以競賽項(xiàng)目為載體的控制技術(shù)基礎(chǔ)課程改革

曹忠亮，巢淵，丁力，黃明，單文桃

以競賽項(xiàng)目為載體的控制技術(shù)基礎(chǔ)課程改革

曹忠亮，巢淵，丁力，黃明，單文桃

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

在工程認(rèn)證背景下，針對(duì)當(dāng)前機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)學(xué)生利用理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問題較差的情況，在機(jī)械工程控制類課程控制技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中，強(qiáng)化競賽式或項(xiàng)目式教學(xué)環(huán)節(jié)在課程內(nèi)容體系中的作用．提出了以學(xué)生競賽項(xiàng)目“小型無人分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”融入課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案中，以競賽為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生工程知識(shí)學(xué)習(xí)、復(fù)雜工程設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案的能力．教學(xué)改革運(yùn)行的效果良好，改革后的教學(xué)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅提升了學(xué)生的理論與設(shè)計(jì)相結(jié)合能力，還有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．

控制技術(shù)基礎(chǔ)；競賽項(xiàng)目；課程改革

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，控制理論在機(jī)械工程學(xué)科中的應(yīng)用越來越受到重視．控制技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械大類專業(yè)課程體系中一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，也是大部分工科專業(yè)的必修課程．課程主要應(yīng)用經(jīng)典控制論中的基本概念和基本方法來為機(jī)-電-液系統(tǒng)建模、分析和校正．該課程為流體傳動(dòng)與控制、電機(jī)與拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制、電氣控制基礎(chǔ)等專業(yè)課程運(yùn)用控制理論提供基礎(chǔ)知識(shí)，在課程體系中具有承上啟下的重要作用．通過控制技術(shù)基礎(chǔ)課程多輪教學(xué)后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)日常教學(xué)比較厭倦，對(duì)課程中涉及到的數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)分析、傳遞函數(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)不能很好消化理解及應(yīng)用，無法與實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用相結(jié)合，亟需對(duì)控制技術(shù)基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革．

當(dāng)今移動(dòng)機(jī)器人是智能機(jī)器人領(lǐng)域研究的一個(gè)重要分支，憑借其自動(dòng)化程度高、安全可靠、適用性廣等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在無人分揀中[1-3]．路徑規(guī)劃控制作為移動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)，直接影響其在分揀搬運(yùn)任務(wù)過程中的效率及安全性．本設(shè)計(jì)主要研究小型無人分揀系統(tǒng)的路徑規(guī)劃控制部分，其主要涉及分揀搬運(yùn)場景的環(huán)境建模方案設(shè)計(jì)，分揀搬運(yùn)過程中的導(dǎo)航與路徑規(guī)劃控制問題研究．針對(duì)全局路徑規(guī)劃控制中存在的遍歷節(jié)點(diǎn)數(shù)多等問題，提出一種基于動(dòng)態(tài)加權(quán)啟發(fā)函數(shù)的改進(jìn)A*算法，提高全局路徑規(guī)劃的效率和路徑平滑度；針對(duì)多車運(yùn)行中可能發(fā)生的任務(wù)重疊和路徑?jīng)_突等問題，應(yīng)用基于“領(lǐng)航者-跟隨者”的多車編隊(duì)算法，實(shí)現(xiàn)多車編隊(duì)行進(jìn)．本文針對(duì)中國工程機(jī)器人競賽中“小型無人分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目”為載體，將控制技術(shù)基礎(chǔ)課程中涉及到的基礎(chǔ)理論知識(shí)與競賽項(xiàng)目設(shè)計(jì)相聯(lián)系進(jìn)行課程改革，改革后的教學(xué)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅提升了學(xué)生的理論與設(shè)計(jì)相結(jié)合能力，還有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．

1 面向小型物流場景的AGV路徑規(guī)劃總體方案設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

對(duì)小型物流場景下的AGV路徑規(guī)劃進(jìn)行需求分析，并按照任務(wù)要求和工作場景制定總體方案．針對(duì)定位與環(huán)境建圖、導(dǎo)航與避障、多車協(xié)同等問題進(jìn)行小型無人分揀系統(tǒng)路徑規(guī)劃方案的總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的選擇．首先，提出設(shè)計(jì)所依賴的ROS（Robot Operating System，機(jī)器人操作系統(tǒng)）與仿真平臺(tái)，然后闡述了本設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案；其次，對(duì)定位與環(huán)境建圖、導(dǎo)航與路徑規(guī)劃、多車協(xié)同等功能模塊進(jìn)行了算法比較及選用[4]．

本設(shè)計(jì)依托ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃算法，其軟件平臺(tái)的總體框架包括2個(gè)算法模塊及1個(gè)機(jī)器人模型模塊（見圖1）．ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)作為小型無人分揀系統(tǒng)路徑規(guī)劃程序開發(fā)的主要系統(tǒng)框架，以便于配合團(tuán)隊(duì)中通訊、控制、貨物識(shí)別等各功能的搭載．

圖1 軟件平臺(tái)總體功能模塊

1.2 導(dǎo)航與路徑規(guī)劃模塊方案

在小型物流場景中，AGV路徑規(guī)劃是指在已建好的二維地圖上，根據(jù)相應(yīng)的算法從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間尋找一條無沖突的最短路徑．主流的路徑規(guī)劃算法有基于搜索、基于采樣和基于智能仿生算法3類[5-6]，常見路徑規(guī)劃算法對(duì)比分析見表1．

表1 不同路徑規(guī)劃算法的優(yōu)缺點(diǎn)

基于搜索的算法主要有Dijkstra算法、A*算法等．A*算法與Djkstra算法相比，增加了啟發(fā)函數(shù)，以便于在搜索過程中進(jìn)行啟發(fā)式估計(jì)，極大提升了搜索效率，同時(shí)保證了路徑的最優(yōu)性，但不適用于在環(huán)境復(fù)雜的大空間場景；基于采樣的算法主要有RRT（Rapidly-exploring Random Trees，快速拓展隨機(jī)樹）算法、RRT*算法，它們應(yīng)用于動(dòng)態(tài)障礙物、高維狀態(tài)等微分限制的情況下，但代價(jià)大、實(shí)時(shí)性差、最佳性差；智能仿生算法是以模擬生物進(jìn)化、昆蟲覓食、筑巢等行為為對(duì)象，主要包括遺傳算法、蟻群算法等，適用于求解和優(yōu)化復(fù)雜問題，具有一定的并行能力，但運(yùn)算速度緩慢，解早熟．根據(jù)小型物流場景空間小、特征環(huán)境低等特點(diǎn)以及對(duì)物料運(yùn)輸投送過程中高效率和高準(zhǔn)確性的要求，綜合搜索效率和路徑有效性的考慮，選取A*算法作為本文無人分揀系統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃算法，并在原有的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以提高搜索效率，提高路徑平滑度．

2 AGV路徑規(guī)劃研究

2.1 AGV單車路徑規(guī)劃研究

對(duì)現(xiàn)階段視覺SLAM和激光SLAM進(jìn)行對(duì)比后，確定選用點(diǎn)云計(jì)算量小，計(jì)算便捷，測(cè)距準(zhǔn)確且不易受光照影響的激光SLAM進(jìn)行本設(shè)計(jì)的環(huán)境建模方案，并對(duì)比選用基于濾波的Gmapping算法．粒子濾波的核心策略是隨機(jī)采樣，主要包括初始化、搜索、決策及重采樣4個(gè)階段．在初始化過程中，對(duì)AGV的位姿進(jìn)行初始化；在搜索過程中，粒子被隨機(jī)分配，然后通過反饋獲得目標(biāo)相似度信息；在決策階段，通過加權(quán)和近似隨機(jī)樣本，代入概率密度函數(shù)，求取近似積分，最后得出粒子權(quán)重；在重采樣階段，根據(jù)權(quán)重的比例復(fù)制粒子并重新分配．粒子濾波算法將重復(fù)上述過程，并最終完成地圖估計(jì)．主要工作流程見圖2．

為了解決因粒子過多而引起的龐大運(yùn)算，Gmapping算法從改進(jìn)提議分布和選擇性重采樣入手，降低粒子數(shù)量，避免因重復(fù)采樣而引起的粒子耗散問題．在現(xiàn)實(shí)場景中Gmapping算法適用于空間較小、特征環(huán)境簡單的室內(nèi)場景下進(jìn)行定位與建模．

2.2 AGV多車協(xié)同路徑規(guī)劃研究

無人分揀系統(tǒng)中，AGV單車的路徑規(guī)劃只需要在得到的柵格地圖上確定出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，搜索出一條最短路徑．針對(duì)AGV多車的路徑規(guī)劃問題，如何解決分揀任務(wù)的分配，避免AGV多車在行進(jìn)中的路徑?jīng)_突，是實(shí)現(xiàn)小型物流場景下AGV多車安全高效完成物料搬運(yùn)的首要任務(wù)[7-8]．小型無人分揀系統(tǒng)的運(yùn)行空間來看，可簡化為出發(fā)區(qū)、取貨區(qū)及投放區(qū)，同時(shí)存在包含建筑物和固定貨架的固定障礙物，以及包含行人、運(yùn)行中的配套機(jī)械的隨機(jī)障礙物（見圖3）．考慮到AGV單車的功能及多車協(xié)同上的分揀運(yùn)輸效率和任務(wù)分配，采用多車編隊(duì)行進(jìn)的移動(dòng)方式可以有效避免各車之間單獨(dú)行進(jìn)的碰撞沖突，提高多車運(yùn)行中的安全性，減少運(yùn)輸空間的占用和任務(wù)分配的復(fù)雜度．

圖2 粒子濾波算法流程

圖3 分揀工作場景示意圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 AGV單車建圖功能仿真

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃環(huán)境建圖算法的可行性和有效性，在Gazebo仿真軟件中建立環(huán)境地圖（見圖4）．左半部分主要用于無人分揀系統(tǒng)的多點(diǎn)發(fā)布和多車編隊(duì)的運(yùn)行場景，右半部分主要用于全局及局部路徑規(guī)劃算法的驗(yàn)證．同時(shí)，需要提前配置好AGV的里程計(jì)信息和雷達(dá)信息．

圖4 仿真環(huán)境場景

3.2　AGV多車編隊(duì)協(xié)同功能仿真

為驗(yàn)證多車編隊(duì)協(xié)同方案的有效性和穩(wěn)定性，需要將URDF模型以3輛AGV的形式導(dǎo)入到Gazebo仿真環(huán)境中，并對(duì)每輛車的命名和tf坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，來實(shí)現(xiàn)各車的坐標(biāo)發(fā)布和跟隨，跟隨效果見圖5．3輛AGV以三角編隊(duì)直線行進(jìn)，領(lǐng)航者在前，跟隨者在兩翼保持編隊(duì)以相同的速度前進(jìn)．當(dāng)手動(dòng)將其中一個(gè)跟隨者AGV拖離編隊(duì)，以改變跟隨者位置時(shí)，可見被拖離車輛將加速追趕編隊(duì)，最終恢復(fù)編隊(duì)陣型（見圖6）．

當(dāng)手動(dòng)將領(lǐng)航者AGV脫離編隊(duì)，改變領(lǐng)航者位態(tài)時(shí)，可見2輛跟隨者AGV加速追趕頭車，并根據(jù)頭車位姿旋轉(zhuǎn)行進(jìn)角度，最終實(shí)現(xiàn)編隊(duì)恢復(fù)．仿真結(jié)果表明，應(yīng)用“領(lǐng)航者-跟隨者”算法能夠有效避免各車之間發(fā)生碰撞，并能夠在編隊(duì)受到干擾后進(jìn)行動(dòng)態(tài)恢復(fù)，驗(yàn)證了算法的可行性和有效性．

圖5 AGV多車編隊(duì)行進(jìn)效果

圖6 干擾“跟隨者”位置時(shí)編隊(duì)的恢復(fù)效果

4　教學(xué)改革總體評(píng)價(jià)

通過引入中國工程機(jī)器人大賽競賽項(xiàng)目“小型無人分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”融入教學(xué)環(huán)節(jié)在課程內(nèi)容體系中，改革后的教學(xué)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生可以很好地將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用場景．例如：數(shù)學(xué)建模、電機(jī)控制、傳感器技術(shù)等基礎(chǔ)理論，在程序編制、模型建立、系統(tǒng)分析等方面得到較大提升，提升了學(xué)生的理論與設(shè)計(jì)相結(jié)合能力，還有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，教學(xué)改革運(yùn)行的效果良好．

以競賽為導(dǎo)向，培養(yǎng)了學(xué)生工程知識(shí)學(xué)習(xí)、復(fù)雜工程設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案的能力，在理論成績方面逐年提升．將教學(xué)項(xiàng)目與競賽項(xiàng)目有機(jī)融合，為全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽、互聯(lián)網(wǎng)+大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競賽、中國工程機(jī)器人大賽等各類賽事提供后備人才和鍛煉機(jī)會(huì)．

綜上所述，本文以小型物流場景下的無人分揀系統(tǒng)AGV平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)環(huán)境建模以及路徑規(guī)劃問題進(jìn)行研究，并在傳統(tǒng)A*算法的基礎(chǔ)上對(duì)啟發(fā)函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)，提高了全局路徑規(guī)劃效率，并對(duì)規(guī)劃路徑進(jìn)行了平滑性處理．應(yīng)用基于“領(lǐng)航者-跟隨者”算法的AGV多車路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了AGV多車高效地完成物料搬運(yùn)任務(wù)．以競賽項(xiàng)目為載體的課程教學(xué)改革，使學(xué)生得到了鍛煉，學(xué)會(huì)了團(tuán)隊(duì)合作，真正體會(huì)了什么是專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐設(shè)計(jì)相結(jié)合，拓展了學(xué)生實(shí)際建模與設(shè)計(jì)能力，更好地提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力．

[1] 杜壯．制造業(yè)服務(wù)化趨勢(shì)明顯機(jī)器人從“籠子”作業(yè)走向人機(jī)共融[J]．中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2021（10）：107-119．

[2] 余娜娜，李鐵克，王柏琳，等．自動(dòng)化分揀倉庫中多AGV調(diào)度與路徑規(guī)劃算法[J]．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2020，26（1）：171-180．

[3] 郭心德，丁宏強(qiáng)．離散制造智能工廠場景的AGV路徑規(guī)劃方法[J]．廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，38（6）：70-76．

[4] 張國榮，王志亮，趙振棟，等．移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)定位與建圖研究綜述[J]．軟件導(dǎo)刊，2019，18（10）：5-7．

[5] 任偉建，高強(qiáng)，康朝海，等．移動(dòng)機(jī)器人同步定位與建圖技術(shù)綜述[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2022，30（2）：1-10．

[6] 王春穎，劉平，秦洪政．移動(dòng)機(jī)器人的智能路徑規(guī)劃算法綜述[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（8）：5-8．

[7] 趙鑫．移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃算法研究綜述[J]．電子元器件與信息技術(shù)，2021，5（7）：239-240．

[8] 張開樂，陳興文．基于激光SLAM實(shí)現(xiàn)AGV自主導(dǎo)航技術(shù)的仿真[J]．山西電子技術(shù)，2021（5）：32-34．

Reform of control technology fundamentals course with carrier of competition projects

CAO Zhongliang，CHAO Yuan，DING Li，HUANG Ming，DAN Wentao

（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213000，China）

Under the background of engineering certification，in view of the current situation that students in the field of mechanical engineering use theoretical knowledge to solve complex engineering problems，it takes the teaching of the mechanical engineering control course control technology fundamentals as an example to strengthen competition-style or project-based teaching．It is proposed to integrate the student competition project small unmanned sorting control system design into the course experiment teaching reform plan，and take the competition as the orientation to cultivate students′ engineering knowledge and complex engineering design/development solutions．The teaching reform has achieved good results．The reformed teaching can stimulate students′ interest in learning，which not only improves students′ability to combine theory and design，but also helps to improve students′ innovative ability．

control technology foundation；competition project；curriculum reform

1007-9831（2022）11-0091-05

TP13∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.11.018

2022-05-12

江蘇理工學(xué)院教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（11610112121）

曹忠亮（1983-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事控制技術(shù)、機(jī)電一體化研究．E-mail：caoliang-8302@163.com