개요
Beijing University of Posts and Telecommunications(BUPT)는 중국 최고의 공과대학으로 통신공학은 물론 일반 전자 및 컴퓨터 공학 분야에서 오랫동안 고품질 교육을 제공해 온 역사를 갖고 있습니다. BUPT 학생들은 Moku:Go를 사용하여 엔지니어링 교육용 솔루션, 특히 제어 시스템을 개발했습니다.
Moku:Go는 엔지니어링 교육 및 일반 산업에 맞춰진 Liquid Instruments의 최초의 소프트웨어 정의 기기입니다. 소프트웨어 정의 기능을 통해 Moku:Go는 전자 및 통신 실험실에서 사용되는 14개 이상의 다양한 장비를 제공할 수 있으며, 다중 장비 모드(MiM)를 통해 사용자는 장비 쌍을 결합하여 무손실 상호 연결로 동시에 실행할 수 있습니다.
학생들은 PID 컨트롤러에 대한 PC 기반 사용자 인터페이스의 사용 용이성에 깊은 인상을 받았고, 이로 인해 튜닝과 특성화가 간단해졌습니다. 그들은 실습 제어 시스템 교육 및 학습을 위한 새로운 솔루션의 핵심으로 Moku:Go PID 컨트롤러를 선택했습니다.
난제
제어 시스템 교육은 특히나 어려운 편입니다. 실제 장비를 사용하여 학생을 가르치는 것이 기본이지만 이는 비용이 많이 들며 파손의 위험도 있습니다. 이러한 장비를 구매해서 교육에 활용하는 학교들 역시 기껏해야 한두 기만 구입할 수 있기에 이를 전격적으로 학생에 보급하고 탐색 실험하는 것은 어렵습니다. 실제 장비를 구매하지 않는 학교의 경우엔 실습 커리큘럼을 시뮬레이션으로만 제공하는 것으로 비용을 최소화하지만 이 과정에서 학생 경험과 업계 시스템을 미리 체험해볼 기회를 희생하게 됩니다.
두 경우 모두 학생들은 제한된 교육 기회만을 얻게 되는데, 이에서 제한적이거나 존재하지 않는 상호 작용은 제어 배포의 성공 여부를 결정할 수 있는 비이상적인 효과와 비선형성은 말할 것도 없고 제어 이론의 핵심 개념을 이해하는 것 조차 보장하기 힘들어집니다.
본 프로젝트에서 학생들은 제어 이론을 가르치는 데 도움이 될 수 있는 비용 효율적이고 견고한 플랜트를 설계해야 했습니다. 모든 학생이 접근할 수 있고, 사용하기 쉽고, 업계에서도 활용되는 것이여야 했습니다.
해법
Moku:Go는 제어 시스템 교육을 위한 이상적인 플랫폼을 제공합니다. 가격이 적당하고 견고하며 PID 컨트롤러는 제어 개념을 탐색하기 위한 동급 최고의 사용자 인터페이스를 갖추고 있습니다. 제어 전자 장치 및 인터페이스를 제공하기 위해 Moku:Go를 선택한 후 학생들은 제어 가능한 기계 시스템을 구축하기 시작했습니다.
컴퓨터 비전 기반의 2차원 볼 밸런싱 문제는 견고성, 비용 효율성, 접근성 및 산업 관련성이라는 설계 요구 사항을 충족했습니다. 컴퓨터 비전 감지는 프로세스 및 생산 제어에 널리 사용되며 이를 솔루션에 통합하면 학생들에게 귀중한 산업 현장 경험을 제공합니다. 2차원 볼 밸런싱은 복잡성과 직관의 완벽한 조화를 제공했습니다. 단순한 디자인으로 인해 비용이 절감되었으며, 학생들은 입문용으로 마찰과 같은 비이상적인 효과를 안전하게 무시하고 고급 또는 확장용으로 측정하고 극복할 수 있었습니다.
오픈 소스 OpenMV 하드웨어 및 소프트웨어 시스템은 컴퓨터 비전 시스템을 제공했습니다. OpenMV는 파이선 프로그래밍 언어를 기반으로 구축되었으며, 얼룩 감지 및 추적과 같은 컴퓨터 비전 알고리즘을 선택하여 쉽게 통합할 수 있습니다. OpenMV 보드는 US$100 미만의 가격으로 쉽게 구입할 수 있습니다.
학생들은 테이블에 부착된 녹색 추적 마커와 검은색 공에 해당하는 얼룩을 추출하도록 OpenMV 보드를 프로그래밍했습니다. 마커는 테이블이 기울어질 때 이미지의 기울기를 완화하는 데 사용되었으며 테이블 위의 공 위치를 계산할 수 있게 해주었습니다. OpenMV는 Moku:Go에 대한 아날로그 전압을 출력하여 공 위치의 오류를 나타냅니다. x 과 y 지도.
학생들은 3D 프린팅 부품과 일반 서보 모터로 볼 밸런스 테이블을 구성하고 아날로그 출력을 서보 위치 신호로 변환하는 마이크로컨트롤러를 통해 서보를 Moku:Go에 연결했습니다.[1].
그림 1: 실험 설정
결과
학생들은 결과 시스템이 교육적이고 매력적이라는 것을 알았습니다. Moku:Go 데스크탑 애플리케이션의 실시간 신호 추적 및 측정을 통해 실시간으로 설계를 조정하고 결과를 관찰할 수 있었으며, 인과 관계를 더욱 명확하게 만들고 매개변수 변경의 영향에 대한 이해를 깊게 했습니다.
시스템은 학생들이 이론적 조정 단계를 수행하고 좋은 결과를 얻을 수 있을 만큼 이상적인 수준에 가깝습니다. 목표 손실, 입력 및 출력 포화와 같은 비이상적인 효과는 추가적인 문제를 제공했지만 선택 사항이었습니다. 학생들은 또한 이론적으로 PD 컨트롤러일 수 있었던 적분기 항의 사용을 필요로 하는 또 다른 비이상적인 효과인 롤링 마찰을 관찰하고 측정할 수 있었습니다.
강사는 일부 디자인 요소를 제공하고 다른 요소는 학생 작업으로 남겨두어 과제의 범위를 변경할 수 있습니다. 예를 들어, 컴퓨터 공학 분야에서 가르칠 때 강사는 학생들에게 OpenMV 소프트웨어를 작성하도록 요구할 수 있는 반면, 기계 공학 분야에서는 OpenMV 소프트웨어가 제공될 수 있지만 틸트 테이블의 설계는 미해결 문제로 남아 있습니다.
그림 2: 실시간 디스플레이를 보여주는 PID 컨트롤러 인터페이스 x- 외란이 가해지는 동안 축 입력 및 출력
결론
Moku:Go는 베이징 우편 통신 대학의 제어 공학을 위한 새로운 교육 시스템의 핵심을 형성했습니다. 학생들은 이 장치가 사용하기 쉽고 유연하며 직관적이라고 생각했습니다. 감지 방법으로 컴퓨터 비전을 추가하면 강사는 컴퓨터와 제어 엔지니어링 간의 학제간 팀워크를 포함하도록 작업 범위를 확장할 수 있습니다. 또한 업계에서 흔히 볼 수 있는 왜곡 및 목표 손실과 같은 비이상적인 효과도 추가했는데, 이는 학생 참여도를 크게 향상시키는 핵심 고리였습니다.
Moku : Go 강좌에 대해 알아보시거나 교육팀 이메일 edu@liquidinstruments.com에 문의 주시기 바랍니다.
[1] Moku Cloud Compile 및 Waveform Generator의 펄스 폭 변조는 시스템 설계 당시에는 사용할 수 없었습니다. 새로운 시스템의 경우 Liquid Instruments는 마이크로컨트롤러 대신 이러한 기능 중 하나를 사용하여 서보를 구동할 것을 권장합니다.
