自動(dòng)化工程教育專業(yè)認(rèn)證中的畢業(yè)設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐

朱海榮， 張懷才

(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)

0 引 言

我國(guó)于2006年啟動(dòng)工程教育專業(yè)認(rèn)證試點(diǎn)工作，2016年正式成為國(guó)際工程教育《華盛頓協(xié)議》會(huì)員國(guó)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)和其他會(huì)員國(guó)之間的工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)[1-3]。截至2017年底，全國(guó)198所高校的846個(gè)工科專業(yè)通過(guò)了工程教育專業(yè)認(rèn)證，標(biāo)志著這些專業(yè)進(jìn)入了全球工程教育的“第一方陣”[4-6]。

南通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)結(jié)合自身辦學(xué)特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)施成果導(dǎo)向式教育，取得了一系列的辦學(xué)成果。該專業(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)已經(jīng)通過(guò)了工程教育專業(yè)認(rèn)證申請(qǐng)，教育部認(rèn)證專家于2018年下半學(xué)年進(jìn)校開(kāi)展認(rèn)證工作。

畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求學(xué)生獨(dú)立系統(tǒng)的完成一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和科研方法、增強(qiáng)工程意識(shí)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法取代的重要作用，是高等院校本科教育人才培養(yǎng)計(jì)劃的重要組成部分；具有綜合性、探索性和實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)。該環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生獲得基本訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)等方面都起著重要作用。

工程教育專業(yè)認(rèn)證要求參與認(rèn)證的專業(yè)有明確的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生應(yīng)該具備的12項(xiàng)畢業(yè)要求，以及學(xué)生畢業(yè)5年后應(yīng)該具備的專業(yè)素養(yǎng)[7-9]。隨著認(rèn)證的逐步深入，對(duì)參與認(rèn)證的專業(yè)提出了更高的要求，如怎樣培養(yǎng)“學(xué)生解決自動(dòng)化領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”[10-12]。對(duì)此，本專業(yè)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行了相應(yīng)的改革與實(shí)踐，學(xué)生結(jié)合實(shí)踐性、綜合性很強(qiáng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在老師的指導(dǎo)下解決其中涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題，達(dá)到專業(yè)認(rèn)證的要求。

1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求

畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具有較高的綜合性，應(yīng)以大學(xué)階段所學(xué)習(xí)過(guò)的各門課程為依托，將各門課程間的內(nèi)在聯(lián)系串聯(lián)起來(lái)，從中尋找規(guī)律；并通過(guò)文獻(xiàn)研究、資料搜集，為解決復(fù)雜工程問(wèn)題提供思路；針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題，進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)；在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，還要通過(guò)仿真、實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)對(duì)所要解決的工程問(wèn)題加以驗(yàn)證[13-15]。

通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握自動(dòng)化領(lǐng)域相關(guān)工程問(wèn)題的分析能力、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用和設(shè)計(jì)能力、探索研究能力、使用現(xiàn)代工具的能力，分析工程與社會(huì)的關(guān)系，認(rèn)識(shí)環(huán)境對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響，鍛煉學(xué)生的溝通與交流能力，理解工程管理與經(jīng)濟(jì)決策的方法。鞏固學(xué)生的理論知識(shí)、擴(kuò)大知識(shí)面，在提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能基礎(chǔ)上，掌握自動(dòng)化領(lǐng)域復(fù)雜過(guò)程對(duì)象建模與分析、設(shè)計(jì)計(jì)算、工程繪圖及撰寫(xiě)科學(xué)技術(shù)論文的一般程序和方法；進(jìn)行一次工程技術(shù)人員必備的基本技能訓(xùn)練，使學(xué)生在畢業(yè)以后能較快地勝任技術(shù)工作。

畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)重點(diǎn)支持以下畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)[16]：

2-3通過(guò)文獻(xiàn)研究，從數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)的角度對(duì)自動(dòng)化復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析，以獲得有效結(jié)論。

體現(xiàn)在能通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，掌握畢業(yè)設(shè)計(jì)所渉課題的最新研究動(dòng)態(tài)，利用所掌握的數(shù)學(xué)、自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)對(duì)課題進(jìn)行機(jī)理分析，制定設(shè)計(jì)方案，建立系統(tǒng)仿真模型及實(shí)驗(yàn)方案等，并能正確理解各個(gè)電路設(shè)計(jì)及計(jì)算過(guò)程中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性。

3-2具有自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)，并能綜合考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等因素，給出合理的設(shè)計(jì)方案。

體現(xiàn)在能根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，能綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、系統(tǒng)可靠性、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、樣機(jī)外觀及使用環(huán)境等因素，制定合理的設(shè)計(jì)方案。

4-3能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法，針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行信息綜合研究，并能夠得到合理有效的結(jié)論。

體現(xiàn)在通過(guò)文獻(xiàn)檢索，掌握畢業(yè)設(shè)計(jì)中所涉及的課題發(fā)展歷程和國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，并能清晰指出各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，能正確解釋所設(shè)計(jì)方案優(yōu)越性的原因。

6-1能夠應(yīng)用工程相關(guān)背景知識(shí)，合理分析自動(dòng)化專業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問(wèn)題解決方案與社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的關(guān)系。

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)所提出的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)工程相關(guān)背景，要求學(xué)生綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境保護(hù)、安全可靠性等因素。

7-2具有了解及追蹤國(guó)家及地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的形勢(shì)及政策的意識(shí)，熟悉環(huán)境保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)。

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，組織學(xué)生討論其所設(shè)計(jì)的樣機(jī)或產(chǎn)品產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是否滿足環(huán)境保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)。

10-1 能夠清楚地闡述工程理念和專業(yè)觀點(diǎn)，就自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行有效溝通和交流，清晰表達(dá)或回應(yīng)指令。

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)最終答辯中，學(xué)生能準(zhǔn)確陳述設(shè)計(jì)思想，表達(dá)清晰、富有邏輯性，并能準(zhǔn)確回答老師提出的問(wèn)題。

10-2 能夠撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告、總結(jié)報(bào)告，就自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行有效溝通、交流和反應(yīng)。

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)及最終答辯中設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案表達(dá)明確、清晰，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)。就課題所涉及的相關(guān)知識(shí)能與同學(xué)進(jìn)行有效溝通、交流，并能準(zhǔn)確回答老師提出的問(wèn)題。

10-3 具備一定的國(guó)際視野，了解自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，能夠檢索、閱讀和理解外文科技文獻(xiàn)，能有一定的外語(yǔ)溝通和交流能力。

體現(xiàn)在通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生了解并掌握自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)的外文數(shù)據(jù)，并掌握其使用方法如(Science Direct、Web of Science、Elsevier、Springer等)，能從海量的文獻(xiàn)中迅速定位并獲取所需文獻(xiàn)資源。

2 畢業(yè)設(shè)計(jì)要求

2.1 選題要求

選題類型基本上可以分為4類：工程設(shè)計(jì)類、實(shí)驗(yàn)研究類、學(xué)術(shù)論文類、其他類型。具體要求如下：

(1) 課題應(yīng)該符合自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的畢業(yè)要求，體現(xiàn)本專業(yè)基本訓(xùn)練內(nèi)容，使學(xué)生受到全面的鍛煉。課題主要來(lái)源于本專業(yè)工程實(shí)際問(wèn)題，盡可能地結(jié)合生產(chǎn)、科研、現(xiàn)代教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)際任務(wù)，有利于理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任感和經(jīng)濟(jì)觀念；

(2) 課題應(yīng)有一定的深度、廣度和難度，工作量飽滿，使學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)努力能按時(shí)完成；

(3) 課題的類型可有多種多樣，應(yīng)貫徹因材施教的原則，使水平不同的學(xué)生都能在原有基礎(chǔ)上有較大的提高；

(4) 對(duì)用人單位提出的選題和學(xué)生提出的選題，在符合教學(xué)要求和培養(yǎng)目標(biāo)的前提下，結(jié)合企業(yè)的工作實(shí)踐，按照學(xué)校校外畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求立題。

2.2 指導(dǎo)教師要求

(1) 指導(dǎo)教師應(yīng)具有中級(jí)(含中級(jí))以上職稱，如無(wú)特殊情況，不得中途變更指導(dǎo)教師。

(2) 指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真、嚴(yán)格執(zhí)行指導(dǎo)過(guò)程的規(guī)范，教師要給出明確的研究任務(wù)、足夠數(shù)量的參考文獻(xiàn)和外文資料，并在指導(dǎo)過(guò)程中嚴(yán)格遵循學(xué)校規(guī)定，保證畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。指導(dǎo)教師要定期按計(jì)劃對(duì)所指導(dǎo)的學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和答疑，檢查課題進(jìn)度、質(zhì)量，及時(shí)提出調(diào)整或改進(jìn)意見(jiàn)等。

(3) 每位教師指導(dǎo)的學(xué)生人數(shù)不超過(guò)7人。

(4) 指導(dǎo)教師的任務(wù)有：① 編寫(xiě)課題任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)學(xué)生課題調(diào)查、審閱外文翻譯、課題開(kāi)題工作(含開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述)、中期檢查、畢業(yè)設(shè)計(jì)，并根據(jù)學(xué)生在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的工作表現(xiàn)、能力水平和各環(huán)節(jié)任務(wù)的完成情況寫(xiě)出全面評(píng)語(yǔ)，評(píng)定各項(xiàng)成績(jī);② 注意因材施教，加強(qiáng)面對(duì)面指導(dǎo)；隨時(shí)解答疑難問(wèn)題，定期檢查進(jìn)度與質(zhì)量；督導(dǎo)學(xué)生按期完成各階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù);③ 教書(shū)育人，全面關(guān)心學(xué)生成長(zhǎng)；結(jié)和實(shí)際，細(xì)心做好學(xué)生的思想政治教育工作，促進(jìn)學(xué)生德智體全面發(fā)展。

2.3 過(guò)程要求

(1) 立題。指導(dǎo)老師在第七學(xué)期申報(bào)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，填報(bào)立題卡，說(shuō)明題目來(lái)源、內(nèi)容、難易程度、工作量大小及所具備的條件等。

(2) 選題、開(kāi)題。經(jīng)教研室討論審定后確定符合條件的題目和指導(dǎo)教師，學(xué)院批準(zhǔn)后向?qū)W生公布。各學(xué)院采取合適的方法，組織學(xué)生選題。確定題目后，指導(dǎo)教師下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，明確畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體要求。在開(kāi)題階段，要求學(xué)生根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，在大量查閱中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上給出初步設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)老師參與方案論證并指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)題。

(3) 中期檢查。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書(shū)要求的技術(shù)指標(biāo)，綜合考慮工程難易度、可靠性和造價(jià)等因素，確定詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，學(xué)院組織相應(yīng)的老師開(kāi)展畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查。

隨后，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，解決畢業(yè)設(shè)計(jì)中所涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題。

(4) 成果驗(yàn)收。檢查答辯準(zhǔn)備工作，著重對(duì)學(xué)生答辯資格進(jìn)行審查。根據(jù)任務(wù)書(shū)及畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范化要求，檢查學(xué)生完成工作任務(wù)的情況，組織對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)文字材料、圖紙的質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及軟、硬件成果的驗(yàn)收等。

(5) 答辯、成績(jī)?cè)u(píng)定、材料歸檔。學(xué)生通過(guò)成果驗(yàn)收，并上交畢業(yè)設(shè)計(jì)全部材料，指導(dǎo)教師對(duì)論文進(jìn)行審核、評(píng)閱教師對(duì)論文進(jìn)行評(píng)閱，同時(shí)學(xué)院使用大學(xué)生論文抄襲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到要求者方可參加答辯。

答辯結(jié)束后，學(xué)生將全部資料整理、按學(xué)院文件要求裝訂好上交指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師審核合格后交學(xué)院保存。

3 畢業(yè)設(shè)計(jì)舉例

以某個(gè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明，畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：智能AGV小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1)。

1.位移傳感器；2.萬(wàn)向輪；3.驅(qū)動(dòng)輪；4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；5.驅(qū)動(dòng)器；6.ZigBee模塊；7.灰度傳感器

圖1 AGV車體示意圖

3.1 方案論證

為了合理設(shè)計(jì)AGV控制系統(tǒng)，首先需要分析系統(tǒng)的基本要求及相應(yīng)功能。系統(tǒng)工作原理：首先設(shè)定路徑，由上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊將任務(wù)指令發(fā)送給主控模塊，主控模塊接收指令后根據(jù)AGV的位置、速度信息，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制。幾個(gè)模塊的功能如下，通信：無(wú)論是調(diào)度、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃還是AGV的定位，都離不開(kāi)信息傳遞。避障：為了保證生產(chǎn)順利進(jìn)行和工作人員的安全，AGV的避障功能必不可少。導(dǎo)航定位： AGV小車自身的位置和狀態(tài)信息需要實(shí)時(shí)傳送給主控制器，接受控制指令并完成相應(yīng)的任務(wù)。

通過(guò)對(duì)AGV小車的功能需求分析，最終采用圖1所示的車體結(jié)構(gòu)。其中：位移傳感器1用于探測(cè)AGV前后方障礙物；車體前后兩側(cè)各安裝兩個(gè)萬(wàn)向輪2；驅(qū)動(dòng)輪3安裝于車體兩側(cè)居中的位置，驅(qū)動(dòng)小車行駛；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4是AGV小車的動(dòng)力源；驅(qū)動(dòng)器5用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；ZigBee模塊6用于實(shí)現(xiàn)AGV和上位機(jī)的通信；灰度傳感器7可以進(jìn)行灰度檢測(cè)，用于巡線導(dǎo)航。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求(AGV小車載重、運(yùn)行速度、運(yùn)行環(huán)境等)，首先計(jì)算AGV小車的基本參數(shù)，然后確定主控制器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服控制器、傳感器、無(wú)線模塊和電源等，AGV硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 AGV硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 主控器選型依據(jù)。進(jìn)行需求分析后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中的串口通信波特率達(dá)115 200，一般單片機(jī)串口通信的波特率達(dá)不到這個(gè)要求；芯片要求時(shí)鐘頻率為50 MHz，需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)PWM、ADC和串口；最終選用32 位STM32微控芯片作為主控器。以 ARM 為基礎(chǔ)平臺(tái)的系統(tǒng)，方便擴(kuò)展。

(2) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選型依據(jù)。AGV小車體質(zhì)量為30 kg，加上負(fù)重后的總質(zhì)量為80 kg。地面靜摩擦系數(shù)μ約為0.15，由公式F=μmg,可得牽引力約為120 N，結(jié)合車輪半徑，最后得到所需力矩為24 N·m，分配到2個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，各自需要12 N·m的力矩。最終選用額定轉(zhuǎn)矩為12.5 N·m的86BYG250-150型電動(dòng)機(jī)，滿足動(dòng)力要求。

(3) 直流電源。前面已經(jīng)得到AGV小車牽引力在120 N左右，運(yùn)行速度大概為1.5 m/s，根據(jù)功率計(jì)算公式P=Fv，得到AGV小車的功率為180 W，最終選用型號(hào)為S-400-48功率為400 W的電源，輸出電壓48 V。

(4) 無(wú)線通信模塊。選用結(jié)合ZigBee 協(xié)議棧的CC2530芯片，上位機(jī)和AGV小車各安裝一個(gè)ZigBee模塊，上位機(jī)采用VS2008實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信控制，使用MSComm 控件編寫(xiě)串口程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與AGV小車的通信。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能，將系統(tǒng)軟件分為以下幾個(gè)模塊：

(1) 上位機(jī)模塊。為用戶提供AGV小車狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，主要是讓用戶進(jìn)行一些指定任務(wù)的規(guī)劃和強(qiáng)制控制模式的選擇。

(2) 路徑規(guī)劃模塊。通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)界面，將需要設(shè)定的具體路徑按照當(dāng)前的地圖畫(huà)出來(lái)，并通過(guò)無(wú)線模塊將所有路徑發(fā)送出來(lái)。

(3) 無(wú)線通信模塊。無(wú)線通信模塊在控制系統(tǒng)中相當(dāng)于主控機(jī)與AGV小車、電梯之間的橋梁，所有的數(shù)據(jù)都是通過(guò)無(wú)線建立的連接，沒(méi)有了無(wú)線模塊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV小車的實(shí)時(shí)控制。

(4) 運(yùn)行控制模塊。根據(jù)微控制器所發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的各方面的控制。

AGV行進(jìn)控制流程圖如圖3所示。

圖3 AGV行進(jìn)控制流程圖

3.4 速度閉環(huán)設(shè)計(jì)

作為一個(gè)執(zhí)行部件，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身不具備反饋功能，若電動(dòng)機(jī)沒(méi)按指令運(yùn)行，使用者無(wú)法發(fā)現(xiàn)。為了提高精度，在使用過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)、修正，也就是閉環(huán)反饋：測(cè)速反饋單元將速度信號(hào)反饋給主控器，主控器根據(jù)反饋的信號(hào)給出控制指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因?yàn)閬G步或者失步帶來(lái)的影響。AGV 閉環(huán)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 有反饋的閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

最終完成的AGV小車實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 AGV小車實(shí)物圖

圖6所示為上位機(jī)路徑規(guī)劃界面。左側(cè)白色方框內(nèi)為需要設(shè)計(jì)路線的環(huán)境，右側(cè)顯示AGV所在樓層信息，而右下側(cè)按鈕F、B、L、R是用于規(guī)劃路徑的功能按鈕(分別代表前、后、左、右)，按鈕O用于保存信息。為了保證安全，還專門設(shè)計(jì)了遇障報(bào)警功能，在AGV小車遇到障礙的時(shí)候，通過(guò)無(wú)線模塊將報(bào)警信號(hào)傳到上位機(jī)。

圖6 上位機(jī)路徑規(guī)劃界面

4 課題所涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題

該畢業(yè)設(shè)計(jì)課題所涉及復(fù)雜工程問(wèn)題的特征描述如下：

(1) 必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決。運(yùn)用電路分析、模擬電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)等為主的工程原理，對(duì)智能AGV小車控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)硬件電路，并開(kāi)展相應(yīng)的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和實(shí)驗(yàn)研究。

(2) 涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。本課題涉及電氣、電子、控制等多方面的技術(shù)，在工程方面需要考慮控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)和各種傳感器的選型與系統(tǒng)集成，工程難易度、可靠性和造價(jià)等因素指標(biāo)上相互必然有一定沖突。

(3) 需要通過(guò)建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。智能AGV小車控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制問(wèn)題和工程問(wèn)題，必須綜合考慮科學(xué)原理和工程應(yīng)用實(shí)際，平衡利弊。要對(duì)智能AGV小車控制系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，綜合考慮多種控制方案，在控制方案的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)一定的創(chuàng)造性。

(4) 不是僅靠常用方法就可以完全解決的。不同類型的智能AGV小車控制系統(tǒng)具有不同的功能，需要學(xué)生了解智能AGV小車控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，能夠檢索、閱讀和理解中外文文獻(xiàn)，綜合運(yùn)用在前續(xù)課程中所學(xué)習(xí)的工程原理知識(shí)，借助現(xiàn)有的硬件設(shè)備和相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)一種符合要求的智能AGV小車控制系統(tǒng)。

(5) 問(wèn)題中涉及的因素可能沒(méi)有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中。主控電路、驅(qū)動(dòng)電路等沒(méi)有統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的電路，需要學(xué)生依照實(shí)際需求、合理地選擇器件，自行設(shè)計(jì)相關(guān)電路。

(6) 問(wèn)題相關(guān)各方利益不完全一致。不同器件會(huì)對(duì)智能AGV小車控制系統(tǒng)的定位精度、運(yùn)行速度、穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)有影響，上述指標(biāo)還會(huì)相互制約，因此，學(xué)生需要綜合考慮上述各項(xiàng)性能指標(biāo)，合理選擇相關(guān)元器件。

(7) 具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。綜合應(yīng)用所涉及的多學(xué)科知識(shí)，分別對(duì)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊、無(wú)線通信模塊等子問(wèn)題展開(kāi)研究，而且這些子問(wèn)題是相互關(guān)聯(lián)的。

5 結(jié) 語(yǔ)

畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生獲得基本訓(xùn)練，在實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)等方面起著重要作用。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及實(shí)踐動(dòng)手能力都會(huì)有很大的提高，還可以培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)生綜合應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課及專業(yè)課知識(shí)和相關(guān)技能，解決具體問(wèn)題的能力。以達(dá)到具備初步專業(yè)工程人員的水平，為將來(lái)走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

本文介紹了畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)畢業(yè)要求的支撐情況，以及我校自動(dòng)化專業(yè)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。以某個(gè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)為例，介紹了課題所涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題，闡述了學(xué)生在方案論證、軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中所展示的解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，達(dá)到了自動(dòng)化專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求。