檢測技術(shù)以及機器視覺等相關(guān)課程。前期的學(xué)習(xí)主要是通過課堂理論教學(xué)，相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)也是對相應(yīng)知識點的驗證，比較單一且不貼近實際，導(dǎo)致學(xué)生常常是為了實踐而實踐，并沒有主動去思考。通過整套運動控制教學(xué)平臺就可以將以上各相關(guān)課程所學(xué)的知識進行融匯，貫穿成一條線，用于解決實際問題，真正地做到學(xué)以致用。構(gòu)建的運動控制實踐教學(xué)平臺的多元實踐體系如圖4 所示。

圖4 基于運動控制實踐教學(xué)平臺的多元實踐體系

3.1 運動控制常規(guī)實踐

運動控制常規(guī)實踐主要用于對相關(guān)理論的驗證，并對某些難以理解的知識點進行實際演示，使學(xué)生能夠從理論和實踐兩個層面同時對相關(guān)知識點有全面的認識。比如教授完數(shù)控相關(guān)課程后，就可以運用該教學(xué)平臺實際演示一下相應(yīng)的直線或圓弧插補；教授完傳感器檢測或視覺檢測等相關(guān)課程后，就可以通過平臺上的視覺反饋和限位檢測來加深學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解。

針對本平臺，設(shè)計了一組常規(guī)運動實驗，包括直線加減速控制、曲線加減速控制、直線插補運動控制、圓弧插補運動控制等實驗。在實驗開展過程中，將參與課程的學(xué)生分組，每組學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣參與一個或多個實驗。受篇幅所限，本文僅就“兩軸直線插補運動控制實驗”給出介紹。

當選擇基于最小偏差法的直線插補算法時，設(shè)計步驟如下：

（1）區(qū)分長短軸。在插補過程中，長軸一直做勻速運動，短軸則需要根據(jù)最小偏差值判斷決定是否運動。

（2）計算偏差函數(shù)值。設(shè)系統(tǒng)當前所在點為p（xi，yi），終點坐標為（xe，ye）。當長軸方向上進給一個脈沖當量后，偏差函數(shù)為F（Δx），在長軸、短軸上均進給一個脈沖當量后，偏差函數(shù)為F（Δx，Δy），因而，需要判斷Fi＝｜F（Δx，Δy）｜- ｜F（Δx）｜的符號。易知：Fi＝F（x）＋F（x，y）＝2xeyi-2yexi-2ye＋xe。

若Fi＞0，則朝X 軸方向進給一個脈沖當量；若Fi≤0，則朝X、Y軸均進給一個脈沖當量。

（3）判斷運動終止條件。設(shè)Xstep表示X軸方向的進給步數(shù)，每朝X軸進給1 步，則給出Xstep＋1，當Xstep

等于xe時，說明已經(jīng)運動到終點，否則繼續(xù)進行插補運算。圖5 為在Matlab 中實現(xiàn)的最小偏差法的直線插補仿真曲線。

圖5 最小偏差法直線插補曲線仿真

在開展了基于Matlab 的插補算法分析基礎(chǔ)上，將指導(dǎo)學(xué)生完成直線插補算法的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實現(xiàn)。

在進行FPGA中實現(xiàn)時，首先設(shè)計乘法器，分別計算xeyi、yexi的值。直接使用FPGA 自帶的IP 核（Intellectual Property，是一種預(yù)先設(shè)計好的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件模塊），可以完成乘法器設(shè)計。通用LPM＿MULT（參數(shù)化的乘法器模塊），很容易實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的乘法運算。類似地，LPM 也有加減速模塊LPM＿ADD＿SUB，調(diào)用此模塊庫，可實現(xiàn)加減法功能。因而，通過調(diào)用這些IP 核，可以實現(xiàn)Fi計算。在實現(xiàn)了Fi的計算之后，將利用最小偏差法的算法規(guī)則計算插補運算的運動控制，判斷邏輯很簡單，在FPGA 中易于實現(xiàn)。圖6 為在Modelsim（FPGA/ASIC設(shè)計的首選仿真軟件）中仿真的直線插補波形。

圖6 Modelsim中仿真直線插補波形

經(jīng)過常規(guī)實踐的演示和驗證，不但能夠使學(xué)生對晦澀難懂的理論知識有一個直觀的認識，還可通過將理論運用于實踐，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

除此之外，由于該運動控制教學(xué)平臺是對實際工業(yè)場景中的分揀平臺的模擬，故而能夠很好地對相關(guān)工業(yè)場景進行再現(xiàn)，使學(xué)生對典型的運動控制場景有一個直觀感性的認識，讓他們了解自己所學(xué)的知識在實際工程中的應(yīng)用，在激發(fā)學(xué)生興趣的同時充分調(diào)動他們的學(xué)習(xí)熱情。

3.2 運動控制創(chuàng)新實踐

運動控制創(chuàng)新實踐是在運動控制常規(guī)實踐基礎(chǔ)上的拓展與遞進，主要分為相關(guān)的課程設(shè)計和學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計。由于該教學(xué)平臺是基于ARM ＋PCL6045B 架構(gòu)實現(xiàn)的，現(xiàn)階段已實現(xiàn)的皆為基本功能，所以還有很大的開發(fā)改進空間。除此之外，不同于直接購買的教學(xué)平臺，該運動控制教學(xué)平臺還將相關(guān)的底層軟硬件開放，保留了相關(guān)的擴展接口，很適合在基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上進行進一步的開發(fā)。

3.2.1 課程設(shè)計類創(chuàng)新實踐

一般來說，前期理論學(xué)習(xí)主要看重的是學(xué)生對知識理解的深度，不太注重相關(guān)課程之間的聯(lián)系，進而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)到了知識卻不知道這些零碎的知識之間有何聯(lián)系，更不知道如何在一個完整的體系中將這些知識有機地結(jié)合在一起。有些動手能力較強的學(xué)生也苦于條件有限，不能將創(chuàng)新性的想法付諸實踐。為此，可將該運動控制教學(xué)平臺用于課程設(shè)計類創(chuàng)新實踐，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)了理論知識的基礎(chǔ)上，充分地發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，將所學(xué)知識有機地結(jié)合起來。這不但能夠幫助學(xué)生建立完整的知識體系，還能夠幫助學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，真正做到學(xué)以致用。課程設(shè)計類創(chuàng)新實踐是對常規(guī)實踐的進一步提升和拓展。對于課程設(shè)計類創(chuàng)新實驗，主要用于所有相關(guān)課程結(jié)束后，學(xué)生充分鍛煉自己的實踐能力、創(chuàng)新能力以及綜合能力，學(xué)生可針對自己感興趣的模塊，對整個運動控制系統(tǒng)進行創(chuàng)新性的拓展，使其結(jié)構(gòu)更加完整，功能更加豐富。

在具體的實踐中，針對綜合課程設(shè)計課程，設(shè)計了一套融合視覺檢測的運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過視覺檢測算法實現(xiàn)對移動目標的實時檢測，并根據(jù)相關(guān)的檢測結(jié)果，設(shè)計對應(yīng)的運動控制策略，針對移動目標的不同運動情況，分別調(diào)用單軸控制、直線差補控制以及圓弧插補控制實現(xiàn)對移動目標的追蹤，并在追蹤到移動目標的同時實現(xiàn)對移動目標的抓取。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 融合視覺檢測的運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

具體來說，針對該系統(tǒng)設(shè)計了4 種任務(wù)，包括對靜止目標的定位和抓取、普通場景下對移動目標的跟蹤抓取、有其他運動物體干擾時對移動目標的追蹤抓取、有障礙物遮擋情況下對移動目標的追蹤抓取。4 組同學(xué)參與了此次教學(xué)實踐任務(wù)，每組2 名同學(xué)。在1 名碩士研究生的帶領(lǐng)下，4 組同學(xué)順利完成了預(yù)設(shè)的任務(wù)。這里僅針對有障礙物遮擋的情形，給出簡單介紹。圖8 所示即為發(fā)生內(nèi)部遮擋情況下，整個運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對移動目標的追蹤抓取，該運動控制系統(tǒng)可以有效應(yīng)對發(fā)生外部遮擋以及內(nèi)部遮擋的情況，實現(xiàn)對不同外部特征的移動目標的追蹤抓取。圖8（a）中是視覺反饋檢測到的移動目標的完整運動軌跡；圖8（b）是移動目標發(fā)生內(nèi)部遮擋重新出現(xiàn)后，運動控制平臺對其進行準確地追蹤抓取的結(jié)果。從圖中的結(jié)果可見，移動目標運動到障礙物下方時會出現(xiàn)遮擋，但當移動目標繼續(xù)運動，重新出現(xiàn)在視覺檢測范圍內(nèi)時，整個運動控制系統(tǒng)會重新檢測出移動目標，并控制各軸重新對移動目標進行追蹤，不會丟失對移動目標的檢測追蹤。

圖8 融合視覺檢測運動控制系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部遮擋情景下的結(jié)果

此外，仿照此系統(tǒng)，有余力的學(xué)生可以根據(jù)自己感興趣的方向?qū)镜倪\動控制平臺進行進一步的設(shè)計和改進，在充分鍛煉自己各方面能力的同時做到真正的學(xué)以致用。比如，現(xiàn)階段平臺的已控軸為空間垂直的3 個軸向，可在此基礎(chǔ)上進一步增加旋轉(zhuǎn)軸，來實現(xiàn)更加豐富、更加靈活、更加貼近實際應(yīng)用的功能。

在扭矩限制器裝配完成后，要求將聯(lián)軸器裝在標定設(shè)備上進行標定，如果標定過程中發(fā)現(xiàn)實際打滑扭矩與要求值偏差超出允許范圍，需要重新調(diào)整螺栓的上緊扭矩。

課程設(shè)計類創(chuàng)新實驗適宜安排在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期，此時學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了相關(guān)的專業(yè)課程，對各門課程相關(guān)知識都有了一個較為全面的了解，可針對自己感興趣的方向，對平臺進行拓展，充分鍛煉自身各方面的能力。整個運動控制課程設(shè)計以小組為單位，不同成員負責(zé)不同任務(wù)，并在此基礎(chǔ)上彼此協(xié)作，共同完成整個課程設(shè)計。這不但有利于學(xué)生理論結(jié)合實踐、學(xué)以致用，鍛煉團隊合作意識，還能夠幫助他們在進一步深造或就業(yè)過程中贏得先機。

3.2.2 畢業(yè)設(shè)計類創(chuàng)新實踐

除了課程設(shè)計外，進一步還可以通過學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計來進行創(chuàng)新性實踐。相對于課程設(shè)計類創(chuàng)新實踐，畢業(yè)設(shè)計類創(chuàng)新實踐對學(xué)生各方面的能力有更高的要求。畢業(yè)設(shè)計類的創(chuàng)新實踐一般要求學(xué)生從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對整個運動控制平臺有一個完整的認識，而不是僅針對某個模塊進行設(shè)計或拓展。學(xué)生需要在了解整個系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步對整個系統(tǒng)的各個模塊進行拓展，實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)設(shè)計。

考慮到此類實踐的復(fù)雜性，可在進行過程中，以學(xué)生為主體，并在此基礎(chǔ)上安排研究生對其進行指導(dǎo)，即在充分調(diào)動學(xué)生積極性的基礎(chǔ)上適當給予一定的指導(dǎo)，使其能夠在鍛煉自身解決復(fù)雜問題能力、應(yīng)用實踐能力的同時將所學(xué)知識充分地融會貫通。針對此類創(chuàng)新實踐，2016 年12 月～2017 年6 月，利用此平臺指導(dǎo)1 名本科畢業(yè)生完成了題為基于四軸運動控制平臺的目標檢測與跟蹤的論文。該論文以ARM 為主控制器，配合專用運動控制芯片PCL6045B，實現(xiàn)直線和圓弧插補運動控制；在HSV 顏色空間下，采用基于顏色的方法建立靜止目標檢測的數(shù)學(xué)模型，在VS2015 加OpenCV的開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)檢測算法，并進行相機標定。最后在四軸運動控制平臺上結(jié)合兩者實現(xiàn)目標的跟蹤。

通過多元化的實踐教學(xué)體系，將各個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合、自然銜接，在理論知識的基礎(chǔ)上，進行實踐操作，進一步通過實踐來對學(xué)生的綜合能力進行提升。

4 結(jié) 語