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專題導向學習：以 QUBE-Servo 實踐創新教學

  • 錫昌科教
  • 4月1日
  • 讀畢需時 5 分鐘


充滿創意的設計，幫助打造從基礎控制到高階機電整合的客製化課程


自發佈以來，我們的 QUBE-Servo 2 (現已改版為 QUBE-Servo 3 )已被全球各地的大學廣泛採用。配備兩個可更換模組：慣性盤與單擺，可用於進行一系列標準控制實驗。但 QUBE 的核心優勢之一在於其靈活性——您可以自行設計並安裝專屬模組。在本篇專欄中，我將展示教學者如何利用此特性，為課程、實驗室或專題研究規劃一套獨特的「設計導向學習（Design-based learning）」方案，並針對不同程度的學生進行調整。


QUBE-Servo 3 配有慣性盤和單擺模組
圖 1 – QUBE-Servo 3 配有慣性盤和單擺模組


專題概述


為了實證此構想，我們決定為 QUBE-Servo 2 (現已改版為 QUBE-Servo 3 )開發一個經典的「球樑控制（Ball and Beam）」專題。從控制工程的角度來看，使用伺服馬達控制樑上的球體平衡具有獨特的挑戰性，這點我曾在先前的文章中探討過。此專題允許學生設計自己的橫樑，並利用網路攝影機（Webcam）實現基於視覺的球樑控制。下圖展示了原理圖與實際原型，我設計的系統包含一個直接安裝在直流馬達輪轂上的 3D 列印 L 型樑，以及一顆標準桌球。當然，教學時也可以使用不同材質的橫樑與球體。


Schematic diagram and actual implementation of the Ball and Beam attachment
球梁連接裝置的示意圖與實際實現
圖 2 – 球梁連接裝置的示意圖與實際實現


下圖說明了此專題涉及的各項任務。這包含橫樑組件的機械設計、用於平衡球體的控制架構實作，以及影像處理技術。


橫樑組件的機械設計、用於平衡球體的控制架構實作，以及影像處理技術
圖 3 – 專題概述

下圖展示了球梁控制迴路的概念。球的位置由網路攝影機和各種影像擷取與處理軟體工具（如 QUARC Video Capture 模組）進行測量。外迴路（球位置控制器） 根據測得的球位置，計算出穩定球體所需的伺服轉角目標值。內迴路（伺服位置控制器）則根據編碼器測得的當前角度，施加追蹤所需伺服角度所需的電壓。


球梁控制方案
圖 4 – 球梁控制方案

下面這段影片展示了我們的原型機運作情況：




現代機電整合系統設計方法


機電整合系統是一種整合感測器、致動器、計算能力與通訊協定的智慧系統。例如無人機就是典型的機電系統，它具備內置處理器、慣性測量單元（IMU）感測器與螺旋槳致動器。


圖 5 – 現代機電整合系統的組成部分
圖 5 – 現代機電整合系統的組成部分

基於上述定義，我們提出的球樑系統也是一個機電整合系統，因為它包含了以下組件：


  • 感測器： QUBE-Servo 2 編碼器與球位置感測器（如網路攝影機）。

  • 致動器： QUBE-Servo 2 直流馬達。

  • 計算： 運行於 PC/筆電/微控制器（MCU）上的控制器。

  • 通訊方式： QUBE-Servo 2 USB 資料擷取（DAQ）裝置。


完成此專題所需的軟體資源可分為以下三類：任務（Tasks）、組件（Components） 與語言基元（Primitives）。


軟體定義
圖 6 – 軟體定義

為了滿足不同經驗程度（如大學部與研究所）的需求，教師可以選擇提供不同的材料。以下是建議的分類：


程度

適用對象

提供資源

任務內容

第一級

大一或大二學生

提供完整任務 (Task)

僅需進行參數調校或測試，無須設計

第二級

大三或大四學生

提供軟體組件 (Components)

使用現成組件執行設計任務

第三級

研究生或高階專題

提供語言基元 (Primitives)

從語言基元開始建構設計任務


例如，若使用 MATLAB/Simulink 和 QUARC 實現此項目，根據預期水平，學生可以執行以下操作：


  • 第一級：提供完整的 Simulink 模型（即任務），學生測試模型並調校數值，不涉及重大設計修改。

  • 第二級：教師提供包含軟體子系統（即組件）的 Simulink 函式庫，學生使用這些預定義的子系統模塊來構建設計。

  • 第三級：教師僅提供少數任務組件，學生需大量使用語言基元。學生將使用來自Fundamentals 與 QUARC Targets 函式庫的原始 Simulink 模塊進行設計。


為了協助教師導入此專題，我們準備了以下資源：


  • 教師指南：Excel 表格，詳細列出三個級別中每項任務所需的文檔與軟體。

  • 簡報檔（PPT）：涵蓋整個控制設計與實作過程，教師可依據課程需求決定展示內容。

  • 控制器：MATLAB 腳本、Simulink 模塊和 Simulink 函式庫。這些檔案分為“設計”和“調整”檔案。“設計”檔案使用語言基元。在本例中，語言基元指的是 Simulink 和 QUARC Target 模塊。“調整”使用組件或預先編寫的 Simulink 函式庫。

  • 影片： 展示設計流程各步驟的說明影片。


教師可根據學生使用教師指南電子表格的經驗水平，選擇提供哪些檔案給學生。例如，如果專案由只修讀過一門控制系統課程的三年級學生完成，那麼教師可以選擇為學生提供不同的組件（例如 Simulink 庫），用於控制伺服電機和橫樑上小球的運動。


我們已經看到一些 Quanser 現有使用者完成了類似的項目，例如紐約理工學院（見下文）。這些項目可以整合到現有課程的實驗環節中，作為畢業設計項目，用於課程「衝刺」等等。



如何獲取資源？


這是一個極具彈性的專題導向設計挑戰，可根據不同經驗與背景的學生進行縮放。它可以整合到現有課程的實驗中、作為畢業專題（頂石課程）、或用於短期課程（Sprint）等。


如果您是有興趣執行此專題或想了解資源細節的教授，請聯繫 info@quanser.com，主旨註明「QUBE-Servo 2 Ball and Beam Design Project」。我們的工程師將與您聯繫並協助開始。


我們也提供「快速入門」版本，讓您運行完整控制器以評估是否適合您的課程。


硬體與軟體需求如下


  • MATLAB/Simulink

  • QUARC Essentials 軟體

  • QUBE-Servo 2 系統

  • 網路攝影機（Webcam）

  • 球樑裝置（例如 3D 列印橫樑與乒乓球）



結語：紐約理工學院 (NYIT) 頂石課程專題


此專題學習法最早是與紐約理工學院 (NYIT) 電機與電腦工程系副教授 Ziqian (Cecilia) Dong合作，應用於 2011 與 2012 年春季的 EENG 491 高級設計專題實施。


當時的大四學生幾乎沒有控制系統的經驗，許多人甚至從未接觸過 MATLAB/Simulink 的背景下，透過 Rotary Servo Base Unit 和使用 QUARC 即時控制軟體的球梁系統，學習了控制系統設計與實現。之後他們運用不同的球體位置感測技術，設計了自己的二自由度球體平衡系統。更多信息，請參閱教授及其同事在 2012 年美國工程教育學會（ASEE）年會上發表的論文，題為 AC 2012-2956: Infusing the Curriculum with Cutting Edge Technologies through Partnerships with Industry.



本文轉載自 Quanser 原廠網站，作者 Michel Levis，QUANSER 客戶成功經理


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