自動化工程教育專業(yè)認證中的畢業(yè)設(shè)計改革與實踐

朱海榮， 張懷才

(1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)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)

0 引 言

我國于2006年啟動工程教育專業(yè)認證試點工作，2016年正式成為國際工程教育《華盛頓協(xié)議》會員國，實現(xiàn)了我國和其他會員國之間的工程教育國際互認和工程師資格國際互認[1-3]。截至2017年底，全國198所高校的846個工科專業(yè)通過了工程教育專業(yè)認證，標志著這些專業(yè)進入了全球工程教育的“第一方陣”[4-6]。

南通大學自動化專業(yè)結(jié)合自身辦學特點，通過實施成果導(dǎo)向式教育，取得了一系列的辦學成果。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)計劃試點專業(yè)、江蘇省“十二五”高等學校重點建設(shè)專業(yè)，本專業(yè)已經(jīng)通過了工程教育專業(yè)認證申請，教育部認證專家于2018年下半學年進校開展認證工作。

畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)要求學生獨立系統(tǒng)的完成一項工程設(shè)計，對培養(yǎng)學生的設(shè)計、實驗和科研方法、增強工程意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)具有其他教學環(huán)節(jié)無法取代的重要作用，是高等院校本科教育人才培養(yǎng)計劃的重要組成部分；具有綜合性、探索性和實踐性很強的特點。該環(huán)節(jié)對培養(yǎng)學生綜合運用基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識和基本技能解決實際問題的能力，使學生獲得基本訓練，實現(xiàn)培養(yǎng)目標等方面都起著重要作用。

工程教育專業(yè)認證要求參與認證的專業(yè)有明確的專業(yè)培養(yǎng)目標和學生應(yīng)該具備的12項畢業(yè)要求，以及學生畢業(yè)5年后應(yīng)該具備的專業(yè)素養(yǎng)[7-9]。隨著認證的逐步深入，對參與認證的專業(yè)提出了更高的要求，如怎樣培養(yǎng)“學生解決自動化領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力”[10-12]。對此，本專業(yè)對畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)進行了相應(yīng)的改革與實踐，學生結(jié)合實踐性、綜合性很強的畢業(yè)設(shè)計，在老師的指導(dǎo)下解決其中涉及的復(fù)雜工程問題，達到專業(yè)認證的要求。

1 畢業(yè)設(shè)計的要求

畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)具有較高的綜合性，應(yīng)以大學階段所學習過的各門課程為依托，將各門課程間的內(nèi)在聯(lián)系串聯(lián)起來，從中尋找規(guī)律；并通過文獻研究、資料搜集，為解決復(fù)雜工程問題提供思路；針對復(fù)雜工程問題，進行分析、設(shè)計；在畢業(yè)設(shè)計中，還要通過仿真、實驗輔助設(shè)計對所要解決的工程問題加以驗證[13-15]。

通過畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)，使學生進一步掌握自動化領(lǐng)域相關(guān)工程問題的分析能力、新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用和設(shè)計能力、探索研究能力、使用現(xiàn)代工具的能力，分析工程與社會的關(guān)系，認識環(huán)境對可持續(xù)發(fā)展的影響，鍛煉學生的溝通與交流能力，理解工程管理與經(jīng)濟決策的方法。鞏固學生的理論知識、擴大知識面，在提高綜合運用所學知識和技能基礎(chǔ)上，掌握自動化領(lǐng)域復(fù)雜過程對象建模與分析、設(shè)計計算、工程繪圖及撰寫科學技術(shù)論文的一般程序和方法；進行一次工程技術(shù)人員必備的基本技能訓練，使學生在畢業(yè)以后能較快地勝任技術(shù)工作。

畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)重點支持以下畢業(yè)要求指標點[16]：

2-3通過文獻研究，從數(shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和自動化專業(yè)知識的角度對自動化復(fù)雜工程問題進行分析，以獲得有效結(jié)論。

體現(xiàn)在能通過查閱相關(guān)文獻，掌握畢業(yè)設(shè)計所渉課題的最新研究動態(tài)，利用所掌握的數(shù)學、自動化專業(yè)知識對課題進行機理分析，制定設(shè)計方案，建立系統(tǒng)仿真模型及實驗方案等，并能正確理解各個電路設(shè)計及計算過程中對整個系統(tǒng)設(shè)計的必要性。

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

體現(xiàn)在能根據(jù)自動化專業(yè)知識，在畢業(yè)設(shè)計過程中，能綜合考慮經(jīng)濟效益、系統(tǒng)可靠性、國家標準、樣機外觀及使用環(huán)境等因素，制定合理的設(shè)計方案。

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

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

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

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計過程中，針對所提出的設(shè)計方案，結(jié)合自動化專業(yè)工程相關(guān)背景，要求學生綜合考慮經(jīng)濟效益，環(huán)境保護、安全可靠性等因素。

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

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計過程中，組織學生討論其所設(shè)計的樣機或產(chǎn)品產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益，是否滿足環(huán)境保護的相關(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，就自動化專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，清晰表達或回應(yīng)指令。

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計最終答辯中，學生能準確陳述設(shè)計思想，表達清晰、富有邏輯性，并能準確回答老師提出的問題。

10-2 能夠撰寫實驗報告、設(shè)計報告、總結(jié)報告，就自動化專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通、交流和反應(yīng)。

體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計報告撰寫及最終答辯中設(shè)計思想及設(shè)計方案表達明確、清晰，邏輯嚴謹。就課題所涉及的相關(guān)知識能與同學進行有效溝通、交流，并能準確回答老師提出的問題。

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

體現(xiàn)在通過畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，使學生了解并掌握自動化專業(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)，能從海量的文獻中迅速定位并獲取所需文獻資源。

2 畢業(yè)設(shè)計要求

2.1 選題要求

選題類型基本上可以分為4類：工程設(shè)計類、實驗研究類、學術(shù)論文類、其他類型。具體要求如下：

(1) 課題應(yīng)該符合自動化專業(yè)培養(yǎng)目標及工程教育認證標準的畢業(yè)要求，體現(xiàn)本專業(yè)基本訓練內(nèi)容，使學生受到全面的鍛煉。課題主要來源于本專業(yè)工程實際問題，盡可能地結(jié)合生產(chǎn)、科研、現(xiàn)代教學和實驗室建設(shè)的實際任務(wù)，有利于理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，增強學生的責任感和經(jīng)濟觀念；

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

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

(4) 對用人單位提出的選題和學生提出的選題，在符合教學要求和培養(yǎng)目標的前提下，結(jié)合企業(yè)的工作實踐，按照學校校外畢業(yè)設(shè)計的相關(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(含中級)以上職稱，如無特殊情況，不得中途變更指導(dǎo)教師。

(2) 指導(dǎo)教師應(yīng)認真、嚴格執(zhí)行指導(dǎo)過程的規(guī)范，教師要給出明確的研究任務(wù)、足夠數(shù)量的參考文獻和外文資料，并在指導(dǎo)過程中嚴格遵循學校規(guī)定，保證畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量。指導(dǎo)教師要定期按計劃對所指導(dǎo)的學生進行指導(dǎo)和答疑，檢查課題進度、質(zhì)量，及時提出調(diào)整或改進意見等。

(3) 每位教師指導(dǎo)的學生人數(shù)不超過7人。

(4) 指導(dǎo)教師的任務(wù)有：① 編寫課題任務(wù)書、指導(dǎo)學生課題調(diào)查、審閱外文翻譯、課題開題工作(含開題報告、文獻綜述)、中期檢查、畢業(yè)設(shè)計，并根據(jù)學生在整個畢業(yè)設(shè)計期間的工作表現(xiàn)、能力水平和各環(huán)節(jié)任務(wù)的完成情況寫出全面評語，評定各項成績;② 注意因材施教，加強面對面指導(dǎo)；隨時解答疑難問題，定期檢查進度與質(zhì)量；督導(dǎo)學生按期完成各階段的畢業(yè)設(shè)計任務(wù);③ 教書育人，全面關(guān)心學生成長；結(jié)和實際，細心做好學生的思想政治教育工作，促進學生德智體全面發(fā)展。

2.3 過程要求

(1) 立題。指導(dǎo)老師在第七學期申報畢業(yè)設(shè)計題目，填報立題卡，說明題目來源、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，學院批準后向?qū)W生公布。各學院采取合適的方法，組織學生選題。確定題目后，指導(dǎo)教師下達畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書，明確畢業(yè)設(shè)計的具體要求。在開題階段，要求學生根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求，綜合運用所學知識，在大量查閱中外文獻的基礎(chǔ)上給出初步設(shè)計方案，指導(dǎo)老師參與方案論證并指導(dǎo)學生開題。

(3) 中期檢查。在此基礎(chǔ)上，學生根據(jù)任務(wù)書要求的技術(shù)指標，綜合考慮工程難易度、可靠性和造價等因素，確定詳細的設(shè)計方案，學院組織相應(yīng)的老師開展畢業(yè)設(shè)計中期檢查。

隨后，學生根據(jù)設(shè)計方案完成軟硬件設(shè)計，并進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題并對系統(tǒng)進行優(yōu)化，解決畢業(yè)設(shè)計中所涉及的復(fù)雜工程問題。

(4) 成果驗收。檢查答辯準備工作，著重對學生答辯資格進行審查。根據(jù)任務(wù)書及畢業(yè)設(shè)計規(guī)范化要求，檢查學生完成工作任務(wù)的情況，組織對畢業(yè)設(shè)計文字材料、圖紙的質(zhì)量、實驗數(shù)據(jù)及軟、硬件成果的驗收等。

(5) 答辯、成績評定、材料歸檔。學生通過成果驗收，并上交畢業(yè)設(shè)計全部材料，指導(dǎo)教師對論文進行審核、評閱教師對論文進行評閱，同時學院使用大學生論文抄襲檢測系統(tǒng)對畢業(yè)設(shè)計進行檢測，達到要求者方可參加答辯。

答辯結(jié)束后，學生將全部資料整理、按學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院保存。

3 畢業(yè)設(shè)計舉例

以某個學生的畢業(yè)設(shè)計為例進行說明，畢業(yè)設(shè)計題目：智能AGV小車控制系統(tǒng)設(shè)計(見圖1)。

1.位移傳感器；2.萬向輪；3.驅(qū)動輪；4.步進電動機；5.驅(qū)動器；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，由上位機通過無線通信模塊將任務(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，實現(xiàn)自主導(dǎo)航和運動控制。幾個模塊的功能如下，通信：無論是調(diào)度、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃還是AGV的定位，都離不開信息傳遞。避障：為了保證生產(chǎn)順利進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)信息需要實時傳送給主控制器，接受控制指令并完成相應(yīng)的任務(wù)。

通過對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AGV前后方障礙物；車體前后兩側(cè)各安裝兩個萬向輪2；驅(qū)動輪3安裝于車體兩側(cè)居中的位置，驅(qū)動小車行駛；步進電動機4是AGV小車的動力源；驅(qū)動器5用于控制步進電動機；ZigBee模塊6用于實現(xiàn)AGV和上位機的通信；灰度傳感器7可以進行灰度檢測，用于巡線導(dǎo)航。

3.2 硬件設(shè)計

根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書要求(AGV小車載重、運行速度、運行環(huán)境等)，首先計算AGV小車的基本參數(shù)，然后確定主控制器、步進電動機、伺服控制器、傳感器、無線模塊和電源等，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)。進行需求分析后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計中的串口通信波特率達115 200，一般單片機串口通信的波特率達不到這個要求；芯片要求時鐘頻率為50 MHz，需要同時驅(qū)動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)平臺的系統(tǒng)，方便擴展。

(2) 步進電動機選型依據(jù)。AGV小車體質(zhì)量為30 kg，加上負重后的總質(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個步進電動機，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型電動機，滿足動力要求。

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

(4) 無線通信模塊。選用結(jié)合ZigBee 協(xié)議棧的CC2530芯片，上位機和AGV小車各安裝一個ZigBee模塊，上位機采用VS2008實現(xiàn)系統(tǒng)的通信控制，使用MSComm 控件編寫串口程序，實現(xiàn)上位機與AGV小車的通信。

3.3 軟件設(shè)計

根據(jù)功能，將系統(tǒng)軟件分為以下幾個模塊：

(1) 上位機模塊。為用戶提供AGV小車狀態(tài)信息的實時監(jiān)控平臺，主要是讓用戶進行一些指定任務(wù)的規(guī)劃和強制控制模式的選擇。

(2) 路徑規(guī)劃模塊。通過上位機的人機界面，將需要設(shè)定的具體路徑按照當前的地圖畫出來，并通過無線模塊將所有路徑發(fā)送出來。

(3) 無線通信模塊。無線通信模塊在控制系統(tǒng)中相當于主控機與AGV小車、電梯之間的橋梁，所有的數(shù)據(jù)都是通過無線建立的連接，沒有了無線模塊，無法實現(xiàn)對AGV小車的實時控制。

(4) 運行控制模塊。根據(jù)微控制器所發(fā)出的指令，實現(xiàn)對電動機的各方面的控制。

AGV行進控制流程圖如圖3所示。

圖3 AGV行進控制流程圖

3.4 速度閉環(huán)設(shè)計

作為一個執(zhí)行部件，步進電動機本身不具備反饋功能，若電動機沒按指令運行，使用者無法發(fā)現(xiàn)。為了提高精度，在使用過程中需要對其進行監(jiān)測、修正，也就是閉環(huán)反饋：測速反饋單元將速度信號反饋給主控器，主控器根據(jù)反饋的信號給出控制指令，驅(qū)動步進電動機，減小步進電動機因為丟步或者失步帶來的影響。AGV 閉環(huán)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 有反饋的閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)

3.5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

最終完成的AGV小車實物圖如圖5所示。

圖5 AGV小車實物圖

圖6所示為上位機路徑規(guī)劃界面。左側(cè)白色方框內(nèi)為需要設(shè)計路線的環(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)計了遇障報警功能，在AGV小車遇到障礙的時候，通過無線模塊將報警信號傳到上位機。

圖6 上位機路徑規(guī)劃界面

4 課題所涉及的復(fù)雜工程問題

該畢業(yè)設(shè)計課題所涉及復(fù)雜工程問題的特征描述如下：

(1) 必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決。運用電路分析、模擬電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動控制原理、電動機拖動、傳感器與檢測技術(shù)和單片機技術(shù)等為主的工程原理，對智能AGV小車控制系統(tǒng)進行分析，設(shè)計硬件電路，并開展相應(yīng)的系統(tǒng)程序設(shè)計，在此基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和實驗研究。

(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)動電路、電動機和各種傳感器的選型與系統(tǒng)集成，工程難易度、可靠性和造價等因素指標上相互必然有一定沖突。

(3) 需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。智能AGV小車控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的控制問題和工程問題，必須綜合考慮科學原理和工程應(yīng)用實際，平衡利弊。要對智能AGV小車控制系統(tǒng)的功能需求進行分析，綜合考慮多種控制方案，在控制方案的設(shè)計中體現(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，需要學生了解智能AGV小車控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，能夠檢索、閱讀和理解中外文文獻，綜合運用在前續(xù)課程中所學習的工程原理知識，借助現(xiàn)有的硬件設(shè)備和相關(guān)軟件，設(shè)計一種符合要求的智能AGV小車控制系統(tǒng)。

(5) 問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中。主控電路、驅(qū)動電路等沒有統(tǒng)一、標準化的電路，需要學生依照實際需求、合理地選擇器件，自行設(shè)計相關(guān)電路。

(6) 問題相關(guān)各方利益不完全一致。不同器件會對智能AGV小車控制系統(tǒng)的定位精度、運行速度、穩(wěn)定性、可靠性等指標有影響，上述指標還會相互制約，因此，學生需要綜合考慮上述各項性能指標，合理選擇相關(guān)元器件。

(7) 具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。綜合應(yīng)用所涉及的多學科知識，分別對控制電路、驅(qū)動電路、電源模塊、無線通信模塊等子問題展開研究，而且這些子問題是相互關(guān)聯(lián)的。

5 結(jié) 語

畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)學生綜合運用基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識和基本技能解決實際問題的能力，使學生獲得基本訓練，在實現(xiàn)培養(yǎng)目標等方面起著重要作用。通過畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，學生獨立分析問題、解決問題的能力以及實踐動手能力都會有很大的提高，還可以培養(yǎng)自動化專業(yè)本科畢業(yè)生綜合應(yīng)用所學基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課及專業(yè)課知識和相關(guān)技能，解決具體問題的能力。以達到具備初步專業(yè)工程人員的水平，為將來走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

本文介紹了畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)對畢業(yè)要求的支撐情況，以及我校自動化專業(yè)對畢業(yè)設(shè)計的相關(guān)要求。以某個學生的畢業(yè)設(shè)計為例，介紹了課題所涉及的復(fù)雜工程問題，闡述了學生在方案論證、軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中所展示的解決復(fù)雜工程問題的能力，達到了自動化專業(yè)工程教育專業(yè)認證的要求。