基于工程教育专业认证的机器人创新实验平台开发

朱海荣, 吴 瑜

(1. 江苏工程职业技术学院 机电工程学院, 江苏 南通 226007；2. 南通大学 电气工程学院, 江苏 南通 226019)

据教育部统计,2018届全国高校毕业生将超过800万人,其中工科是我国第一大学科,拥有最多的专业和师生,总规模位居世界第一。2015年国务院正式印发《中国制造2025》,部署全面推进实施制造强国战略,计划大体分三步、用三个十年左右时间实现我国从制造业大国向制造业强国的转变[1]。要实现《中国制造2025》的目标,需要我国高等学校在工程教育方面借鉴先进国家和地区的经验,实施成果导向教育,结合自身办学特点,优化学科专业结构,全面深化创新创业教育改革,不断完善协同育人机制并健全工程教育质量保障体系,创办出具有中国特色的工程教育。

中国工程教育的规模虽然是世界第一位的,但在一定程度上存在人才培养与产业需求脱节的现象,认证监督制度尚不完善,还存在工程师认证与注册体系建设、成果导向教育实施不全面等诸多问题。国际工程教育专业认证是国际上通行的工程教育质量保障制度,在此基础上可以实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认[2]。我国从2005 年开始,构建工程教育专业认证体系,并逐步开展专业认证工作,把实现工程教育国际互认作为一项重要目标[3]。

我校自动化专业是江苏省特色专业、江苏省品牌专业、江苏省卓越工程师教育培养计划试点专业、江苏省“十二五”高等学校重点建设专业。本专业于2017年递交了工程教育专业认证申请,根据自动化专业改革与专业建设过程中存在的问题,以工程教育专业认证为契机,以专业认证标准为基本准则,依托“控制科学与工程”一级学科硕士学位授权点和“新能源及其装备”江苏高校优势学科建设工程项目,以提高本专业学生综合能力为核心,开发机器人创新实验平台,建立机器人创新实验室。通过比赛项目驱动的方式,要求学生结合比赛要求,在机器人创新实验平台上扩展相应的功能,并通过参加各类学科竞赛的方式,对学生能力进行检验,很好地培养了学生的动手实践能力。

1 课程体系设计

自动化专业以人才培养目标和对毕业生的基本能力要求为基础,制订教学计划,将每一项基本能力要求分解到各门课程及其教学环节,制定每门课程的教学大纲和课程目标。通过设计课内教学环节和课外教学环节,辅之以完善的教学质量监控体系,实现课程目标,进而实现本专业人才培养目标。

在自动化专业课程体系设计中,以培养学生解决复杂工程问题的能力为主线,根据毕业要求指标配置课程内容,理论教学环节和实践教学环节相互融合,尊重认识—实践—再认识的客观规律；并根据课程先后修逻辑关系,安排课程开课学期,课程体系分类结构如图1所示。

各类课程中所设置的课程能够支撑标准中的各项毕业要求,课程的内容及其考核方式可以有效地支撑各项毕业要求的达成。通过选课和最低学分要求控制全体学生选修的课程能够满足各类课程学分分布的要求。

图1 课程体系分类结构图

通过人文通识类课程学习,学生具备良好的人文社会素养和社会责任感；能在从事工程设计时考虑社会、健康、文化、法律、安全、伦理及环境等因素,具备外文文献阅读理解能力、有一定的外语交流和沟通能力,具有一定的国际化视野,具备良好的团队合作意识,能够在团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色,对自己的职业发展进行规划,具备终身学习的意识。在人文社会实践中,通过志愿服务与公益劳动、军训、社会实践等各类实践活动培养学生人文精神。

通过数学与自然科学类课程的学习,培养学生将所学过的数学理论用于解决实际复杂工程问题的能力；通过工科物理实验,培养学生严谨的实验科学思维与创新源于实践的方法论；通过工程及专业相关类课程学习,学生能掌握解决自动化工程领域复杂工程问题所必需的专业基础知识与专业知识,并初步培养解决复杂工程问题的能力。通过工程及专业相关课程学习,学生能掌握自动化工程领域复杂工程问题所必需的专业基础知识与专业知识,并初步形成解决复杂工程问题的能力。

工程实践与毕业设计是对学生进行工程实践教学的重要环节,通过系列实践环节设计多层次训练学生应用数学、自然科学和工程科学的基本原理及使用现代工程工具、信息技术工具,识别、表达、并通过文献研究分析、设计满足特定需求的自动化系统或单元(部件),并能够在设计环节中体现创新意识,考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素,能够基于科学原理并采用科学方法对自动化领域的复杂工程问题进行研究,包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。

2 机器人创新实验平台建设

工程教育专业认证是一种以培养目标和毕业要求为导向的合格性评价,其核心是要保证毕业生达到行业认可的既定质量标准要求。工程教育专业认证要求专业课程体系、师资队伍、办学条件等均围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开,并建立持续改进机制,以保证专业教育质量和专业教育活力。

2016年6月2日,国际工程联盟大会一致同意我国成为《华盛顿协议》正式成员,工程教育专业认证的先进理念,有力地推动了我国工程教育专业教学改革。随着专业认证的逐步深入,对“毕业学生解决复杂工程问题的能力”方面提出了更高的要求。澳大利亚工程师协会前认证委员会主席Robin King对复杂工程问题做了明确的界定,对如何使毕业生拥有解决复杂工程问题的能力以及认证在提高毕业生复杂问题解决能力中所起的作用等问题进行了解答,以国际工程联盟(IEA)和华盛顿协议(WA)为例,指出了两者在复杂工程问题解决方面对毕业生的要求,强调了工程教育的主要目的是培养学生解决复杂工程问题的能力和工程设计能力[4]。

鉴于此,综合电子技术、控制理论、传感检测技术、计算机控制技术、电力电子技术、单片机设计等课程内容,以Freescale16位单片机MC9SXEP100作为核心处理器,开发轮式机器人创新实验平台,在此基础上,建设机器人创新实验室。以模块化的理念和方法设计的轮式移动机器人,具有一定的兼容性,即通过模块的增加或者删减,可以方便地将其硬件或者软件系统进行移植,使得该机器人系统成为一个通用的平台[5-6]。

不同于市场现有的实训设备,自行研发的轮式机器人创新实验平台还具有很好的开放性,学生可以在实验平台上进行硬件方面的扩展,也可以自行编写底层软件算法,在系统调试和机器人比赛中检验设计思路的可行性、正确性。由于学生所参加的比赛不尽相同,为了使机器人实现相应的比赛功能,要求学生综合运用所学专业知识,结合特定的比赛项目要求,扩展相应的功能,设计特定的机器人系统[7-8]。即使是参加同一比赛项目的学生,为了取得更好的参赛成绩,学生也是八仙过海、各显神通,不断对机器人系统进行完善,正是在一次次的系统改良和摸索中,很好地培养了学生解决复杂工程问题的能力和工程设计能力。近年来,本专业全体学生参加了学校机器人选拔赛,先后获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖和二等奖、全国大学生电子设计大赛一等奖、全国机器人大赛一等奖60余项、江苏省大学生机器人大赛一等奖20余项,中央电视台新闻频道以《90后的“小完美”为梦想执著》为主题对参赛队员进行了专访。

2.1 轮式机器人硬件设计

由于所设计的轮式机器人的运行速度一般可达2.5～3m/s,为了实现比赛功能,所安装的传感器数量可能超过30个,其中90%的传感器均采用AD方式工作。为了即时监控机器人的当前运行状态,还需向上位机实时回发机器人的当前信息,单依靠主CPU的处理能力,无法满足高速运动的需求。综合考虑后,选用了飞思卡尔半导体公司生产的MC9SXEP100MAL16位单片机作为轮式机器人的控制器。该型号单片机有一系列丰富的硬件资源：1MB Flash,携带XGate处理器,其锁相环模块增加了内部滤波器和失效探测功能,同时携带了一个增强型ATD模块。

XGate是专门为16位MC9S12X系列单片机设计的,并与之集成在1个单片机中。由于这个协处理器是专门为处理中断和I/O口设计的,与通用协处理器相比有很多独到之处。XGate协处理器采用精简指令流(RISC)结构,速度可比主CPU快1倍,响应中断也快。双核处理器使机器人在高速运动的同时,实现30个AD值的采集,同时能保证和上位机实时通信的能力,双核处理器工作流程如图2所示。

图2 双核工作流程图

在机器人创新实验平台整体工作流程中(见图3),传感器模块要能兼容目前主流的几大传感器：CCD、光电传感器、电磁传感器等；电源模块的主要功能是在满足系统设计要求的续航能力的前提下,给系统提供稳定、可靠的供电保障；人机交互主要是为了给使用者提供一个方便、人性化的面向单片机的接口,使用者可以方便、快捷地了解、更改单片机目前的状态等一系列的参数。

图4为主控板电路图,整个主控板由若干独立模块构成。其中包括键盘模块、LCD12864和NOKIA5110接口模块、AD拓展模块、串口模块、2路电源模块、蜂鸣器等一系列常用外围模块。一些模块和单片机核心子板之间采用跳线帽方式连接,使用者可以方便地复用单片机的引脚,选择需要使用的模块。

图3 系统整体工作流程图

(1) 主控模块。主控板模块如图5 所示。

(2) 电源模块。使用市面上常用的几种可充电锂电池组提供电源,对于所设计的轮式机器人,其中单片机系统、光电传感器等需要5 V电源,直流电机可以使用电池直接供电。由于不同电路模块对工作电压和电流的要求不相同,因此电源模块应该包含多个稳压电路,将锂电池电压转换成各个模块所需要的电压。LM2940拥有优良的稳压线性度,最大可以输出1 A的电流。同时集成了过热、过载、短路保护功能,稳压线性度好,输出纹波小,虽然带负载能力偏弱,但由于核心子板所需电流仅仅为300 mA左右,故本设计选用LM2940为单片机核心子板供电。AS1015为降压型DC-DC转换器,专为满足5 A输出电流设计,采用PWM控制方式,300 kHz的固定频率开关,可实现零压降稳压。AS1015输入电压范围为3.6～23 V,输出电压可以在0.8 V至当前输入电压之间灵活调节(通过精密滑动电位器调节输出电压),所能承受的电流(5 A)和功率较大,散热量较低,故选用其对传感器等一系列外设进行供电。电源模块如图6所示,将单片机核心子板和传感器等外设分开供电,可以有效避免因为传感器过多造成电流过大引起的稳压芯片输出端电压的大幅波动,影响单片机的正常运行。

图4 主控板电路图

图5 主控板实物图

图6 电源模块图

(3) 电机驱动模块。使用BTS7960作为直流电机驱动芯片,该芯片拥有优良的驱动能力、超低的散热量和低导通电阻,电路简单、易于使用。系统中的直流电机使用16.8 V动力电池直接供电,而单片机由8.4 V锂电池经LM2940稳压得到5 V电压供电,为保证单片机核心子板的抗干扰能力,采取了光耦隔离方案,将单片机核心子板和电机驱动电路隔离开。驱动电路分为3个模块：第一个模块主要由单片机5 V电压和PP0,PP1的输入信号组成；第二个模块主要由16.8 V→5 V的稳压电路组成(由于BTS7960驱动信号和使能信号的电压不得超过5.3 V,因此,16.8 V的锂电池不能直接为BTS7960的驱动信号供电,必须经LM2940稳压芯片将16.8 V稳成5 V后方可使得BTS7960正常工作)；第三个模块是16.8 V电池直接对BTS7960的1脚和7脚供电电路,该部分电路电流很大,因此在布线的时候应特别注意其线宽、拐角等,尽量降低导线回路的阻抗,避免驱动板过热等现象(见图7)。

图7 大功率驱动电路结构图

2.2 轮式机器人软件设计

(1) 电机速度控制。由于电机实际转速和电池电压的变化有很大关系,尤其在上坡等电机负载突变时,电池端电压会出现较大的波动,使得电机速度不稳定。为了保证电机速度的稳定性,设计中采用了PI+Bang-bang的控制方式。速度控制流程如图8所示。通过实训,学生可以进一步了解控制器参数调试的方法以及控制参数对系统性能的影响。

图8 速度控制程序流程图

(2) 数字滤波器设计。利用4个灰度传感器采集地面信息,由于阳光、现场照相机的闪光灯都会对灰度传感器检测到的值产生严重干扰,使得传感器AD值出现突变,在进行模拟量运算之前,必须对传感器的信号进行数字滤波[9-10]。数字滤波程序流程如图9所示。

图9 数字滤波程序流程图

(3) 转弯策略。由四轮机器人差速驱动数学模型可知,当机器人的几何中心和十字线交点重合,两边电机速度方向相反,大小一致时,即可沿着轮式机器人的中心点,进行原地旋转[11-13]。

3 解决复杂工程问题能力的培养

本专业将培养学生解决复杂工程问题能力贯穿于四年本科教学中,根据基于成果导向教育的反向设计原则,按认识论观点,将解决复杂工程问题能力培养融合在人文社科类课程和实践、数学与自然科学类课程和实践、工程基础类课程和实践、专业基础类和专业类课程和实践中,分层次循序渐进。

上述机器人创新实验平台是一个完整的自动控制系统,学生可以利用该创新实验平台开展电子技术、单片机、电力电子技术、控制理论、传感器与检测技术、数字信号处理、电机及拖动、计算机控制技术等相关课程的综合实验。

(1) 运用了数学理论及自动控制原理相关知识。对机器人创新实验平台对象有明晰深入的了解,根据物理力学、动力学及电机、电力拖动等原理,建立机器人控制系统的数学模型。设计控制策略包括机器人系统在运行过程中会受到众多内外条件的影响,而且影响控制的参数一般不止一个,其作用也不尽相同,这就增加了系统控制的复杂性。要求学生合理地设计控制结构,选择合适的控制策略,这是控制系统设计中必须要考虑的问题。

(2) 运用了传感器与检测技术为主的工程原理。为了让机器人创新实验平台实现各项功能,要求使用各类传感器,以检测机器人的位置与速度、地面信息、机器人自身状态参数等,要求学生能根据具体控制要求选择合适的传感器,给出传感器选型依据、具体指标及工作原理说明,并附上所选型号的参数截图。

(3) 运用了电机及拖动、微特电机及控制等基本理论和工程原理。机器人创新实验平台利用直流电机进行驱动,在某些比赛项目中还可能用到舵机、伺服电机等多种电机,要求学生能结合所学电机驱动、控制知识,针对具体控制要求,选择合适的电机种类、转矩要求,给出选型依据、具体指标,以及相关控制方法。

(4) 运用了计算机控制技术、单片机技术等基本理论和工程原理。控制对象数学模型、控制策略确定后就是系统控制的实现问题,需运用“计算机控制技术”“单片机技术”等课程知识,设计控制器的硬件电路、软件流程,并通过编程调试实现控制策略。在设计过程中,学生要对相应设备、器件、软件进行比较、选型,还需要扩展学习一些具体的单片机编程语言。

4 结语

顺应工程教育专业论证潮流,以提高自动化专业学生综合能力为核心,全面培养学生解决复杂工程问题的能力。开发了机器人创新实验平台,在此基础上建立了面向全体学生的机器人创新实验室。通过比赛项目驱动的方式,要求学生结合比赛要求,在机器人创新实验平台上扩展相应的功能,并通过参加各类学科竞赛的方式,对学生能力进行检验。经过上述环节的综合训练,使学生认识、理解工程实际,能综合运用所学知识,提高解决工程实际问题的能力与创新意识,从而使学生具备解决复杂工程问题的能力。