朱海榮, 吳 瑜

(1. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 南通 226007；2. 南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 江蘇 南通 226019)

據(jù)教育部統(tǒng)計(jì),2018屆全國(guó)高校畢業(yè)生將超過800萬人,其中工科是我國(guó)第一大學(xué)科,擁有最多的專業(yè)和師生,總規(guī)模位居世界第一。2015年國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》,部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略,計(jì)劃大體分三步、用三個(gè)十年左右時(shí)間實(shí)現(xiàn)我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變[1]。要實(shí)現(xiàn)《中國(guó)制造2025》的目標(biāo),需要我國(guó)高等學(xué)校在工程教育方面借鑒先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn),實(shí)施成果導(dǎo)向教育,結(jié)合自身辦學(xué)特點(diǎn),優(yōu)化學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu),全面深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革,不斷完善協(xié)同育人機(jī)制并健全工程教育質(zhì)量保障體系,創(chuàng)辦出具有中國(guó)特色的工程教育。

中國(guó)工程教育的規(guī)模雖然是世界第一位的,但在一定程度上存在人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)的現(xiàn)象,認(rèn)證監(jiān)督制度尚不完善,還存在工程師認(rèn)證與注冊(cè)體系建設(shè)、成果導(dǎo)向教育實(shí)施不全面等諸多問題。國(guó)際工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際上通行的工程教育質(zhì)量保障制度,在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)[2]。我國(guó)從2005 年開始,構(gòu)建工程教育專業(yè)認(rèn)證體系,并逐步開展專業(yè)認(rèn)證工作,把實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)作為一項(xiàng)重要目標(biāo)[3]。

我校自動(dòng)化專業(yè)是江蘇省特色專業(yè)、江蘇省品牌專業(yè)、江蘇省卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃試點(diǎn)專業(yè)、江蘇省“十二五”高等學(xué)校重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)。本專業(yè)于2017年遞交了工程教育專業(yè)認(rèn)證申請(qǐng),根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)改革與專業(yè)建設(shè)過程中存在的問題,以工程教育專業(yè)認(rèn)證為契機(jī),以專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為基本準(zhǔn)則,依托“控制科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)和“新能源及其裝備”江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目,以提高本專業(yè)學(xué)生綜合能力為核心,開發(fā)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建立機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。通過比賽項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式,要求學(xué)生結(jié)合比賽要求,在機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上擴(kuò)展相應(yīng)的功能,并通過參加各類學(xué)科競(jìng)賽的方式,對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行檢驗(yàn),很好地培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

1 課程體系設(shè)計(jì)

自動(dòng)化專業(yè)以人才培養(yǎng)目標(biāo)和對(duì)畢業(yè)生的基本能力要求為基礎(chǔ),制訂教學(xué)計(jì)劃,將每一項(xiàng)基本能力要求分解到各門課程及其教學(xué)環(huán)節(jié),制定每門課程的教學(xué)大綱和課程目標(biāo)。通過設(shè)計(jì)課內(nèi)教學(xué)環(huán)節(jié)和課外教學(xué)環(huán)節(jié),輔之以完善的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系,實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

在自動(dòng)化專業(yè)課程體系設(shè)計(jì)中,以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力為主線,根據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)配置課程內(nèi)容,理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相互融合,尊重認(rèn)識(shí)—實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)的客觀規(guī)律；并根據(jù)課程先后修邏輯關(guān)系,安排課程開課學(xué)期,課程體系分類結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各類課程中所設(shè)置的課程能夠支撐標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)畢業(yè)要求,課程的內(nèi)容及其考核方式可以有效地支撐各項(xiàng)畢業(yè)要求的達(dá)成。通過選課和最低學(xué)分要求控制全體學(xué)生選修的課程能夠滿足各類課程學(xué)分分布的要求。

圖1 課程體系分類結(jié)構(gòu)圖

通過人文通識(shí)類課程學(xué)習(xí),學(xué)生具備良好的人文社會(huì)素養(yǎng)和社會(huì)責(zé)任感；能在從事工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮社會(huì)、健康、文化、法律、安全、倫理及環(huán)境等因素,具備外文文獻(xiàn)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(guó)際化視野,具備良好的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí),能夠在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員以及負(fù)責(zé)人的角色,對(duì)自己的職業(yè)發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃,具備終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。在人文社會(huì)實(shí)踐中,通過志愿服務(wù)與公益勞動(dòng)、軍訓(xùn)、社會(huì)實(shí)踐等各類實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生人文精神。

通過數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類課程的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)過的數(shù)學(xué)理論用于解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力；通過工科物理實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)科學(xué)思維與創(chuàng)新源于實(shí)踐的方法論；通過工程及專業(yè)相關(guān)類課程學(xué)習(xí),學(xué)生能掌握解決自動(dòng)化工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題所必需的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與專業(yè)知識(shí),并初步培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。通過工程及專業(yè)相關(guān)課程學(xué)習(xí),學(xué)生能掌握自動(dòng)化工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題所必需的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與專業(yè)知識(shí),并初步形成解決復(fù)雜工程問題的能力。

工程實(shí)踐與畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié),通過系列實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)多層次訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理及使用現(xiàn)代工程工具、信息技術(shù)工具,識(shí)別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析、設(shè)計(jì)滿足特定需求的自動(dòng)化系統(tǒng)或單元(部件),并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí),考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素,能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究,包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

2 機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

工程教育專業(yè)認(rèn)證是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向的合格性評(píng)價(jià),其核心是要保證畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。工程教育專業(yè)認(rèn)證要求專業(yè)課程體系、師資隊(duì)伍、辦學(xué)條件等均圍繞學(xué)生畢業(yè)能力達(dá)成這一核心任務(wù)展開,并建立持續(xù)改進(jìn)機(jī)制,以保證專業(yè)教育質(zhì)量和專業(yè)教育活力。

2016年6月2日,國(guó)際工程聯(lián)盟大會(huì)一致同意我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》正式成員,工程教育專業(yè)認(rèn)證的先進(jìn)理念,有力地推動(dòng)了我國(guó)工程教育專業(yè)教學(xué)改革。隨著專業(yè)認(rèn)證的逐步深入,對(duì)“畢業(yè)學(xué)生解決復(fù)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(xié)會(huì)前認(rèn)證委員會(huì)主席Robin King對(duì)復(fù)雜工程問題做了明確的界定,對(duì)如何使畢業(yè)生擁有解決復(fù)雜工程問題的能力以及認(rèn)證在提高畢業(yè)生復(fù)雜問題解決能力中所起的作用等問題進(jìn)行了解答,以國(guó)際工程聯(lián)盟(IEA)和華盛頓協(xié)議(WA)為例,指出了兩者在復(fù)雜工程問題解決方面對(duì)畢業(yè)生的要求,強(qiáng)調(diào)了工程教育的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和工程設(shè)計(jì)能力[4]。

鑒于此,綜合電子技術(shù)、控制理論、傳感檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、單片機(jī)設(shè)計(jì)等課程內(nèi)容,以Freescale16位單片機(jī)MC9SXEP100作為核心處理器,開發(fā)輪式機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在此基礎(chǔ)上,建設(shè)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。以模塊化的理念和方法設(shè)計(jì)的輪式移動(dòng)機(jī)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(tǒng)進(jìn)行移植,使得該機(jī)器人系統(tǒng)成為一個(gè)通用的平臺(tái)[5-6]。

不同于市場(chǎng)現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備,自行研發(fā)的輪式機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還具有很好的開放性,學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行硬件方面的擴(kuò)展,也可以自行編寫底層軟件算法,在系統(tǒng)調(diào)試和機(jī)器人比賽中檢驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的可行性、正確性。由于學(xué)生所參加的比賽不盡相同,為了使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的比賽功能,要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí),結(jié)合特定的比賽項(xiàng)目要求,擴(kuò)展相應(yīng)的功能,設(shè)計(jì)特定的機(jī)器人系統(tǒng)[7-8]。即使是參加同一比賽項(xiàng)目的學(xué)生,為了取得更好的參賽成績(jī),學(xué)生也是八仙過海、各顯神通,不斷對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行完善,正是在一次次的系統(tǒng)改良和摸索中,很好地培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和工程設(shè)計(jì)能力。近年來,本專業(yè)全體學(xué)生參加了學(xué)校機(jī)器人選拔賽,先后獲“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)、全國(guó)機(jī)器人大賽一等獎(jiǎng)60余項(xiàng)、江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽一等獎(jiǎng)20余項(xiàng),中央電視臺(tái)新聞?lì)l道以《90后的“小完美”為夢(mèng)想執(zhí)著》為主題對(duì)參賽隊(duì)員進(jìn)行了專訪。

2.1 輪式機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

由于所設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人的運(yùn)行速度一般可達(dá)2.5～3m/s,為了實(shí)現(xiàn)比賽功能,所安裝的傳感器數(shù)量可能超過30個(gè),其中90%的傳感器均采用AD方式工作。為了即時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),還需向上位機(jī)實(shí)時(shí)回發(fā)機(jī)器人的當(dāng)前信息,單依靠主CPU的處理能力,無法滿足高速運(yùn)動(dòng)的需求。綜合考慮后,選用了飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MC9SXEP100MAL16位單片機(jī)作為輪式機(jī)器人的控制器。該型號(hào)單片機(jī)有一系列豐富的硬件資源：1MB Flash,攜帶XGate處理器,其鎖相環(huán)模塊增加了內(nèi)部濾波器和失效探測(cè)功能,同時(shí)攜帶了一個(gè)增強(qiáng)型ATD模塊。

XGate是專門為16位MC9S12X系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的,并與之集成在1個(gè)單片機(jī)中。由于這個(gè)協(xié)處理器是專門為處理中斷和I/O口設(shè)計(jì)的,與通用協(xié)處理器相比有很多獨(dú)到之處。XGate協(xié)處理器采用精簡(jiǎn)指令流(RISC)結(jié)構(gòu),速度可比主CPU快1倍,響應(yīng)中斷也快。雙核處理器使機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)30個(gè)AD值的采集,同時(shí)能保證和上位機(jī)實(shí)時(shí)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(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(tǒng)設(shè)計(jì)要求的續(xù)航能力的前提下,給系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的供電保障；人機(jī)交互主要是為了給使用者提供一個(gè)方便、人性化的面向單片機(jī)的接口,使用者可以方便、快捷地了解、更改單片機(jī)目前的狀態(tài)等一系列的參數(shù)。

圖4為主控板電路圖,整個(gè)主控板由若干獨(dú)立模塊構(gòu)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(jī)核心子板之間采用跳線帽方式連接,使用者可以方便地復(fù)用單片機(jī)的引腳,選擇需要使用的模塊。

圖3 系統(tǒng)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(duì)于所設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人,其中單片機(jī)系統(tǒng)、光電傳感器等需要5 V電源,直流電機(jī)可以使用電池直接供電。由于不同電路模塊對(duì)工作電壓和電流的要求不相同,因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路,將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。LM2940擁有優(yōu)良的穩(wěn)壓線性度,最大可以輸出1 A的電流。同時(shí)集成了過熱、過載、短路保護(hù)功能,穩(wěn)壓線性度好,輸出紋波小,雖然帶負(fù)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(shè)計(jì)選用LM2940為單片機(jī)核心子板供電。AS1015為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器,專為滿足5 A輸出電流設(shè)計(jì),采用PWM控制方式,300 kHz的固定頻率開關(guān),可實(shí)現(xiàn)零壓降穩(wěn)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(dāng)前輸入電壓之間靈活調(diào)節(jié)(通過精密滑動(dòng)電位器調(diào)節(jié)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(duì)傳感器等一系列外設(shè)進(jìn)行供電。電源模塊如圖6所示,將單片機(jī)核心子板和傳感器等外設(shè)分開供電,可以有效避免因?yàn)閭鞲衅鬟^多造成電流過大引起的穩(wěn)壓芯片輸出端電壓的大幅波動(dòng),影響單片機(jī)的正常運(yùn)行。

圖4 主控板電路圖

圖5 主控板實(shí)物圖

圖6 電源模塊圖

(3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。使用BTS7960作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片擁有優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)能力、超低的散熱量和低導(dǎo)通電阻,電路簡(jiǎn)單、易于使用。系統(tǒng)中的直流電機(jī)使用16.8 V動(dòng)力電池直接供電,而單片機(jī)由8.4 V鋰電池經(jīng)LM2940穩(wěn)壓得到5 V電壓供電,為保證單片機(jī)核心子板的抗干擾能力,采取了光耦隔離方案,將單片機(jī)核心子板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路隔離開。驅(qū)動(dòng)電路分為3個(gè)模塊：第一個(gè)模塊主要由單片機(jī)5 V電壓和PP0,PP1的輸入信號(hào)組成；第二個(gè)模塊主要由16.8 V→5 V的穩(wěn)壓電路組成(由于BTS7960驅(qū)動(dòng)信號(hào)和使能信號(hào)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(qū)動(dòng)信號(hào)供電,必須經(jīng)LM2940穩(wěn)壓芯片將16.8 V穩(wěn)成5 V后方可使得BTS7960正常工作)；第三個(gè)模塊是16.8 V電池直接對(duì)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(shí)候應(yīng)特別注意其線寬、拐角等,盡量降低導(dǎo)線回路的阻抗,避免驅(qū)動(dòng)板過熱等現(xiàn)象(見圖7)。

圖7 大功率驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 輪式機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

(1) 電機(jī)速度控制。由于電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和電池電壓的變化有很大關(guān)系,尤其在上坡等電機(jī)負(fù)載突變時(shí),電池端電壓會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng),使得電機(jī)速度不穩(wěn)定。為了保證電機(jī)速度的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)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(shí)訓(xùn),學(xué)生可以進(jìn)一步了解控制器參數(shù)調(diào)試的方法以及控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖8 速度控制程序流程圖

(2) 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。利用4個(gè)灰度傳感器采集地面信息,由于陽光、現(xiàn)場(chǎng)照相機(jī)的閃光燈都會(huì)對(duì)灰度傳感器檢測(cè)到的值產(chǎn)生嚴(yán)重干擾,使得傳感器AD值出現(xiàn)突變,在進(jìn)行模擬量運(yùn)算之前,必須對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波[9-10]。數(shù)字濾波程序流程如圖9所示。

圖9 數(shù)字濾波程序流程圖

(3) 轉(zhuǎn)彎策略。由四輪機(jī)器人差速驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型可知,當(dāng)機(jī)器人的幾何中心和十字線交點(diǎn)重合,兩邊電機(jī)速度方向相反,大小一致時(shí),即可沿著輪式機(jī)器人的中心點(diǎn),進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)[11-13]。

3 解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)

本專業(yè)將培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力貫穿于四年本科教學(xué)中,根據(jù)基于成果導(dǎo)向教育的反向設(shè)計(jì)原則,按認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn),將解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)融合在人文社科類課程和實(shí)踐、數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類課程和實(shí)踐、工程基礎(chǔ)類課程和實(shí)踐、專業(yè)基礎(chǔ)類和專業(yè)類課程和實(shí)踐中,分層次循序漸進(jìn)。

上述機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng),學(xué)生可以利用該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展電子技術(shù)、單片機(jī)、電力電子技術(shù)、控制理論、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、電機(jī)及拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等相關(guān)課程的綜合實(shí)驗(yàn)。

(1) 運(yùn)用了數(shù)學(xué)理論及自動(dòng)控制原理相關(guān)知識(shí)。對(duì)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)象有明晰深入的了解,根據(jù)物理力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及電機(jī)、電力拖動(dòng)等原理,建立機(jī)器人控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)控制策略包括機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)受到眾多內(nèi)外條件的影響,而且影響控制的參數(shù)一般不止一個(gè),其作用也不盡相同,這就增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。要求學(xué)生合理地設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu),選擇合適的控制策略,這是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要考慮的問題。

(2) 運(yùn)用了傳感器與檢測(cè)技術(shù)為主的工程原理。為了讓機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能,要求使用各類傳感器,以檢測(cè)機(jī)器人的位置與速度、地面信息、機(jī)器人自身狀態(tài)參數(shù)等,要求學(xué)生能根據(jù)具體控制要求選擇合適的傳感器,給出傳感器選型依據(jù)、具體指標(biāo)及工作原理說明,并附上所選型號(hào)的參數(shù)截圖。

(3) 運(yùn)用了電機(jī)及拖動(dòng)、微特電機(jī)及控制等基本理論和工程原理。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),在某些比賽項(xiàng)目中還可能用到舵機(jī)、伺服電機(jī)等多種電機(jī),要求學(xué)生能結(jié)合所學(xué)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制知識(shí),針對(duì)具體控制要求,選擇合適的電機(jī)種類、轉(zhuǎn)矩要求,給出選型依據(jù)、具體指標(biāo),以及相關(guān)控制方法。

(4) 運(yùn)用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等基本理論和工程原理。控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型、控制策略確定后就是系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)問題,需運(yùn)用“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”“單片機(jī)技術(shù)”等課程知識(shí),設(shè)計(jì)控制器的硬件電路、軟件流程,并通過編程調(diào)試實(shí)現(xiàn)控制策略。在設(shè)計(jì)過程中,學(xué)生要對(duì)相應(yīng)設(shè)備、器件、軟件進(jìn)行比較、選型,還需要擴(kuò)展學(xué)習(xí)一些具體的單片機(jī)編程語言。

4 結(jié)語

順應(yīng)工程教育專業(yè)論證潮流,以提高自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生綜合能力為核心,全面培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。開發(fā)了機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在此基礎(chǔ)上建立了面向全體學(xué)生的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。通過比賽項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式,要求學(xué)生結(jié)合比賽要求,在機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上擴(kuò)展相應(yīng)的功能,并通過參加各類學(xué)科競(jìng)賽的方式,對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)過上述環(huán)節(jié)的綜合訓(xùn)練,使學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解工程實(shí)際,能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),提高解決工程實(shí)際問題的能力與創(chuàng)新意識(shí),從而使學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力。