一種目標(biāo)跟蹤裝置綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李黨超 王明偉 楊 榮

(西安交通大學(xué) 實(shí)踐教學(xué)中心， 西安 710049)

近年來，教育部關(guān)于高等教育提出了一系列新的要求，要求各個(gè)高校建好一流專業(yè)，建強(qiáng)一流課程，建優(yōu)一流拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地，不斷推出各項(xiàng)育人計(jì)劃、“四新”建設(shè)要求等，發(fā)布了“關(guān)于加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科人才培養(yǎng)的指導(dǎo)意見”“卓越工程師”等各類意見及計(jì)劃。面對這種緊迫的培養(yǎng)要求，各個(gè)高校都在不斷嘗試各種教育改革，西安交通大學(xué)歷來重視學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)，特別是對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為了契合新時(shí)代人才培養(yǎng)的各項(xiàng)要求，在對本科生進(jìn)行實(shí)踐課程培養(yǎng)的過程中，需要授課教師不斷識(shí)別新需求，回應(yīng)新需要，主動(dòng)求變革[1]。在西安交通大學(xué)本科生實(shí)踐教學(xué)過程中，開展了一項(xiàng)機(jī)電結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)寓教于樂，利用生活中熟悉的場景貼近學(xué)生，易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，具有良好的實(shí)驗(yàn)效果，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力具有很好的作用。

1 實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練裝置構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)裝置由機(jī)械運(yùn)動(dòng)組件、電子控制平臺(tái)和多源模擬目標(biāo)三部分組成。

1.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)組件

機(jī)械運(yùn)動(dòng)組件由垂直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(含運(yùn)動(dòng)滑塊)和水平絲杠組成，垂直導(dǎo)軌和水平絲杠均由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，二者相互配合實(shí)現(xiàn)水平和垂直兩個(gè)方向的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簡易的二維運(yùn)動(dòng)。

1.2 電子控制平臺(tái)

為了拓展訓(xùn)練手段，實(shí)現(xiàn)控制的多樣性，實(shí)驗(yàn)選擇目前業(yè)界常用的兩種控制平臺(tái)，分別是STM32嵌入式平臺(tái)和SPARTAN6系列的FPGA平臺(tái)[2]。前者以C語言為主要訓(xùn)練對象，STM32繼承了多種常用的硬件資源，定時(shí)器、外圍IO接口等非常豐富；后者以硬件描述語言(VHDL或Verilog)為主要訓(xùn)練對象，XILINX公司推出的SPARTAN系列FPGA具有性價(jià)比高的特點(diǎn)，內(nèi)部邏輯資源充足，常用IP核等實(shí)用性很高，兩種硬件平臺(tái)各有特點(diǎn)，均能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)控制。

1.3 多源模擬目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中以白色背景墻或白板作為目標(biāo)放置支撐，選取不同顏色，形狀的磁扣等形式，能夠自主吸附在白板或貼在背景墻上即可，作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的模擬目標(biāo)。

圖1 垂直導(dǎo)軌和滑塊

圖2 絲杠

圖3 FPGA和STM32 控制平臺(tái)

模擬目標(biāo)選擇拓展性較大，可以進(jìn)行比較豐富的擴(kuò)展，比如可以使用動(dòng)物圖案，汽車，飛機(jī)等其他圖形圖像作為訓(xùn)練對象，選擇原則一般以貼近學(xué)生生活，提升實(shí)驗(yàn)趣味性，擴(kuò)展學(xué)生視野為主。

圖4 裝置整體實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為三個(gè)訓(xùn)練層次，分別是基礎(chǔ)訓(xùn)練，拓展訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練。三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)難度，知識(shí)點(diǎn)，需要解決的問題都是逐級(jí)提高增多，體現(xiàn)出一定的差異性，可以適應(yīng)不同層次學(xué)生的訓(xùn)練需求。

2.1 基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)以學(xué)生識(shí)別控制對象，了解控制對象的基本構(gòu)成，基本控制原理為主要目標(biāo)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定知識(shí)和技能基礎(chǔ)。

(1)簡單運(yùn)動(dòng)控制，以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制為主，主要掌握步進(jìn)電機(jī)的接口，控制原理，速度控制等內(nèi)容。

圖5 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖

(2)拍照實(shí)驗(yàn)(攝像頭控制)，實(shí)驗(yàn)中用的攝像頭型號(hào)為OV7670，通過它能夠進(jìn)行圖像的拍攝獲取，主要控制難點(diǎn)在于理解相關(guān)的行信號(hào)，場信號(hào)的時(shí)序輸出。

圖7 OV7670攝像頭控制框圖

(3)照片顯示實(shí)驗(yàn)(LCD顯示屏控制)等，該實(shí)驗(yàn)將圖像獲取和圖像顯示結(jié)合起來，并通過LCD屏幕進(jìn)行顯示，需要用到顯示屏、存儲(chǔ)器等相關(guān)外設(shè)，相應(yīng)的程序流程圖如圖8所示。

圖8 照片顯示程序流程圖

2.2 拓展訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將各個(gè)獨(dú)立控制模塊進(jìn)行綜合，建立各個(gè)模塊之間的控制聯(lián)系，完成初步視覺控制和較為精細(xì)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)以完成復(fù)合功能為主，比如結(jié)合攝像頭(OV7670)和顯示屏(LCD)實(shí)現(xiàn)自拍照片和照片顯示實(shí)驗(yàn)；結(jié)合攝像頭和運(yùn)動(dòng)部件完成目標(biāo)鎖定及拍照實(shí)驗(yàn)等，如圖9所示。該部分主要知識(shí)點(diǎn)集中在聯(lián)動(dòng)控制，通過攝像頭識(shí)別目標(biāo)，反饋參數(shù)，進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的加速，減速運(yùn)動(dòng)，相關(guān)流程圖如圖10所示。

2.3 創(chuàng)新綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新綜合訓(xùn)練內(nèi)容對實(shí)驗(yàn)的性能提出更高要求，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別及跟蹤，突出整個(gè)訓(xùn)練的難度和綜合性[3]，也可進(jìn)行算法調(diào)研和實(shí)現(xiàn)的拓展。比如要求系統(tǒng)在限定時(shí)間內(nèi)完成單個(gè)目標(biāo)識(shí)別，多個(gè)目標(biāo)識(shí)別；或者在限定時(shí)間內(nèi)完成單個(gè)、多個(gè)目標(biāo)跟蹤。因此，實(shí)驗(yàn)難度可以進(jìn)行自由設(shè)置。

圖9 實(shí)驗(yàn)示意

圖10 目標(biāo)識(shí)別跟蹤流程圖

同時(shí)利用視覺識(shí)別技術(shù)，可以拓展目標(biāo)識(shí)別的種類，比如實(shí)現(xiàn)趣味圖形，物體圖形等創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)。

重點(diǎn)關(guān)注的技能及知識(shí)點(diǎn)在于主要外設(shè)的初始化，比如相關(guān)按鍵，攝像頭，存儲(chǔ)器，LCD顯示器等，學(xué)生需要完成相應(yīng)的程序配置，主要流程圖如圖11所示。此外，在進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別時(shí)，背景板上的磁扣目標(biāo)位置也要進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，流程圖如圖12所示。

3 教學(xué)反饋

通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體會(huì)和實(shí)驗(yàn)過程，可以看出在以下方面能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練和提高。

(1)在知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和掌握方面，機(jī)械方面，實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練對象包含絲桿、帶傳動(dòng)等基本的實(shí)驗(yàn)對象、學(xué)生需要了解其基本構(gòu)造、驅(qū)動(dòng)原理、運(yùn)行特性、實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)的問題等；電子方面，嵌入式技術(shù)(以STM32為主)，F(xiàn)PGA硬件語言開發(fā)技術(shù)(以SPARTAN為主)為兩大主題，包含相關(guān)的中斷技術(shù)、電機(jī)控制、速度控制、視覺控制等一系列的知識(shí)點(diǎn)，可見，整個(gè)實(shí)驗(yàn)包含的知識(shí)點(diǎn)非常豐富，因此，便于根據(jù)學(xué)生的實(shí)際能力建立多層次的訓(xùn)練任務(wù)，適應(yīng)不同學(xué)生的培養(yǎng)需求。

圖11 外設(shè)初始化流程

圖12 目標(biāo)位置計(jì)算流程

(2)在工程實(shí)踐能力培養(yǎng)方面，有著較好的針對性。在實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練實(shí)時(shí)過程中，強(qiáng)調(diào)“嚴(yán)慎細(xì)實(shí)”的工程理念，通過具體環(huán)節(jié)的完成潛移默化地影響學(xué)生的操作習(xí)慣和態(tài)度。比如電源、示波器、萬用表等常見儀器的規(guī)范、安全使用，訓(xùn)練板在上電前，電源對地阻抗的測量，導(dǎo)線通斷的確認(rèn)；又比如在程序開發(fā)的過程中，流程圖的繪制、函數(shù)的使用、代碼書寫規(guī)范、注釋的添注、軟件調(diào)試的技巧等等，從這些細(xì)微之處著手，訓(xùn)練學(xué)生的規(guī)范的工程開發(fā)習(xí)慣和素養(yǎng)，體現(xiàn)出專業(yè)性[4-5]。

(3)在自主學(xué)習(xí)能力、解決工程問題學(xué)習(xí)方面，由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有層次性，在不同的階段學(xué)生會(huì)表現(xiàn)出不同的反應(yīng)，不同個(gè)性的學(xué)生也會(huì)表現(xiàn)出很大的差異。實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生課前的知識(shí)自學(xué)，鼓勵(lì)提前開發(fā)自己的訓(xùn)練例程，完成一級(jí)任務(wù)，即可開展下一級(jí)更為復(fù)雜的訓(xùn)練要求，通過難度的逐級(jí)提高，刺激學(xué)生的好勝心和好奇心，調(diào)動(dòng)其解決問題的積極性[6-8]。

總之，由于該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及知識(shí)點(diǎn)較多，既要了解相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性，又要學(xué)習(xí)具體控制核心的控制原理，整個(gè)過程中各種問題也會(huì)層出不窮，因此，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中，能夠體會(huì)到工程項(xiàng)目研制的難度，還能經(jīng)歷解決問題后的喜悅，又能感受不同層次任務(wù)的層層推進(jìn)的差異，而且，實(shí)驗(yàn)所選擇的對象貼近生活，學(xué)生感受較為親切，具有較好的初次接受的友好度。因此，能夠“痛并快樂著”地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

圖13 學(xué)生實(shí)驗(yàn)場景

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募斑_(dá)成度

綜合而言，該實(shí)驗(yàn)主要實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo)，對學(xué)生在機(jī)電控制方面進(jìn)行實(shí)踐鍛煉和提高。

(1)學(xué)習(xí)過程中了解常見電機(jī)、視覺傳感器、絲杠、滑臺(tái)等基礎(chǔ)構(gòu)建的特點(diǎn)，掌握相關(guān)傳感器的使用方法；

(2)掌握并熟悉STM32嵌入式芯片控制的基本原理，能夠按照要求完成相應(yīng)的編程任務(wù)；

(3)掌握并熟悉SPARTAN系列芯片控制的基本原理，能夠按照要求完成相應(yīng)的編程任務(wù)；

(4)掌握直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的常用控制方法；

(5)能夠獨(dú)立搭建實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，并符合操作規(guī)范；

(6)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，增強(qiáng)解決工程問題的能力，提高表達(dá)能力等綜合素養(yǎng)。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)達(dá)成度說明

5 結(jié)語

在新工科等新的人才培養(yǎng)目標(biāo)要求下，提高學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)需求越來越緊迫，實(shí)踐教學(xué)作為學(xué)生綜合培養(yǎng)過程中非常重要且關(guān)鍵的一環(huán)，需要投入更多的關(guān)注和思考，從西安交通大學(xué)本科生的綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)出發(fā)，介紹了一種機(jī)電結(jié)合、多層次的綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在教學(xué)過程中，得到了學(xué)生認(rèn)可，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目訓(xùn)練的熱情。在實(shí)踐教學(xué)的過程中，指導(dǎo)老師有責(zé)任不斷地進(jìn)行教學(xué)思考，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決過程中碰到的問題，不斷滿足新的培養(yǎng)要求，從而使得高校實(shí)踐育人環(huán)節(jié)不斷完善，不斷進(jìn)步。