基于URWPGSim2D平臺的課程設計的探索與實踐

羅耀耀，黃成洋，葛良全，曾國強，趙 琦，陽小燕

（成都理工大學 核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059）

“自動控制原理課程設計”是自動化類專業(yè)的學生將控制理論應用于實踐的一個非常重要的課程[1]。該實踐課程一般是設定一段時間，利用仿真軟件或者實驗平臺開展一些設計工作，達到培養(yǎng)學生的動手能力，以及觀察、分析、解決問題的能力[2]。而現在的課程設計的方法主要還是基于“模擬學習機”開展實驗[3-4]，或者以采用復雜的控制系統(tǒng)如倒立擺、小車運動控制系統(tǒng)和三容水箱，或者相應的被控模型作為被控對象構建相應的實驗平臺[6-9]。

受限于實驗條件的課程開展時間的制約，自動原理的課程設計工作一般限定在一定的時間范圍內，為此，教師一般會給出多個選題供學生進行選擇。此外，面對當前對多樣化人才的需求，開展跨學科的實驗設計工作對培養(yǎng)工程創(chuàng)新型人才具有重大的影響。近幾年圍繞學院的“5A”培養(yǎng)理念，教師鼓勵學生廣泛參與學科類專業(yè)競賽，如全國大學生電子設計大賽和“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，以及各類機器人競賽等。通過卓越工程師計劃改善教學環(huán)境，增添教學設備，全面提升電氣工程及其自動化的專業(yè)人才培養(yǎng)。本文圍繞國際水中機器人和四川省機器人大賽的URWPGSim2D競賽平臺，開發(fā)了相應的實驗教學課程，旨在使學生掌握控制算法在工程中的應用，培養(yǎng)學生運用計算機的能力和創(chuàng)新能力。

1 2D仿真比賽平臺

水中機器人水球比賽仿真器 2D版（Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2D Edition，URWPGSim2D）軟件作為“中國水中機器人大賽”和“中國機器人大賽暨RobuCup中國公開賽”之水中機器人競賽的 2D仿真組比賽平臺，包括服務端（URWPGSim2D Server）和客戶端（URWPGSim2D Client）兩大部分[8-11]。該平臺設計了基本符合運動學控制理論和水下碰撞檢測理論的相關模型，不僅能夠有效地控制仿真魚的位置、姿勢，而且會根據產生的擾動對仿真魚的參數產生隨機的變化，這樣的模型更接近于實際狀態(tài)。該競賽項目旨在通過選手對相應比賽項目策略的編寫，使仿真魚在參賽選手的策略控制下、在相應的規(guī)定時間內競技或競速，以提高參賽選手的代碼編寫能力、思維創(chuàng)新能力和團隊協作能力，并實現相關技術領域仿真推廣的效果。該競賽平臺可以進行6項競賽項目，根據課程的需求，可以選定水中搬運、花樣游泳等項目作為實驗課程設計的內容，本文以水中搬運為例，對運動控制的模型及效果進行說明。

2 基于URWPGSim2D平臺的課程設計的建立

作為考核學生實踐能力與綜合能力的課程，其考核測評指標非常關鍵。成績考核要準確反映學生的知識技能掌握程度。在此背景下，若僅僅按照URWPGSim2D平臺上的競賽項目完成相應的競賽項目，無法達到課程設計的要求，所以需要確定其具體的評價指標。

2.1 仿真魚水中搬運競賽的內容

仿真魚水中搬運的比賽場地如圖1所示，在競賽時，考核的要點按照推薦的藍色軌跡和紅色軌跡進行運動，完成搬運的任務后計算所需要的總時間。但是作為課程設計，僅僅將時間作為考核點，不足以支撐課程內容，為此，按照其控制方式，從軌跡難度、控制精度、完成任務時間三個方面對該實驗課程進行考核。為方便論文表述，以藍色軌跡進行相關設計，并在比賽場地中標注A、B、C三點作為標記點。

圖1 水中搬運的比賽場地及推薦路線圖

2.2 水中搬運的控制模型

根據 2D仿真水中魚在項目中的運行情況，首先是仿真魚在水中按照既定的路徑從出發(fā)點A，游向球所在位置 B。魚的速度和魚的方向均會受水流影響，所以其真實運動軌跡與設定的路徑會存在一定的偏差，將偏差與設定的軌跡進行比較，可以對仿真魚的行進方向進行校正。

其控制模型如圖2所示。當仿真魚到達B點后，水流的擾動會影響魚的速度和魚撞擊在球體的方向，魚的位置和方向將決定球的運動方向和前進速度。將球當前的位置與系統(tǒng)中設定的球的軌跡進行比較，獲得兩者之間的差值，通過該差值控制魚的速度大小與魚的方向，推動球往目標位置行動。

圖2 仿真魚頂球的控制模型

2.3 基于水中搬運競賽項目的課程設計

1）實驗項目指標的確定。

在2D仿真魚水中搬運的過程中，由A點到B點的過程（第一階段），是仿真魚按照規(guī)定路徑運動的過程，該過程中可以對越過障礙物的數量進行選擇；此外，在仿真魚行進的過程中，與規(guī)定路徑上行動的差別也是對控制精度進行考核的內容。而從B點到C點（第二階段）是球體按照規(guī)劃路徑進行的過程，需要考核對受控球體的中心位置與預定路徑之間的距離。根據提出的指標，其考核的性能指標見表1。

表1 性能指標評分依據

2）控制精度的定義。

仿真魚的剛體中心點與已經確定規(guī)劃的路徑的絕對值是衡量對仿真魚控制精度的標準。其示意圖如圖1所示，已知既定的運動軌跡為M，L為常數），如果仿真魚或者球體的剛體中心為(x0,y0)，那么該點到預定的路徑規(guī)劃上的距離d為：

3 實例分

本文對水中搬運上按照繞過三個障礙物的方法進行路徑設計，其中只考核A到B、B到C兩個階段，其中以場地的中心所在位置為原點，構建坐標系。按照圖1中藍色線所標記的軌跡，經過5次仿真模擬，仿真魚運行軌跡如圖 3所示，其誤差的像素點為[-50,50]；球體的運動軌跡如圖4所示，其運動的范圍在1 200±42像素內。

圖3 仿真魚按照路徑規(guī)劃運動的實際路徑與誤差（第一階段）

圖4 球體與規(guī)劃路徑的路徑（第二階段）

4 結語

結合自動控制理論的教學內容，在URWPGSim2D平臺的水中搬運的基礎上進行的課程設計，較好地改善了傳統(tǒng)的純理論仿真驗證模式，充分鍛煉了學生對控制方法的應用能力，加深了學生對課程中科學方法的理解，提高了學生的工程實踐能力，獲得了較好的教學效果。