針對農業機械化專業的“智能控制及其Matlab實現”案例庫設計

閆銀發，李曉杰，婁 偉，劉莫塵，劉 平，蘇 斐

(1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安271018； 2.煙臺汽車工程職業學院車輛運用工程系，山東 煙臺265500)

0 引言

智能農機裝備代表農業先進生產力，是提高生產效率和增強農業綜合生產能力的物資基礎，也是國際農業及裝備產業技術競爭的制高點。2018年，山東省提出“新舊動能轉換”的戰略部署，加快推動智能農機裝備技術與產業發展，對農業裝備的自動化和智能化的要求日益迫切，將智能控制和最優控制等先進控制技術應用到現代農業裝備已是歷史的必然[1-3]。“智能控制及其Matlab實現”是研究生的專業核心課程，以智能控制基本理論和方法為核心，采用MATLAB建模和設計方法，圍繞“思想—理論—算法—實現”的主線，講授掌握模糊控制、神經網絡和預測控制等先進的控制理論[4-6]。“智能控制及其Matlab實現”課程案例庫的建設，針對農業機械化專業研究生的特點，選取與專業密切相關的實際科研項目案例，使得學生真正成為教學活動中的主體，促進學生開展自主性、合作性、研究性及探索性的學習。

1 課程教學中目前存在的問題

山東農業大學自2018年以來開始進行“智能控制及其Matlab實現”課程案例教學研究，經過近2年的教學運行，發現目前還存在以下問題。

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

(2)案例庫資源較少，質量不高。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域的案例，如倒立擺系統和BP神經網絡。真實科研項目的案例較少，由于案例與農業機械化專業相關性較小，導致學生不能將課程的學習很好地融入到專業整體方向中。

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

2 案例庫教學設計目標

(1)案例庫設計應從培養農業機械化應用型及復合型高層次工程技術和工程管理人才的角度出發，把控制理論領域的基礎理論及先進技術方法和手段的相關知識運用到工程設計和工程研究開發中，目標是培養具有創新意識和獨立承擔專業領域實際工作和管理工作能力的人才[8-9]。

(2)將具有新穎的教學理念、案例教學和科研相結合。在研究國內外智能控制教學內容與教學方法的基礎上，構建傳統和現代、理論和實踐及課內與課外教學相結合的立體化培養模式。結合教師個人科研課題，建設教學案例庫，搭建控制理論應用硬件平臺，以工程實際控制案例為分析主線，從智能控制理論的模糊控制、神經網絡和模型預測控制方法出發，結合機器視覺和智能檢測等，逐步引導學生理解問題、思考問題并解決問題，培養學生在農業機械設計中運用智能控制的能力，形成完整知識體系。

3 案例庫建設內容

教師結合科研課題，針對其中涉及的不同先進控制方法設計了不同的案例，如使用神經網絡系統的“欠驅動輪式農業作業機器人”，模糊控制和自適應控制相結合的“農機導航自校正模型控制”，以及基于圖像處理和定位算法的“基于機器視覺的煙草自動澆水機”。目前已經設計的10個案例，涵蓋了“智能控制及其Matlab實現”中的路徑規劃、先進PID控制、模糊控制和神經網絡等多種控制方法。各案例側重點不同，難易程度也不同，每個案例都將控制理論和實際的農業機械系統相結合，讓學生針對真實存在的案例進行思考、分析并解決產生的問題，從而不斷提高學生自主學習的能力。每個案例體現2～3種智能控制方法，讓學生漸進地和系統地對理論知識進行學習。該文以“直角坐標式方格蔟采繭機”為例，說明案例的具體設計。

本案例來自桑蠶產業中蠶繭采收的生產環節，目前我國蠶繭多采用紙質版方格蔟營繭，繅絲前需要人工進行蠶繭采收并對黃斑繭等下繭進行選出剔除，存在勞動強度大、誤選率高等缺點[10]。因此本案例中教師首先制作一種能夠實現蠶繭采收動作的硬件實驗平臺，然后提出算法和控制方法要求，讓學生運用控制理論和算法，實現硬件的各種動作要求。

3.1案例硬件平臺設計

“直角坐標式方格蔟采繭機”的硬件平臺如圖1所示，X軸導軌為兩個由傳動軸連接的同步導軌，長為1 m；Y軸導軌帶有電磁采摘器，長為1 m，于X軸導軌上方運行。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軸導軌、Y軸導軌和電磁采摘器共同組成直角坐標式蠶繭采摘機構。STM32F103C8T6控制器控制X軸和Y軸步進電動機將電磁采摘器定位到蠶繭位置，電磁采摘器實現蠶繭的采摘。方格蔟水平固定于試驗臺面中心，兩臺工業相機分別設置在方格蔟的上、下方70 cm處，且均正對方格蔟中心，上位機控制相機采集方格蔟正反圖像并與上位機進行通訊。

3.2案例設計要求

本案例的設計要求是實現方格蔟蠶繭的采收和下繭的剔除，需要設計的算法具體包括以下兩個方面。

(1)基于機器視覺實現蠶繭中心坐標的定位。

(2)研究對蠶繭的分類算法，實現下繭的準確檢測。

3.3案例實施過程

案例實施中圍繞案例設計要求，以問題為導向，讓學生逐步分析核心問題的解決方案。

(1)要想實現蠶繭中心坐標的定位，首先需要對蠶繭圖像進行分割，將單個蠶繭從方格蔟中識別出來。此項任務首先需要對原始的方格蔟圖像進行灰度處理，然后進行圖像分割。學生可以練習使用閾值分割、區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識。圖像分割之后，會發現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。進而需要考慮采用何種聚類的方法來改進圖像分割的效果，此問題在課堂中并未具體講授，需要學生自己通過查閱前沿文獻來學習。通過各種途徑的自我學習和小組討論，學生會學到Mean Shift和FCM等先進的聚類算法。

在實現案例第1個設計要求的過程中，學生既需要學會運用課本中關于圖像處理的基本方法，如灰度處理、開運算和圖像分割等，又需要通過自我學習解決新的問題，從而真正了解并掌握學科的前沿內容。

(2)蠶繭中心坐標定位完成后，試驗平臺即可完成對蠶繭的采摘動作。要想進行下繭的剔除，就需要實現對蠶繭的分類。蠶繭的分類算法，可以從傳統的圖像處理和深度卷積網絡兩個方向進行，每個方向包括不同的知識點(圖2)，學生可以選擇自己感興趣的方向分組進行團隊合作完成。

在完成蠶繭分類算法的過程中，除了要將課堂理論系統性地進行應用和前沿理論的學習以外，增加了方向性的選擇，研究生可以結合自己的畢業課題方向分組進行研究，有效地增加了教學的靈活性。

(3)在案例實施過程中，各種先進的算法均由上位機中的Matlab軟件實現，故在案例設計過程中，不需要額外進行Matlab軟件教學，只需要引導學生結合課本中算法例程進行遷移式學習，達到能夠使用Matlab編程實現自己設計算法的水平。

4 案例庫教學應用效果

案例庫的應用和教學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，學生的積極性被調動，并且激發了學生的創造性，通過案例學習，很多學生能夠舉一反三，由被動學習變為主動學習。

(2)學生間的合作也有意識地建立起來，培養了學生的團隊精神。

(3)不同專業方向和不同畢業去向的研究生，對這門課程學習的要求也不同，案例庫的設計有智能控制中的經典理論、硬件設計和模擬仿真等不同側重點，滿足了不同的教學需求，使得未來教學有很大的發展空間。

5 結束語

案例教學法是一種致力于提高學生綜合素質面，向實際工程的教學模式[11]。該文分析了已運行的“智能控制及其Matlab實現”的案例教學中存在的問題，對該課程的案例教學的目標和具體的建設內容進行了重構和改革。以應用問題為驅動力，結合科研項目，改變了“滿堂灌”的教育模式，采用MATLAB建模和仿真等新技術，引導學生積極反思將課本知識內化，靈活自如地運用所學的智能控制理論知識分析解決實際問題。

“智能控制及其Matlab實現”案例教學庫的研究和建立，不僅能夠起到教學中長期使用和資源共享的作用，同時能夠作為山東農業大學農業機械化專業一個范本，為其他相關課程教學案例庫的建設提供一定的參考價值和意義。