工程设计过程是工程师在尝试解决问题并设计解决方案时遵循的一系列步骤;这是解决问题的一种有条不紊的方法。 不存在单一的普遍接受的设计流程,大多数工程师对该流程的工作原理都有自己的看法。 该过程通常以问题开始并以解决方案结束,但中间步骤可能会有所不同。

大多数设计过程的一个共同特征是它们是迭代的,设计人员可能必须返回到过程中的先前步骤和/或一遍又一遍地重复整个过程,直到达到最低限度可行的解决方案。

本文概述的工程设计流程并不是该流程的唯一正确版本,而只是一个示例。 它应该为学生探索工程过程提供一个良好的起点。

一个非常简单的设计过程可能只包括如下所示的 3 个步骤:定义、开发解决方案和优化(如果您想要为您的教室贴一张插图,可以在 posts.vex.com 上以全尺寸海报形式获取此插图!)。

基本_设计_流程.png

另一个设计流程示例是 Project Lead The Way 的 Gateway Design Process

工程设计过程的步骤

在本文中,我们将考虑一个符合评委在 REC 基金会竞赛中面试团队和审查他们的工程笔记本时所寻求的设计流程。

确定挑战 & 设定目标

这有时称为“询问”或“定义”。 识别挑战始终应该是设计过程中解决的第一步。 

对于设计过程的第一次迭代,团队的笔记本应该包含对整个游戏挑战的非常简短的描述,并将其分解为成功必须完成的较小挑战。 最佳实践是列出需要通过研究或测试来回答的问题,例如:

  • 玩这个游戏最有效的策略是什么?
  • 获得积分的方法有哪些?
  • 机器人需要移动多快?
  • 机器人如何拾取得分物体?
  • 机器人需要持有多少个得分物体?

通过这个过程,团队应该列出他们可能想要的机器人功能列表,以及游戏的要求和限制列表。 例如,如果挑战要求机器人将物体堆得尽可能高,团队可能会决定他们希望他们的机器人更高。 然而,游戏手册可能对机器人在任何给定时间的高度有限制。 在进入头脑风暴阶段之前,应探索并理解所有这些标准。

对于设计过程的后续周期,此步骤可能是识别机器人上未按预期或需要工作的某些部分,并描述良好的解决方案应包括哪些内容。 例如,挑战可能是“机器人手臂需要能够伸得更高才能得分”,而完成挑战的目标可能是“爪子的底部必须能够达到 16 个高度”。 “拿球的时候。” 此挑战的约束可能与游戏中更大的约束重叠,例如尺寸和垂直扩展限制。

头脑风暴 & 图

良好的头脑风暴始于对问题的共同理解,包括所有要求和约束。 如果不理解问题,时间可能会浪费在不相关的想法上,而这些想法不能满足手头的基本问题。 在头脑风暴期间,避免评判彼此的想法也很重要。 这可能会扼杀创意过程并阻碍团队成员参与。

如果团队成员显然没有完全理解问题,团队应该从流程的第一步重新开始(即“识别问题”或“询问”)。

在头脑风暴过程中,学生可能还想研究现实世界中与游戏中类似的挑战。 他们还可以看看过去是否有其他机器人竞赛利用过类似的挑战。 头脑风暴包括从其他来源收集数据,以帮助学生创建成功的解决方案。

有前景的解决方案应记录在团队的笔记本中,包括带标签的图纸或图片。 如果团队从其他来源获得想法,则应在笔记本中清楚地标明这些来源。

选择解决方案 & 制定计划

一旦头脑风暴完成并产生了几个想法,团队就应该客观地评估每个想法。 目标是为团队找到最佳解决方案,无论来源如何。 表格可以帮助团队考虑和比较每个想法相对于特定设计需求和约束的优点。 在下面的示例中,每个标准均按 0-5 分等级进行评估,其中 0 分不符合预期,5 分超出预期。 因为“Idea 4”的综合得分最高,所以它是客观的选择。

主意

标准1

标准2

标准3

标准4

总得分

想法1

3

3

2

1

9

想法2

5

5

0

0

10

想法3

1

1

5

5

12

想法4

4

4

4

4

16

团队应在笔记本中记录此过程,并解释他们选择解决方案的方式和原因。 他们还应该在工程笔记本中完整描述该解决方案,包括如何构建该解决方案的计划。 对于高级团队,该计划可能包括创建 CAD 模型或详细的装配图。

构建 & 程序

这是团队花费大部分时间的地方,也是创建原型和最终机器人和程序的地方。 代码和机器人的构建通常从基本设计开始,并随着设计过程后期周期中添加细节而不断发展。 学生在构建 & 编程时应该在笔记本上做详细的笔记,记录他们所看到的,试图找出为什么有些东西比其他东西效果更好,然后创建额外的原型或程序来测试新想法。 收集数据并将其记录在笔记本中是构建和编程的重要部分。

测试解决方案

在此步骤中,学生将测试他们构建或编程的内容,看看哪些有效、哪些无效以及哪些可以改进。 测试程序应在笔记本中详细记录,并应包括所有可测量的结果。 此步骤的主要目标是确定构建或代码是否满足挑战并按预期和需要执行。

重复设计过程

当某些东西在测试中不起作用时会发生什么? 学生分析问题以确定它带来的新挑战,然后开始新的设计过程周期!

并非所有设计流程周期都需要所有步骤,有些可能会从一个步骤跳到另一个步骤,或者在进入下一个步骤之前多次重复一个步骤。 设计团队不应该害怕设计过程中的倒退。 最终目标是通过一次又一次的改进来创造出最好的设计。 设计周期也可能会重叠,特别是在机器人子系统和代码之间。 团队在笔记本中输入条目时应尽力确定他们正在执行的设计流程步骤。

那么团队如何决定他们的机器人何时完成呢?  很简单:团队需要制定时间表,然后坚持执行。 根据不同球队的具体情况,这个时间表会有很大差异。 如果一个团队在第一场比赛之前有六周的时间来设计和建造他们的机器人,他们应该为这段时间制定某种时间表。 有些团队会规划构建过程中的每一步,而其他团队只会进行快速概述。

时间表并不总是一成不变的;最终唯一的固定日期是项目开始日期和机器人完成截止日期(通常是比赛日期)。 随着这一过程的展开,其他一切都可能发生变化。