項目式驅動“視覺伺服控制”課程的教學方法探究

摘要：“視覺伺服控制”是機器人工程專業大四開設的專業選修課，是對機器人系統實現智能化的主要課程之一。課程綜合性較強，涵蓋的知識面廣，基本概念多，系統設計和動手實踐要求高，針對以上特點，課程采用項目驅動式教學法引導學生開展課程學習。教學實施過程中重視學生發現問題、解決問題的實踐能力培養，學生參與度高，有效激發了學生對課程和專業領域的興趣，提升了專業技能，增強了專業自信，對學生畢業設計和就業起到了積極正向的作用。

關鍵詞：視覺伺服控制；機器人工程；項目驅動

ResearchonTeachingMethodofProjectDrivenVisualServoControlCourse

SunXiaoyuRongAiqiongPengYiwenZhouHongfu

SchoolofMechanicalEngineeringandRoboticsEngineering，GuangzhouCityUniversityofTechnology

GuangdongGuangzhou510800

Abstract："VisualServoControl"isaprofessionalelectivecourseforseniorstudentsmajoringinrobotengineering，anditisoneofthemaincoursestorealizetheintelligentrobotsystem.Thecurriculumiscomprehensive，coveringawiderangeofknowledge，basicconcepts，systemdesignandpracticalrequirements.Inviewoftheabovecharacteristics，thecourseadoptsprojectdriventeachingmethodtoguidestudentstocarryoutcurriculumlearning.IntheprocessofteachingimplementationdiyT3Udw4FWeTTtH82flBYk9PQF2+ERKK+VUfCoDfJs=，attentionispaidtothecultivationofstudents'practicalabilitytofindandsolveproblems，andstudents'participationishigh，whicheffectivelystimulatesstudents'interestincoursesandprofessionalfields，improvesprofessionalskillsandenhancesprofessionalselfconfidence，andplaysapositiveroleinstudents'graduationdesignandemployment.

Keywords：visualservocontrol；robotengineering；projectdrive

1概述

“視覺伺服控制”課程是機器人工程專業本科學生專業方向之一。結合專業方向培養目標及就業需求，在大四上學期開設“視覺伺服控制”課程，共32學時。機器人的控制分為機械本體控制和伺服機構控制兩大類，伺服控制系統是實現機器人機械本體控制和伺服機構控制的重要部分。隨著計算機視覺的發展，基于視覺的伺服控制系統在無人系統中得到關注及廣泛應用［1］。

視覺伺服控制是使用閉環控制環節中的計算機視覺數據來控制機器人運動，引導機器人去完成一項工作。把視覺傳感信號嵌入在機器人的伺服循環中，通過對視覺特征的控制，實現對機器人的定位閉環控制，從而完成引導任務。伺服任務可根據需求定義來滿足不同場合需求。視覺是實現機器人人工智能的主要途徑之一［23］。

“視覺伺服控制”課程的先修課程有“機器人學”“機器視覺”“控制理論”“電機控制”等專業核心理論課程，是機器人系統智能化的主要課程之一，是一門理論集合實踐綜合性較強的科目。課程涵蓋的知識面廣、基本概念多、系統設計和動手實踐要求高。因此，研究適合機器人工程專業技術課程規律和特點的教學方法，對培養高素質機器人工程專業人才和提高整體教學水平十分重要。針對課程以上特點，該門課程采用的是項目驅動式教學法，提高了學生的理論聯系實際能力、創新思維、團隊協作能力等。

2項目驅動式教學方法

項目式教學法［45］指一種以師生共同完成一個項目為形式安排教學活動的方法，其顯著特點是以項目為主線，在教師的引導下，以學生為主體來完成教學任務。有別于傳統教學，在項目式教學中學生的參與度高，重視學生發現問題、解決問題的實踐能力培養。這種教學模式符合新工科工程教育要求，學生能有效地將書本上的知識運用到解決實際的復雜的工程問題中，同時激發了學生對課程和專業領域的興趣，提升了專業技能，增強了專業自信，對學生畢業設計和就業起到了積極正向的作用。

在教學過程中，教學設計的內容以項目為依托，實施過程中學生是主體，教師進行指導和答疑。學生在完成項目過程中需要理解項目、收集資料、進行調研、設計實施方案和實現項目最終的目標。通過該過程，作為主體的學生得到了充分的鍛煉，具體要點體現在：

項目驅動式學習：課程設計以項目為中心，鼓勵學生探索并解決實際問題。例如，設計完成一個機器人視覺伺服系統：基于視覺伺服的機械臂開鎖、基于視覺伺服的無人機定點降落等項目設計。項目設計的宗旨都是讓學生應用視覺伺服控制的技術來完成任務。

理論結合實踐：課程項目強調理論知識與實際應用之間的緊密聯系。在教學過程中，將理論課程與實踐項目相結合。如學生在完成上述實際的機器人視覺和控制項目中，需要對前序課程知識機器人動力學、機器視覺和控制理論等專業知識進行綜合應用與實踐。

創新思維：項目式學習鼓勵學生創新思考，提出技術解決方案。該項目鼓勵同學用不同的方法完成，如使用MATLAB或ROS建模仿真，利用軟件模擬工具建模能更好地幫助同學理解理論實現過程。通過仿真指導實物制作，或者仿真環境與實物相結合，提高視覺伺服系統設計精度。

方案分析：每個項目組可完成相同的題目，在實現的過程中設計方法和實現過程會有不同；同樣地，每個組可能完成不同項目，在實現過程中可能解決問題方法和思路有相似之處。在項目實施過程中，課堂上組織學生進行技術分享、交流和結果分析，有助于同學們在項目實施過程中不斷地調整、修正、相互學習。

團隊合作：完成項目通常需要學生分組合作，培養團隊協作和溝通技能。

持續的評估和反饋：項目式學習需要持續的評估和反饋機制。教師可以定期檢查學生的進展，提供指導和建議，幫助他們克服遇到的困難。

圖1項目式驅動教學要點

3項目驅動式教學實施

課程建設遵循學生學習規律，注重BLOOM課程設計方法，同時關注兩性一度的問題，即在課程中同樣關注高階性、創新性和挑戰度。

項目驅動式教學對于“視覺伺服控制”課程本身而言是前序學科的綜合應用，它要求對機器視覺、控制理論等課程的部分內容熟悉掌握。在實施過程中注重學生知識能力素質有機融合，培養學生解決有關視覺伺服控制系統問題的綜合能力、能夠獨立自主進行系統改進的高級思維。

課程內容理論結合實際應用，在基礎內容之上引導學生關注課程和學科的前沿技術，教學過程中鼓勵同學與教師交流，與學生共同發掘感興趣的有探究性的問題。鼓勵學生獨立進行完整的系統設計，包括仿真層面的設計和實物實現，能夠設計出具有創新性的和有一定挑戰度的項目。

注重課程資源建設和課程內容積累，在學生課堂、學生創新項目開展的情況下，不斷迭代增加課程仿真和實物項目庫。該項目實施過程可分為授課部分和實踐指導部分。

（1）項目選題：探索視覺伺服知識理論與項目實踐相結合的教學模式，分析需求的條件。在項目選題及實施過程中鍛煉學生的綜合能力，通過知識理解、問題提出、資料查詢、提出問題、命題歸納、研究內容、技術路線、仿真研究、協作分析和解決問題等方式組織教學。課程形式呈現多元化，包括課堂教學、問題研討、學生報告等相結合。

教師選題和自主選題均可。教師提供的選題包括機械臂機器人、移動機器人、飛行機器人等。要求項目的開展可模擬仿真實現，亦可制作實物。

（2）學生分組：分組人數要求5～7人。在項目實施期間，學生可共同學習全過程，也可分工合作負責不同模塊。要求對于沒有負責的模塊也要了解其原理。在不同階段，不同同學完成不同內容的匯報，如文獻綜述、方案設計、視覺模塊、控制模塊等。

（3）任務要求：各小組根據任務要求設計項目功能實現的方案路線、模塊選擇、完成任務設計與編程，組內研討項目任務的難點問題，共同提出解決思路。小組成員根據個人興趣方向選擇項目任務，成員之間需明確任務分配，各個任務相關聯成員之間必須緊密合作，努力在不同項目節點完成所屬任務。

（4）項目開展形式：項目實施的整體思路為課程理論→模擬仿真→實物實踐課程模式，真正地完成本項目提出的講→練→實踐三環節，為學生提供獨立思考、動手實踐，理論與實際結合驗證的機會；也為能夠提出創新型和挑戰度難度項目的同學提供實踐平臺。從而體現課程設計具有先進性和互動性，學生學習結果具有探究性和個性化，實現創新思維能力培養。

圖2項目驅動流程圖

4項目驅動式教學成效

通過項目式驅動式教學，學生完成了不同的項目課題。以排球機器人和無人飛行器目標跟蹤兩個主題為例來說明課程實踐過程，在兩個項目中學生分成三個方向：視覺組、電控組兼顧仿真、機械組。項目小組同學能夠查找資料、獨立思考、動手實踐，將理論與實際結合進行驗證，項目為同學提供課程設計實踐平臺。課程設計內容均具有一定的高階性、創新性和挑戰度，學生在課程實施過程中不斷探究，提出個性化設計方案并實踐，實現了創新思維能力培養。

4.1排球機器人

此項目為排球機器人接球、對打。完成任務需采用操作臂+移動底盤機器人的結構。基于視覺伺服控制，學生完成的內容有：使用視覺系統完成目標排球識別。對于排球比賽，視覺識別排球和排球運動軌跡，將軌跡信息作為驅動移動地盤和操作臂伺服系統的輸入信號。視覺系統反饋信息為移動底盤提供伺服控制策略必需的反饋信號。目前已完成底盤移動機器人視覺伺服跟蹤部分。當視覺系統檢測到排球后，根據檢測信息，判斷接球的運動軌跡，底盤伺服控制系統做出相對回應。學生完成移動底盤路徑規劃和操作臂跟蹤，但在機器視覺實現排球軌跡跟蹤方面不夠精確，不能完全實現自主接球、對打，響應速度有一定誤差。

4.2無人飛行器

此項目為實現四旋翼系統的硬件搭建、目標跟蹤等功能。項目小組從零開始，以分組的形式推進項目任務和學習。該項目已在ROS系統中完成四旋翼飛機視覺目標跟蹤功能，完成四旋翼飛機硬件搭建。

無人機跟蹤的原理是基于無人機通過視覺傳感器獲取目標物體的位置信息。根據位置信息，通過控制算法調整無人機的飛行狀態和姿態，使其保持與目標物體的合適距離和角度。該項目在精度方面，無人機能夠準確地飛向指定的目標點，并在一定的誤差范圍內保持穩定；在穩定性方面，無人機在飛行過程中能夠穩定地跟蹤目標，并通過PID算法進行動態調整，減小姿態偏差；在實時性方面，無人機能夠及時響應控制指令，實現實時的飛行狀態調整。綜合評估結果顯示，該無人機跟蹤系統具有較高的精度、穩定性和實時性，能夠滿足實際應用需求。課程過程中，學生通過實踐提出了課程結束后可進一步改進完善，進一步優化算法和系統，提高跟蹤效果和性能。項目小組的同學計劃繼續進行該項目，并延伸至畢設課題，將搭建更完善的基于視覺伺服的無人飛行器系統。

結語

“視覺伺服控制”課程采用項目驅動式教學方法在教學中探索、實踐，提高了教學質量。教學實施過程中重視學生提出問題、解決問題的能力。學生參與度高，能夠激發學生對課程和專業領域技術的興趣，提升了專業技能，增強了專業自信，激發了學習潛力。

參考文獻：

［1］PeterCorke.Robotics，VisionandControl［M］.Beijing：PublishHouseofElectronicsIndustry，2016.

［2］朱福康，叢明，劉毅，等.基于RGBD圖像的機器人無標定視覺定位［J］.計算機集成制造系統，2019，25（08）：20072015.

［3］YAOBW，MillsJK.Automatedrealtime3dvisualServoingcontrolofsinglecellsurgeryprocesses［Z］.2021IEEEInternationalConferenceonMechatronicsandAutomation（IEEEICMA2021），2021：218223.

［4］冷淑君.關于項目教學法的探索與實踐［J］.教育學術月刊，2007（07）：119120.

［5］杜文海，李愛琴，吳波.以學生為中心、以項目為導向的教學改革與實踐：以新能源技術及應用課程為例［J］.化工高等教育，2020，37（2）：97102.

基金項目：2022年廣州城市理工學院質量工程項目立項：《視覺伺服》課程項目式教學模式探索（項目編號：JY220108）

作者簡介：孫曉雨（1983—），女，遼寧丹東人，博士，講師，研究方向：智能機器人技術。