針對農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)的“智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)”案例庫設(shè)計(jì)

閆銀發(fā)，李曉杰，婁 偉，劉莫塵，劉 平，蘇 斐

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安271018； 2.煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院車輛運(yùn)用工程系，山東 煙臺265500)

0 引言

智能農(nóng)機(jī)裝備代表農(nóng)業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)力，是提高生產(chǎn)效率和增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的物資基礎(chǔ)，也是國際農(nóng)業(yè)及裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的制高點(diǎn)。2018年，山東省提出“新舊動能轉(zhuǎn)換”的戰(zhàn)略部署，加快推動智能農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對農(nóng)業(yè)裝備的自動化和智能化的要求日益迫切，將智能控制和最優(yōu)控制等先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備已是歷史的必然[1-3]?！爸悄芸刂萍捌銶atlab實(shí)現(xiàn)”是研究生的專業(yè)核心課程，以智能控制基本理論和方法為核心，采用MATLAB建模和設(shè)計(jì)方法，圍繞“思想—理論—算法—實(shí)現(xiàn)”的主線，講授掌握模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和預(yù)測控制等先進(jìn)的控制理論[4-6]。“智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)”課程案例庫的建設(shè)，針對農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)研究生的特點(diǎn)，選取與專業(yè)密切相關(guān)的實(shí)際科研項(xiàng)目案例，使得學(xué)生真正成為教學(xué)活動中的主體，促進(jìn)學(xué)生開展自主性、合作性、研究性及探索性的學(xué)習(xí)。

1 課程教學(xué)中目前存在的問題

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)自2018年以來開始進(jìn)行“智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)”課程案例教學(xué)研究，經(jīng)過近2年的教學(xué)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)目前還存在以下問題。

(1)教學(xué)過程分不清案例教學(xué)與舉例教學(xué)，重傳授輕參與。在教學(xué)過程中，還是以教師為主導(dǎo)，多以理論、概念和理解為主，只要求學(xué)生一步一步跟著教師走，對學(xué)生的自學(xué)能力、動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不夠，導(dǎo)致大部分學(xué)生雖然理解相關(guān)的概念和原理是如何解決該案例的問題，但獨(dú)立面對新的實(shí)際問題時卻不知如何解決。

(2)案例庫資源較少，質(zhì)量不高。在案例的搜集、整理和分析等方面相對欠缺。案例庫的來源往往局限于單純控制領(lǐng)域的案例，如倒立擺系統(tǒng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。真實(shí)科研項(xiàng)目的案例較少，由于案例與農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)相關(guān)性較小，導(dǎo)致學(xué)生不能將課程的學(xué)習(xí)很好地融入到專業(yè)整體方向中。

(3)案例更新跟不上學(xué)科的發(fā)展。案例教學(xué)需要緊跟時代的要求和反映當(dāng)前的學(xué)科前沿，教師必須不斷地進(jìn)行案例更新。目前已有的案例建設(shè)，大多存在更新少、案例陳舊的問題。案例應(yīng)既保留經(jīng)典案例，又能緊跟學(xué)科發(fā)展，這樣才能使學(xué)生接觸到學(xué)科發(fā)展的前沿，適合研究生創(chuàng)新教育的要求[7]。

2 案例庫教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)

(1)案例庫設(shè)計(jì)應(yīng)從培養(yǎng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化應(yīng)用型及復(fù)合型高層次工程技術(shù)和工程管理人才的角度出發(fā)，把控制理論領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論及先進(jìn)技術(shù)方法和手段的相關(guān)知識運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)和工程研究開發(fā)中，目標(biāo)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和獨(dú)立承擔(dān)專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H工作和管理工作能力的人才[8-9]。

(2)將具有新穎的教學(xué)理念、案例教學(xué)和科研相結(jié)合。在研究國內(nèi)外智能控制教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建傳統(tǒng)和現(xiàn)代、理論和實(shí)踐及課內(nèi)與課外教學(xué)相結(jié)合的立體化培養(yǎng)模式。結(jié)合教師個人科研課題，建設(shè)教學(xué)案例庫，搭建控制理論應(yīng)用硬件平臺，以工程實(shí)際控制案例為分析主線，從智能控制理論的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模型預(yù)測控制方法出發(fā)，結(jié)合機(jī)器視覺和智能檢測等，逐步引導(dǎo)學(xué)生理解問題、思考問題并解決問題，培養(yǎng)學(xué)生在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)用智能控制的能力，形成完整知識體系。

3 案例庫建設(shè)內(nèi)容

教師結(jié)合科研課題，針對其中涉及的不同先進(jìn)控制方法設(shè)計(jì)了不同的案例，如使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“欠驅(qū)動輪式農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)器人”，模糊控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的“農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型控制”，以及基于圖像處理和定位算法的“基于機(jī)器視覺的煙草自動澆水機(jī)”。目前已經(jīng)設(shè)計(jì)的10個案例，涵蓋了“智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)”中的路徑規(guī)劃、先進(jìn)PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種控制方法。各案例側(cè)重點(diǎn)不同，難易程度也不同，每個案例都將控制理論和實(shí)際的農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合，讓學(xué)生針對真實(shí)存在的案例進(jìn)行思考、分析并解決產(chǎn)生的問題，從而不斷提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。每個案例體現(xiàn)2～3種智能控制方法，讓學(xué)生漸進(jìn)地和系統(tǒng)地對理論知識進(jìn)行學(xué)習(xí)。該文以“直角坐標(biāo)式方格蔟采繭機(jī)”為例，說明案例的具體設(shè)計(jì)。

本案例來自桑蠶產(chǎn)業(yè)中蠶繭采收的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，目前我國蠶繭多采用紙質(zhì)版方格蔟營繭，繅絲前需要人工進(jìn)行蠶繭采收并對黃斑繭等下繭進(jìn)行選出剔除，存在勞動強(qiáng)度大、誤選率高等缺點(diǎn)[10]。因此本案例中教師首先制作一種能夠?qū)崿F(xiàn)蠶繭采收動作的硬件實(shí)驗(yàn)平臺，然后提出算法和控制方法要求，讓學(xué)生運(yùn)用控制理論和算法，實(shí)現(xiàn)硬件的各種動作要求。

3.1案例硬件平臺設(shè)計(jì)

“直角坐標(biāo)式方格蔟采繭機(jī)”的硬件平臺如圖1所示，X軸導(dǎo)軌為兩個由傳動軸連接的同步導(dǎo)軌，長為1 m；Y軸導(dǎo)軌帶有電磁采摘器，長為1 m，于X軸導(dǎo)軌上方運(yùn)行。電磁采摘器由一個行程60 mm，單次往返時間0.5 s的電磁鐵和一個采繭頭組成，用于采摘蠶繭。X軸導(dǎo)軌、Y軸導(dǎo)軌和電磁采摘器共同組成直角坐標(biāo)式蠶繭采摘機(jī)構(gòu)。STM32F103C8T6控制器控制X軸和Y軸步進(jìn)電動機(jī)將電磁采摘器定位到蠶繭位置，電磁采摘器實(shí)現(xiàn)蠶繭的采摘。方格蔟水平固定于試驗(yàn)臺面中心，兩臺工業(yè)相機(jī)分別設(shè)置在方格蔟的上、下方70 cm處，且均正對方格蔟中心，上位機(jī)控制相機(jī)采集方格蔟正反圖像并與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

3.2案例設(shè)計(jì)要求

本案例的設(shè)計(jì)要求是實(shí)現(xiàn)方格蔟蠶繭的采收和下繭的剔除，需要設(shè)計(jì)的算法具體包括以下兩個方面。

(1)基于機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)蠶繭中心坐標(biāo)的定位。

(2)研究對蠶繭的分類算法，實(shí)現(xiàn)下繭的準(zhǔn)確檢測。

3.3案例實(shí)施過程

案例實(shí)施中圍繞案例設(shè)計(jì)要求，以問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生逐步分析核心問題的解決方案。

(1)要想實(shí)現(xiàn)蠶繭中心坐標(biāo)的定位，首先需要對蠶繭圖像進(jìn)行分割，將單個蠶繭從方格蔟中識別出來。此項(xiàng)任務(wù)首先需要對原始的方格蔟圖像進(jìn)行灰度處理，然后進(jìn)行圖像分割。學(xué)生可以練習(xí)使用閾值分割、區(qū)域分割和分水嶺變換分割等常用方法，在此過程中，熟練掌握各方法的算法原理，并通過對比分割后的方格蔟圖像，對不同方法的分割效果有最直觀和感性的認(rèn)識。圖像分割之后，會發(fā)現(xiàn)無論哪種方法分割后的圖像，均存在分割算法不能有效消除部分繭衣黏連影響的問題。進(jìn)而需要考慮采用何種聚類的方法來改進(jìn)圖像分割的效果，此問題在課堂中并未具體講授，需要學(xué)生自己通過查閱前沿文獻(xiàn)來學(xué)習(xí)。通過各種途徑的自我學(xué)習(xí)和小組討論，學(xué)生會學(xué)到Mean Shift和FCM等先進(jìn)的聚類算法。

在實(shí)現(xiàn)案例第1個設(shè)計(jì)要求的過程中，學(xué)生既需要學(xué)會運(yùn)用課本中關(guān)于圖像處理的基本方法，如灰度處理、開運(yùn)算和圖像分割等，又需要通過自我學(xué)習(xí)解決新的問題，從而真正了解并掌握學(xué)科的前沿內(nèi)容。

(2)蠶繭中心坐標(biāo)定位完成后，試驗(yàn)平臺即可完成對蠶繭的采摘動作。要想進(jìn)行下繭的剔除，就需要實(shí)現(xiàn)對蠶繭的分類。蠶繭的分類算法，可以從傳統(tǒng)的圖像處理和深度卷積網(wǎng)絡(luò)兩個方向進(jìn)行，每個方向包括不同的知識點(diǎn)(圖2)，學(xué)生可以選擇自己感興趣的方向分組進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作完成。

在完成蠶繭分類算法的過程中，除了要將課堂理論系統(tǒng)性地進(jìn)行應(yīng)用和前沿理論的學(xué)習(xí)以外，增加了方向性的選擇，研究生可以結(jié)合自己的畢業(yè)課題方向分組進(jìn)行研究，有效地增加了教學(xué)的靈活性。

(3)在案例實(shí)施過程中，各種先進(jìn)的算法均由上位機(jī)中的Matlab軟件實(shí)現(xiàn)，故在案例設(shè)計(jì)過程中，不需要額外進(jìn)行Matlab軟件教學(xué)，只需要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合課本中算法例程進(jìn)行遷移式學(xué)習(xí)，達(dá)到能夠使用Matlab編程實(shí)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)算法的水平。

4 案例庫教學(xué)應(yīng)用效果

案例庫的應(yīng)用和教學(xué)方式的改變帶來的效果有以下3個方面。

(1)課堂氣氛明顯活躍很多，學(xué)生的積極性被調(diào)動，并且激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性，通過案例學(xué)習(xí)，很多學(xué)生能夠舉一反三，由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

(2)學(xué)生間的合作也有意識地建立起來，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。

(3)不同專業(yè)方向和不同畢業(yè)去向的研究生，對這門課程學(xué)習(xí)的要求也不同，案例庫的設(shè)計(jì)有智能控制中的經(jīng)典理論、硬件設(shè)計(jì)和模擬仿真等不同側(cè)重點(diǎn)，滿足了不同的教學(xué)需求，使得未來教學(xué)有很大的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語

案例教學(xué)法是一種致力于提高學(xué)生綜合素質(zhì)面，向?qū)嶋H工程的教學(xué)模式[11]。該文分析了已運(yùn)行的“智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)”的案例教學(xué)中存在的問題，對該課程的案例教學(xué)的目標(biāo)和具體的建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)和改革。以應(yīng)用問題為驅(qū)動力，結(jié)合科研項(xiàng)目，改變了“滿堂灌”的教育模式，采用MATLAB建模和仿真等新技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生積極反思將課本知識內(nèi)化，靈活自如地運(yùn)用所學(xué)的智能控制理論知識分析解決實(shí)際問題。

“智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)”案例教學(xué)庫的研究和建立，不僅能夠起到教學(xué)中長期使用和資源共享的作用，同時能夠作為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)一個范本，為其他相關(guān)課程教學(xué)案例庫的建設(shè)提供一定的參考價(jià)值和意義。