开源硬件在“智能机器人”实践课程中的应用

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1、开源硬件在“智能机器人”实践课程中的应用邓欣，王进，于洪，王国胤，陈桥松（重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆400065）摘要：针对智能科学与技术专业学生的特点和“智能机器人”实践课程的教学实际，分析教学目的，通过对实验平台的选定和题目的设计，指出基于开源硬件实验平台的“智能机器人”实践教学不仅可以节省平台配置的经费，而且能够降低学生学习并制作实体机器人的门槛，进一步激发学生学习机器人技术的兴趣。.jyqkail protected]．edu．。0引言随着社会生产力的发展，机器人技术得到迅猛发展和广泛应用。与机器人技术相关的专业人才需求

2、逐年增长，但专业人才培养的数量和质量相对滞后。目前，本科院校培养的智能机器人技术相关人才大多从事理论研究、实体机器人和特种机器人的开发等，而关于机器人应用方面的专业较少，从课程内容设置到人才培养还不是很成熟。为了培养学生的实践能力和创新能力，也为培养尽可能多的创新人才，重庆邮电大学计算机科学与技术学院智能科学与技术系从2011年春季起开设“智能机器人”相关课程。“智能机器人”实践课程是“智能机器人”理论课程的实践部分，为必修课，共计16学时1学分。由于课程涉及多个学科交叉的知识内容，包括机械制造、物理学、电子学与微电子学、控制论、计算机、生物学、人工

3、智能、系统工程等，同时又是一门理论性和实践性很强的课程，因此课程设计和教学难度较大。智能科学与技术专业学生有编程能力强的特点，但其他学科背景如机械、控制、电子等知识相对薄弱，这也增加了“智能机器人”实践课程实验平台选定和题目设计的难度。如果能有一套无需学生了解和掌握底层电路和通讯协议就能直接在开发环境中编写算法程序，然后通过开发环境中的编译器直接把所编写的程序刻录入硬件中便能完成各种机器人行为控制的设备，将大大有利于计算机背景的学生快速掌握机器人开发与应用技术，更早地投入完整的项目实践中，提高创新能力。经过广泛调研，我们发现Arduino开源平台作为

4、一个典型的开源硬件，有着极强的易用性和扩展性，受到众多电子工程师、手工制作爱好者青睐，在国外应用较为广泛。Arduino开源平台不需要学生掌握复杂的单片机底层代码和汇编语言，只要求学生掌握少量简单实用的自带函数，并且只需在特定的IDE下编程，从而极大地方便了硬件知识薄弱而编程能力较强的学生。1开源硬牛Arduino简介优势1.1Arduino简介随着开源硬件技术的发展，由于这类硬件具有简易性和实用性的特点而得到越来越广泛的了解和使用。Arduino作为开源硬件的典型，有重量轻、体积小的特点，属于AVR单片机种类，包含了以ATM芯片为处理器的微型控制器

5、和众多I/O接口[5]。Arduino芯片的扩展性非常强，通过扩展板和自带I/O接口能与键盘、鼠标、红外距离传感器、超声波传感器、LED灯、步进电机、舵机、GPS、蓝牙、Hz主频，8个AD接口，2个串口，功能强大。实验的第1部分要求学生熟悉Arduino单片，掌握基本的传感器操作；反射式光电传感器实验要求学生学会用传感器反馈给芯片的电压高低来判定黑线或白线；超声波距离传感器实验要求学生学会根据距离传感器电压的高低测算物体间的实际距离；步进电机控制实验要求学生了解步进和脉冲的关系，通过编写程序控制步进电机的转速。实验的第2部分首先要求学生按照图纸把小车

6、进行组装，组装效果如图1所示。然后，学生应了解和熟悉单片机各个IO接口和AD接口的位置及功能，整理并记录控制板(图2(a))、光电传感器(图2(b))、超声波距离传感器(图2(c))、舵机(图2(d))的连接端口号。最后，学生要在电脑上编写对应的寻迹和避障程序并烧录进单片机里，如图3(a)所示。编写程序的关键在于设计算法对3个前置红外传感器接受到的数据进行处理判断，执行命令的循环过程。在循环体中，要编写小车判断前进方向的逻辑以及调用相应运动模式的命令，从而让小车在自我调整的行进方式下按既定路线运行。在实际测试时，小车能跟随单条黑线前进，但是遇到类似十

7、字路口（黑线交叉）时会出现无法通过的问题，如图3(b)的情况，需要修改程序的逻辑和代码，才能解决这个问题。增加了超声波距离传感器功能之后，多个小车串行寻迹时能够保持车距避免相撞，实现了类似避障功能，如图3(c)所示。除以上基本实验之外，我们还设计了扩展实验，内容是在Arudino控制器上安装蓝牙芯片，如图4(a)所示。学生可以在自己的上安装自己编写的APP进行和蓝牙芯片之间的通讯，如图4(b)所示。小车接收发出的控制指令，作出相应的动作，从而实现对小车的远程控制。在实验中可能遇到各种实际问题，如小车灵敏度过低、小车失控等，学生通过自主学习和反复实践，

8、能够逐步解决芯片处理限速等问题，如在算法中加入优化函数以提高芯片处理信号的能力等。3.2教学评价“智能机器人