基于工程教育專業認證的機器人創新實驗平臺開發

朱海榮, 吳 瑜

(1. 江蘇工程職業技術學院 機電工程學院, 江蘇 南通 226007；2. 南通大學 電氣工程學院, 江蘇 南通 226019)

據教育部統計,2018屆全國高校畢業生將超過800萬人,其中工科是我國第一大學科,擁有最多的專業和師生,總規模位居世界第一。2015年國務院正式印發《中國制造2025》,部署全面推進實施制造強國戰略,計劃大體分三步、用三個十年左右時間實現我國從制造業大國向制造業強國的轉變[1]。要實現《中國制造2025》的目標,需要我國高等學校在工程教育方面借鑒先進國家和地區的經驗,實施成果導向教育,結合自身辦學特點,優化學科專業結構,全面深化創新創業教育改革,不斷完善協同育人機制并健全工程教育質量保障體系,創辦出具有中國特色的工程教育。

中國工程教育的規模雖然是世界第一位的,但在一定程度上存在人才培養與產業需求脫節的現象,認證監督制度尚不完善,還存在工程師認證與注冊體系建設、成果導向教育實施不全面等諸多問題。國際工程教育專業認證是國際上通行的工程教育質量保障制度,在此基礎上可以實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認[2]。我國從2005 年開始,構建工程教育專業認證體系,并逐步開展專業認證工作,把實現工程教育國際互認作為一項重要目標[3]。

我校自動化專業是江蘇省特色專業、江蘇省品牌專業、江蘇省卓越工程師教育培養計劃試點專業、江蘇省“十二五”高等學校重點建設專業。本專業于2017年遞交了工程教育專業認證申請,根據自動化專業改革與專業建設過程中存在的問題,以工程教育專業認證為契機,以專業認證標準為基本準則,依托“控制科學與工程”一級學科碩士學位授權點和“新能源及其裝備”江蘇高校優勢學科建設工程項目,以提高本專業學生綜合能力為核心,開發機器人創新實驗平臺,建立機器人創新實驗室。通過比賽項目驅動的方式,要求學生結合比賽要求,在機器人創新實驗平臺上擴展相應的功能,并通過參加各類學科競賽的方式,對學生能力進行檢驗,很好地培養了學生的動手實踐能力。

1 課程體系設計

自動化專業以人才培養目標和對畢業生的基本能力要求為基礎,制訂教學計劃,將每一項基本能力要求分解到各門課程及其教學環節,制定每門課程的教學大綱和課程目標。通過設計課內教學環節和課外教學環節,輔之以完善的教學質量監控體系,實現課程目標,進而實現本專業人才培養目標。

在自動化專業課程體系設計中,以培養學生解決復雜工程問題的能力為主線,根據畢業要求指標配置課程內容,理論教學環節和實踐教學環節相互融合,尊重認識—實踐—再認識的客觀規律；并根據課程先后修邏輯關系,安排課程開課學期,課程體系分類結構如圖1所示。

各類課程中所設置的課程能夠支撐標準中的各項畢業要求,課程的內容及其考核方式可以有效地支撐各項畢業要求的達成。通過選課和最低學分要求控制全體學生選修的課程能夠滿足各類課程學分分布的要求。

圖1 課程體系分類結構圖

通過人文通識類課程學習,學生具備良好的人文社會素養和社會責任感；能在從事工程設計時考慮社會、健康、文化、法律、安全、倫理及環境等因素,具備外文文獻閱讀理解能力、有一定的外語交流和溝通能力,具有一定的國際化視野,具備良好的團隊合作意識,能夠在團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色,對自己的職業發展進行規劃,具備終身學習的意識。在人文社會實踐中,通過志愿服務與公益勞動、軍訓、社會實踐等各類實踐活動培養學生人文精神。

通過數學與自然科學類課程的學習,培養學生將所學過的數學理論用于解決實際復雜工程問題的能力；通過工科物理實驗,培養學生嚴謹的實驗科學思維與創新源于實踐的方法論；通過工程及專業相關類課程學習,學生能掌握解決自動化工程領域復雜工程問題所必需的專業基礎知識與專業知識,并初步培養解決復雜工程問題的能力。通過工程及專業相關課程學習,學生能掌握自動化工程領域復雜工程問題所必需的專業基礎知識與專業知識,并初步形成解決復雜工程問題的能力。

工程實踐與畢業設計是對學生進行工程實踐教學的重要環節,通過系列實踐環節設計多層次訓練學生應用數學、自然科學和工程科學的基本原理及使用現代工程工具、信息技術工具,識別、表達、并通過文獻研究分析、設計滿足特定需求的自動化系統或單元(部件),并能夠在設計環節中體現創新意識,考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素,能夠基于科學原理并采用科學方法對自動化領域的復雜工程問題進行研究,包括設計實驗、分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論。

2 機器人創新實驗平臺建設

工程教育專業認證是一種以培養目標和畢業要求為導向的合格性評價,其核心是要保證畢業生達到行業認可的既定質量標準要求。工程教育專業認證要求專業課程體系、師資隊伍、辦學條件等均圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開,并建立持續改進機制,以保證專業教育質量和專業教育活力。

2016年6月2日,國際工程聯盟大會一致同意我國成為《華盛頓協議》正式成員,工程教育專業認證的先進理念,有力地推動了我國工程教育專業教學改革。隨著專業認證的逐步深入,對“畢業學生解決復雜工程問題的能力”方面提出了更高的要求。澳大利亞工程師協會前認證委員會主席Robin King對復雜工程問題做了明確的界定,對如何使畢業生擁有解決復雜工程問題的能力以及認證在提高畢業生復雜問題解決能力中所起的作用等問題進行了解答,以國際工程聯盟(IEA)和華盛頓協議(WA)為例,指出了兩者在復雜工程問題解決方面對畢業生的要求,強調了工程教育的主要目的是培養學生解決復雜工程問題的能力和工程設計能力[4]。

鑒于此,綜合電子技術、控制理論、傳感檢測技術、計算機控制技術、電力電子技術、單片機設計等課程內容,以Freescale16位單片機MC9SXEP100作為核心處理器,開發輪式機器人創新實驗平臺,在此基礎上,建設機器人創新實驗室。以模塊化的理念和方法設計的輪式移動機器人,具有一定的兼容性,即通過模塊的增加或者刪減,可以方便地將其硬件或者軟件系統進行移植,使得該機器人系統成為一個通用的平臺[5-6]。

不同于市場現有的實訓設備,自行研發的輪式機器人創新實驗平臺還具有很好的開放性,學生可以在實驗平臺上進行硬件方面的擴展,也可以自行編寫底層軟件算法,在系統調試和機器人比賽中檢驗設計思路的可行性、正確性。由于學生所參加的比賽不盡相同,為了使機器人實現相應的比賽功能,要求學生綜合運用所學專業知識,結合特定的比賽項目要求,擴展相應的功能,設計特定的機器人系統[7-8]。即使是參加同一比賽項目的學生,為了取得更好的參賽成績,學生也是八仙過海、各顯神通,不斷對機器人系統進行完善,正是在一次次的系統改良和摸索中,很好地培養了學生解決復雜工程問題的能力和工程設計能力。近年來,本專業全體學生參加了學校機器人選拔賽,先后獲“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽一等獎和二等獎、全國大學生電子設計大賽一等獎、全國機器人大賽一等獎60余項、江蘇省大學生機器人大賽一等獎20余項,中央電視臺新聞頻道以《90后的“小完美”為夢想執著》為主題對參賽隊員進行了專訪。

2.1 輪式機器人硬件設計

由于所設計的輪式機器人的運行速度一般可達2.5～3m/s,為了實現比賽功能,所安裝的傳感器數量可能超過30個,其中90%的傳感器均采用AD方式工作。為了即時監控機器人的當前運行狀態,還需向上位機實時回發機器人的當前信息,單依靠主CPU的處理能力,無法滿足高速運動的需求。綜合考慮后,選用了飛思卡爾半導體公司生產的MC9SXEP100MAL16位單片機作為輪式機器人的控制器。該型號單片機有一系列豐富的硬件資源：1MB Flash,攜帶XGate處理器,其鎖相環模塊增加了內部濾波器和失效探測功能,同時攜帶了一個增強型ATD模塊。

XGate是專門為16位MC9S12X系列單片機設計的,并與之集成在1個單片機中。由于這個協處理器是專門為處理中斷和I/O口設計的,與通用協處理器相比有很多獨到之處。XGate協處理器采用精簡指令流(RISC)結構,速度可比主CPU快1倍,響應中斷也快。雙核處理器使機器人在高速運動的同時,實現30個AD值的采集,同時能保證和上位機實時通信的能力,雙核處理器工作流程如圖2所示。

圖2 雙核工作流程圖

在機器人創新實驗平臺整體工作流程中(見圖3),傳感器模塊要能兼容目前主流的幾大傳感器：CCD、光電傳感器、電磁傳感器等；電源模塊的主要功能是在滿足系統設計要求的續航能力的前提下,給系統提供穩定、可靠的供電保障；人機交互主要是為了給使用者提供一個方便、人性化的面向單片機的接口,使用者可以方便、快捷地了解、更改單片機目前的狀態等一系列的參數。

圖4為主控板電路圖,整個主控板由若干獨立模塊構成。其中包括鍵盤模塊、LCD12864和NOKIA5110接口模塊、AD拓展模塊、串口模塊、2路電源模塊、蜂鳴器等一系列常用外圍模塊。一些模塊和單片機核心子板之間采用跳線帽方式連接,使用者可以方便地復用單片機的引腳,選擇需要使用的模塊。

圖3 系統整體工作流程圖

(1) 主控模塊。主控板模塊如圖5 所示。

(2) 電源模塊。使用市面上常用的幾種可充電鋰電池組提供電源,對于所設計的輪式機器人,其中單片機系統、光電傳感器等需要5 V電源,直流電機可以使用電池直接供電。由于不同電路模塊對工作電壓和電流的要求不相同,因此電源模塊應該包含多個穩壓電路,將鋰電池電壓轉換成各個模塊所需要的電壓。LM2940擁有優良的穩壓線性度,最大可以輸出1 A的電流。同時集成了過熱、過載、短路保護功能,穩壓線性度好,輸出紋波小,雖然帶負載能力偏弱,但由于核心子板所需電流僅僅為300 mA左右,故本設計選用LM2940為單片機核心子板供電。AS1015為降壓型DC-DC轉換器,專為滿足5 A輸出電流設計,采用PWM控制方式,300 kHz的固定頻率開關,可實現零壓降穩壓。AS1015輸入電壓范圍為3.6～23 V,輸出電壓可以在0.8 V至當前輸入電壓之間靈活調節(通過精密滑動電位器調節輸出電壓),所能承受的電流(5 A)和功率較大,散熱量較低,故選用其對傳感器等一系列外設進行供電。電源模塊如圖6所示,將單片機核心子板和傳感器等外設分開供電,可以有效避免因為傳感器過多造成電流過大引起的穩壓芯片輸出端電壓的大幅波動,影響單片機的正常運行。

圖4 主控板電路圖

圖5 主控板實物圖

圖6 電源模塊圖

(3) 電機驅動模塊。使用BTS7960作為直流電機驅動芯片,該芯片擁有優良的驅動能力、超低的散熱量和低導通電阻,電路簡單、易于使用。系統中的直流電機使用16.8 V動力電池直接供電,而單片機由8.4 V鋰電池經LM2940穩壓得到5 V電壓供電,為保證單片機核心子板的抗干擾能力,采取了光耦隔離方案,將單片機核心子板和電機驅動電路隔離開。驅動電路分為3個模塊：第一個模塊主要由單片機5 V電壓和PP0,PP1的輸入信號組成；第二個模塊主要由16.8 V→5 V的穩壓電路組成(由于BTS7960驅動信號和使能信號的電壓不得超過5.3 V,因此,16.8 V的鋰電池不能直接為BTS7960的驅動信號供電,必須經LM2940穩壓芯片將16.8 V穩成5 V后方可使得BTS7960正常工作)；第三個模塊是16.8 V電池直接對BTS7960的1腳和7腳供電電路,該部分電路電流很大,因此在布線的時候應特別注意其線寬、拐角等,盡量降低導線回路的阻抗,避免驅動板過熱等現象(見圖7)。

圖7 大功率驅動電路結構圖

2.2 輪式機器人軟件設計

(1) 電機速度控制。由于電機實際轉速和電池電壓的變化有很大關系,尤其在上坡等電機負載突變時,電池端電壓會出現較大的波動,使得電機速度不穩定。為了保證電機速度的穩定性,設計中采用了PI+Bang-bang的控制方式。速度控制流程如圖8所示。通過實訓,學生可以進一步了解控制器參數調試的方法以及控制參數對系統性能的影響。

圖8 速度控制程序流程圖

(2) 數字濾波器設計。利用4個灰度傳感器采集地面信息,由于陽光、現場照相機的閃光燈都會對灰度傳感器檢測到的值產生嚴重干擾,使得傳感器AD值出現突變,在進行模擬量運算之前,必須對傳感器的信號進行數字濾波[9-10]。數字濾波程序流程如圖9所示。

圖9 數字濾波程序流程圖

(3) 轉彎策略。由四輪機器人差速驅動數學模型可知,當機器人的幾何中心和十字線交點重合,兩邊電機速度方向相反,大小一致時,即可沿著輪式機器人的中心點,進行原地旋轉[11-13]。

3 解決復雜工程問題能力的培養

本專業將培養學生解決復雜工程問題能力貫穿于四年本科教學中,根據基于成果導向教育的反向設計原則,按認識論觀點,將解決復雜工程問題能力培養融合在人文社科類課程和實踐、數學與自然科學類課程和實踐、工程基礎類課程和實踐、專業基礎類和專業類課程和實踐中,分層次循序漸進。

上述機器人創新實驗平臺是一個完整的自動控制系統,學生可以利用該創新實驗平臺開展電子技術、單片機、電力電子技術、控制理論、傳感器與檢測技術、數字信號處理、電機及拖動、計算機控制技術等相關課程的綜合實驗。

(1) 運用了數學理論及自動控制原理相關知識。對機器人創新實驗平臺對象有明晰深入的了解,根據物理力學、動力學及電機、電力拖動等原理,建立機器人控制系統的數學模型。設計控制策略包括機器人系統在運行過程中會受到眾多內外條件的影響,而且影響控制的參數一般不止一個,其作用也不盡相同,這就增加了系統控制的復雜性。要求學生合理地設計控制結構,選擇合適的控制策略,這是控制系統設計中必須要考慮的問題。

(2) 運用了傳感器與檢測技術為主的工程原理。為了讓機器人創新實驗平臺實現各項功能,要求使用各類傳感器,以檢測機器人的位置與速度、地面信息、機器人自身狀態參數等,要求學生能根據具體控制要求選擇合適的傳感器,給出傳感器選型依據、具體指標及工作原理說明,并附上所選型號的參數截圖。

(3) 運用了電機及拖動、微特電機及控制等基本理論和工程原理。機器人創新實驗平臺利用直流電機進行驅動,在某些比賽項目中還可能用到舵機、伺服電機等多種電機,要求學生能結合所學電機驅動、控制知識,針對具體控制要求,選擇合適的電機種類、轉矩要求,給出選型依據、具體指標,以及相關控制方法。

(4) 運用了計算機控制技術、單片機技術等基本理論和工程原理。控制對象數學模型、控制策略確定后就是系統控制的實現問題,需運用“計算機控制技術”“單片機技術”等課程知識,設計控制器的硬件電路、軟件流程,并通過編程調試實現控制策略。在設計過程中,學生要對相應設備、器件、軟件進行比較、選型,還需要擴展學習一些具體的單片機編程語言。

4 結語

順應工程教育專業論證潮流,以提高自動化專業學生綜合能力為核心,全面培養學生解決復雜工程問題的能力。開發了機器人創新實驗平臺,在此基礎上建立了面向全體學生的機器人創新實驗室。通過比賽項目驅動的方式,要求學生結合比賽要求,在機器人創新實驗平臺上擴展相應的功能,并通過參加各類學科競賽的方式,對學生能力進行檢驗。經過上述環節的綜合訓練,使學生認識、理解工程實際,能綜合運用所學知識,提高解決工程實際問題的能力與創新意識,從而使學生具備解決復雜工程問題的能力。