针对农业机械化专业的“智能控制及其Matlab实现”案例库设计

闫银发，李晓杰，娄 伟，刘莫尘，刘 平，苏 斐

(1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安271018； 2.烟台汽车工程职业学院车辆运用工程系，山东 烟台265500)

0 引言

智能农机装备代表农业先进生产力，是提高生产效率和增强农业综合生产能力的物资基础，也是国际农业及装备产业技术竞争的制高点。2018年，山东省提出“新旧动能转换”的战略部署，加快推动智能农机装备技术与产业发展，对农业装备的自动化和智能化的要求日益迫切，将智能控制和最优控制等先进控制技术应用到现代农业装备已是历史的必然[1-3]。“智能控制及其Matlab实现”是研究生的专业核心课程，以智能控制基本理论和方法为核心，采用MATLAB建模和设计方法，围绕“思想—理论—算法—实现”的主线，讲授掌握模糊控制、神经网络和预测控制等先进的控制理论[4-6]。“智能控制及其Matlab实现”课程案例库的建设，针对农业机械化专业研究生的特点，选取与专业密切相关的实际科研项目案例，使得学生真正成为教学活动中的主体，促进学生开展自主性、合作性、研究性及探索性的学习。

1 课程教学中目前存在的问题

山东农业大学自2018年以来开始进行“智能控制及其Matlab实现”课程案例教学研究，经过近2年的教学运行，发现目前还存在以下问题。

(1)教学过程分不清案例教学与举例教学，重传授轻参与。在教学过程中，还是以教师为主导，多以理论、概念和理解为主，只要求学生一步一步跟着教师走，对学生的自学能力、动手能力和创新能力培养不够，导致大部分学生虽然理解相关的概念和原理是如何解决该案例的问题，但独立面对新的实际问题时却不知如何解决。

(2)案例库资源较少，质量不高。在案例的搜集、整理和分析等方面相对欠缺。案例库的来源往往局限于单纯控制领域的案例，如倒立摆系统和BP神经网络。真实科研项目的案例较少，由于案例与农业机械化专业相关性较小，导致学生不能将课程的学习很好地融入到专业整体方向中。

(3)案例更新跟不上学科的发展。案例教学需要紧跟时代的要求和反映当前的学科前沿，教师必须不断地进行案例更新。目前已有的案例建设，大多存在更新少、案例陈旧的问题。案例应既保留经典案例，又能紧跟学科发展，这样才能使学生接触到学科发展的前沿，适合研究生创新教育的要求[7]。

2 案例库教学设计目标

(1)案例库设计应从培养农业机械化应用型及复合型高层次工程技术和工程管理人才的角度出发，把控制理论领域的基础理论及先进技术方法和手段的相关知识运用到工程设计和工程研究开发中，目标是培养具有创新意识和独立承担专业领域实际工作和管理工作能力的人才[8-9]。

(2)将具有新颖的教学理念、案例教学和科研相结合。在研究国内外智能控制教学内容与教学方法的基础上，构建传统和现代、理论和实践及课内与课外教学相结合的立体化培养模式。结合教师个人科研课题，建设教学案例库，搭建控制理论应用硬件平台，以工程实际控制案例为分析主线，从智能控制理论的模糊控制、神经网络和模型预测控制方法出发，结合机器视觉和智能检测等，逐步引导学生理解问题、思考问题并解决问题，培养学生在农业机械设计中运用智能控制的能力，形成完整知识体系。

3 案例库建设内容

教师结合科研课题，针对其中涉及的不同先进控制方法设计了不同的案例，如使用神经网络系统的“欠驱动轮式农业作业机器人”，模糊控制和自适应控制相结合的“农机导航自校正模型控制”，以及基于图像处理和定位算法的“基于机器视觉的烟草自动浇水机”。目前已经设计的10个案例，涵盖了“智能控制及其Matlab实现”中的路径规划、先进PID控制、模糊控制和神经网络等多种控制方法。各案例侧重点不同，难易程度也不同，每个案例都将控制理论和实际的农业机械系统相结合，让学生针对真实存在的案例进行思考、分析并解决产生的问题，从而不断提高学生自主学习的能力。每个案例体现2～3种智能控制方法，让学生渐进地和系统地对理论知识进行学习。该文以“直角坐标式方格蔟采茧机”为例，说明案例的具体设计。

本案例来自桑蚕产业中蚕茧采收的生产环节，目前我国蚕茧多采用纸质版方格蔟营茧，缫丝前需要人工进行蚕茧采收并对黄斑茧等下茧进行选出剔除，存在劳动强度大、误选率高等缺点[10]。因此本案例中教师首先制作一种能够实现蚕茧采收动作的硬件实验平台，然后提出算法和控制方法要求，让学生运用控制理论和算法，实现硬件的各种动作要求。

3.1案例硬件平台设计

“直角坐标式方格蔟采茧机”的硬件平台如图1所示，X轴导轨为两个由传动轴连接的同步导轨，长为1 m；Y轴导轨带有电磁采摘器，长为1 m，于X轴导轨上方运行。电磁采摘器由一个行程60 mm，单次往返时间0.5 s的电磁铁和一个采茧头组成，用于采摘蚕茧。X轴导轨、Y轴导轨和电磁采摘器共同组成直角坐标式蚕茧采摘机构。STM32F103C8T6控制器控制X轴和Y轴步进电动机将电磁采摘器定位到蚕茧位置，电磁采摘器实现蚕茧的采摘。方格蔟水平固定于试验台面中心，两台工业相机分别设置在方格蔟的上、下方70 cm处，且均正对方格蔟中心，上位机控制相机采集方格蔟正反图像并与上位机进行通讯。

3.2案例设计要求

本案例的设计要求是实现方格蔟蚕茧的采收和下茧的剔除，需要设计的算法具体包括以下两个方面。

(1)基于机器视觉实现蚕茧中心坐标的定位。

(2)研究对蚕茧的分类算法，实现下茧的准确检测。

3.3案例实施过程

案例实施中围绕案例设计要求，以问题为导向，让学生逐步分析核心问题的解决方案。

(1)要想实现蚕茧中心坐标的定位，首先需要对蚕茧图像进行分割，将单个蚕茧从方格蔟中识别出来。此项任务首先需要对原始的方格蔟图像进行灰度处理，然后进行图像分割。学生可以练习使用阈值分割、区域分割和分水岭变换分割等常用方法，在此过程中，熟练掌握各方法的算法原理，并通过对比分割后的方格蔟图像，对不同方法的分割效果有最直观和感性的认识。图像分割之后，会发现无论哪种方法分割后的图像，均存在分割算法不能有效消除部分茧衣黏连影响的问题。进而需要考虑采用何种聚类的方法来改进图像分割的效果，此问题在课堂中并未具体讲授，需要学生自己通过查阅前沿文献来学习。通过各种途径的自我学习和小组讨论，学生会学到Mean Shift和FCM等先进的聚类算法。

在实现案例第1个设计要求的过程中，学生既需要学会运用课本中关于图像处理的基本方法，如灰度处理、开运算和图像分割等，又需要通过自我学习解决新的问题，从而真正了解并掌握学科的前沿内容。

(2)蚕茧中心坐标定位完成后，试验平台即可完成对蚕茧的采摘动作。要想进行下茧的剔除，就需要实现对蚕茧的分类。蚕茧的分类算法，可以从传统的图像处理和深度卷积网络两个方向进行，每个方向包括不同的知识点(图2)，学生可以选择自己感兴趣的方向分组进行团队合作完成。

在完成蚕茧分类算法的过程中，除了要将课堂理论系统性地进行应用和前沿理论的学习以外，增加了方向性的选择，研究生可以结合自己的毕业课题方向分组进行研究，有效地增加了教学的灵活性。

(3)在案例实施过程中，各种先进的算法均由上位机中的Matlab软件实现，故在案例设计过程中，不需要额外进行Matlab软件教学，只需要引导学生结合课本中算法例程进行迁移式学习，达到能够使用Matlab编程实现自己设计算法的水平。

4 案例库教学应用效果

案例库的应用和教学方式的改变带来的效果有以下3个方面。

(1)课堂气氛明显活跃很多，学生的积极性被调动，并且激发了学生的创造性，通过案例学习，很多学生能够举一反三，由被动学习变为主动学习。

(2)学生间的合作也有意识地建立起来，培养了学生的团队精神。

(3)不同专业方向和不同毕业去向的研究生，对这门课程学习的要求也不同，案例库的设计有智能控制中的经典理论、硬件设计和模拟仿真等不同侧重点，满足了不同的教学需求，使得未来教学有很大的发展空间。

5 结束语

案例教学法是一种致力于提高学生综合素质面，向实际工程的教学模式[11]。该文分析了已运行的“智能控制及其Matlab实现”的案例教学中存在的问题，对该课程的案例教学的目标和具体的建设内容进行了重构和改革。以应用问题为驱动力，结合科研项目，改变了“满堂灌”的教育模式，采用MATLAB建模和仿真等新技术，引导学生积极反思将课本知识内化，灵活自如地运用所学的智能控制理论知识分析解决实际问题。

“智能控制及其Matlab实现”案例教学库的研究和建立，不仅能够起到教学中长期使用和资源共享的作用，同时能够作为山东农业大学农业机械化专业一个范本，为其他相关课程教学案例库的建设提供一定的参考价值和意义。