結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式實(shí)踐教學(xué)

畢 盛， 董 敏， 冼 進(jìn)， 張 齊， 梅登華

(華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006)

結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式實(shí)踐教學(xué)

畢 盛， 董 敏， 冼 進(jìn)， 張 齊， 梅登華

(華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006)

嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)學(xué)科中十分重要的一門課程，如何提高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量因此也顯得的十分關(guān)鍵。機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今研究熱點(diǎn)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過把機(jī)器人技術(shù)引入到嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中，從基礎(chǔ)實(shí)踐、綜合實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐3個方面，建立結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施方案，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程的興趣和質(zhì)量。

嵌入式系統(tǒng); 機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺; 實(shí)踐教學(xué)研究

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，各種各樣的智能終端核心平臺都是基于嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，如手機(jī)、機(jī)器人等。因此,為了適應(yīng)社會和行業(yè)的廣泛需求，全國各高校紛紛開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程，嵌入式系統(tǒng)課程一時成為各高校最受歡迎和最熱門的課程之一[1-4]。但在施教過程中,很多尤其計(jì)算機(jī)學(xué)科方向的學(xué)生對此課程興趣不大, 主要是不了解這門課程真正用處在哪里[5-7]。雖然也嘗試通過實(shí)踐教學(xué)以及和企業(yè)合作來提高學(xué)生對課程的興趣[8]，在教學(xué)效果有一定的提高，但越來越多的新生代學(xué)生需要以興趣為導(dǎo)向，即通過實(shí)現(xiàn)一個有意義的嵌入式實(shí)體項(xiàng)目開發(fā)過程來吸引他們興趣，從而有助于學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)課程關(guān)鍵內(nèi)容。

機(jī)器人技術(shù)一直是吸引人們眼球的熱點(diǎn)，嵌入式技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)的核心實(shí)現(xiàn)平臺[9]，如機(jī)器人的控制、傳感器數(shù)據(jù)處理及規(guī)劃都是在嵌入式平臺上來完成的。本文旨在通過機(jī)器人技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)平臺、課程設(shè)計(jì)平臺和創(chuàng)新平臺，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的熱情。

1 嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)、電子和機(jī)械等多個學(xué)科，由于其常需要具有移動功能，故對體積和功耗有一定的要求；而嵌入式系統(tǒng)是軟硬件可裁剪，以應(yīng)用為中心，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[10]。因此，嵌入式平臺是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種功能的主要平臺，兩者密切聯(lián)系。所以開發(fā)機(jī)器人技術(shù)過程中需要大量掌握嵌入式技術(shù)的工程師，同理在機(jī)器人開發(fā)過程中需培養(yǎng)大批嵌入式技術(shù)人才。因此，通過把機(jī)器人開發(fā)過程引入到嵌入式課程體系中，提高嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)過程的針對性，以機(jī)器人內(nèi)容為導(dǎo)向提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時也在此過程中培養(yǎng)出機(jī)器人開發(fā)人才。針對這種思路德國學(xué)者托馬斯·布勞恩[11]把嵌入式和機(jī)器人結(jié)合起來出版著作。但該著作主要面向個人并沒有建立出相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)體系。

針對建立嵌入式機(jī)器人教學(xué)體系問題，由于機(jī)器人技術(shù)和嵌入式所涉及的技術(shù)領(lǐng)域很廣，故需要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的特點(diǎn)，選取出合適的機(jī)器人技術(shù)內(nèi)容作為結(jié)合點(diǎn)建立出相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)體系。相對于嵌入式操作系統(tǒng)，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程需要學(xué)生掌握各種常用的嵌入式芯片核心模塊、接口和裸機(jī)程序開發(fā)等知識點(diǎn)[12-14]。因此，本文以一個機(jī)器人小車作為載體，為適合教學(xué)要求設(shè)計(jì)小車具有以下功能模塊(見圖1)。

圖1 機(jī)器人小車功能模塊圖

圖中，“電動機(jī)控制”可控制小車輪速；“電動機(jī)速度檢測”可通過讀取電動機(jī)上安裝的碼盤獲得當(dāng)前電動機(jī)速度；“電池電量檢測”可通過讀取電池電壓值獲得；“WiFi串口通信”通過串行接口實(shí)現(xiàn)WiFi通信；“小車方向檢測”通過讀取I2C總線接口的6軸姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)獲得；“LCD顯示”通過并行接口實(shí)現(xiàn)對TFT LCD顯示器控制；“指示燈”通過LED燈表示小車狀態(tài)；“按鈕啟動接口”通過實(shí)現(xiàn)對按鈕狀態(tài)的讀取來啟動或停止小車。而作為以裸機(jī)開發(fā)為主的嵌入式學(xué)習(xí)要點(diǎn)主要包括：嵌入式芯片架構(gòu)及核心模塊,嵌入式軟件編程,通用輸入輸出接口,外部中斷,定時器/計(jì)數(shù)器,串行通信,模擬數(shù)字(ADC)接口,I2C總線等。其中機(jī)器人小車各模塊與嵌入式各接口模塊對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 機(jī)器人小車模塊與嵌入式系統(tǒng)知識點(diǎn)關(guān)系圖

2 結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)機(jī)器人小車模塊與嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)知識點(diǎn)的關(guān)系，從嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)性，綜合性，實(shí)踐性和創(chuàng)新性[15]出發(fā)，建立基礎(chǔ)層、綜合層和創(chuàng)新層多層實(shí)踐教學(xué)體系。在實(shí)踐教學(xué)過程中，通過圍繞機(jī)器人小車開展教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的認(rèn)識并提高學(xué)習(xí)熱情。在實(shí)踐教學(xué)過程中這3個教學(xué)層次由淺入深,不同的實(shí)踐教學(xué)層次對應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,而且組織形式也不同?；A(chǔ)性實(shí)踐教學(xué)主要目的在于熟悉方法。而綜合性和創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)則多是以機(jī)器人小車綜合應(yīng)用為主,在于提高綜合設(shè)計(jì)開發(fā)能力。這3個層次的教學(xué)循序漸進(jìn),逐步提高,為進(jìn)一步的實(shí)踐開發(fā)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

2.1基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

把嵌入式系統(tǒng)所要掌握的各知識點(diǎn)和機(jī)器人小車各模塊結(jié)合起來，建立出一整套基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)當(dāng)中完成，根據(jù)大部分學(xué)校在嵌入式課程實(shí)踐教學(xué)學(xué)時安排，基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)可控制在16學(xué)時左右，主要以驗(yàn)證或操作性實(shí)驗(yàn)為主，加深對理論知識的理解，以及對機(jī)器人小車原理和功能實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)學(xué)習(xí)。要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書或?qū)嶒?yàn)講義，并通過查閱參考資料完成整個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容如表1所示。其中，在實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4分別利用脈沖寬度和脈沖數(shù)法在定時器產(chǎn)生時間內(nèi)計(jì)算出輪速。有些單片機(jī)本身內(nèi)部集成了碼盤測量模塊，可以利用集成模塊得到的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)3和4的數(shù)據(jù)做對比，從而做到舉一反三。

2.2綜合實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

綜合實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容是學(xué)生能夠把基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合起來，實(shí)現(xiàn)一定功能的實(shí)驗(yàn)綜合體。表2列出的一些題目，可利用嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)來完成。

表1 結(jié)合機(jī)器人技術(shù)嵌入式基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容

表2 結(jié)合機(jī)器人技術(shù)嵌入式綜合教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容

2.3創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

機(jī)器人小車和嵌入式系統(tǒng)課程結(jié)合最高的實(shí)踐教學(xué)層次，主要從兩個方面開展創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容：

(1) 學(xué)生以基礎(chǔ)教學(xué)和綜合教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，提出各種創(chuàng)新的方法控制小車得到更好的效果。例如可以采用自適應(yīng)PID控制方法使小車運(yùn)行更加穩(wěn)定；利用擴(kuò)展卡爾曼濾波、自適應(yīng)卡爾曼濾波或粒子濾波，使機(jī)器人小車方向測量更加準(zhǔn)確；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)甚至深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練機(jī)器人小車的模糊邏輯，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的方向控制。

(2) 在本平臺上添加模塊擴(kuò)展機(jī)器人小車的功能從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。如可以在機(jī)器人小車上安裝超聲波 模塊并可實(shí)現(xiàn)避障；還可以在小車上安裝圖像模塊實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位等。還可以把機(jī)器人小車控制平臺和上層智能終端進(jìn)行通信，如手機(jī)等，從而實(shí)現(xiàn)智能小車系統(tǒng)，可借助訊飛語音語義平臺實(shí)現(xiàn)自然語言控制；也可以利用手機(jī)上的攝像頭并借OpenCV庫實(shí)現(xiàn)人臉追蹤等有趣的模式識別和機(jī)器人識別功能。從而提高學(xué)生對整個嵌入式系統(tǒng)的興趣，并且能明白嵌入式系統(tǒng)是智能硬件的載體。

3 結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

由于目前各高?，F(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，都不是現(xiàn)有的，因此需考慮如何對結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的特點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)施工作。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方法也可以根據(jù)內(nèi)容按照3個層次進(jìn)行。

3.1基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

針對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行改進(jìn)為主，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可購買電動機(jī)、光電碼盤、姿態(tài)傳感器MPU6050模塊和串口WiFi模塊等(其他接口一般實(shí)驗(yàn)平臺已包括)，并連接到實(shí)驗(yàn)平臺接口實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在教學(xué)過程中，描述機(jī)器人小車的嵌入式平臺，并對應(yīng)到所用的實(shí)驗(yàn)平臺，使學(xué)生在用實(shí)驗(yàn)平臺做實(shí)驗(yàn)的時候可對應(yīng)到機(jī)器人小車各功能模塊。

3.2綜合實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

可動員對嵌入式擅長的學(xué)生開發(fā)出針對機(jī)器人小車基本控制平臺，或通過在網(wǎng)上較為容易的采購到通用的小車底盤和控制板，并結(jié)合綜合教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，使學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)或各高校的學(xué)生項(xiàng)目完成綜合實(shí)踐教學(xué)，從而使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個完整機(jī)器人小車平臺，并激發(fā)學(xué)生下一步研究開發(fā)的熱情。此過程可通過課程設(shè)計(jì)或高校的學(xué)生研究計(jì)劃具體實(shí)施，交由各興趣小組, 模擬項(xiàng)目的形式實(shí)踐開發(fā)。

3.3創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

從綜合實(shí)踐教學(xué)實(shí)踐效果較好，并對嵌入式感興趣的同學(xué)中，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，去參加全國大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和全國挑戰(zhàn)杯大賽，在此過程中機(jī)器人小車提供一個很好的展示平臺，同時有助于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，同時在項(xiàng)目評審過程中對自己的方法進(jìn)行不斷的改進(jìn)。

很多嵌入式芯片公司也舉辦針對機(jī)器人小車平臺的嵌入式設(shè)計(jì)大賽，也可以鼓勵學(xué)生去參加，從而在過程中激發(fā)創(chuàng)新思維，并且通過和其他選手專家交流完善自己的方法，有助于實(shí)用化。

3.4實(shí)施初步效果

通過結(jié)合機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐的模式, 拓展了學(xué)習(xí)內(nèi)容,并學(xué)以致用, 進(jìn)一步提高了學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)了合作精神,還起到了“以點(diǎn)帶面”的效應(yīng), 切實(shí)拓展了知識面和動手能力。

此外,結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和嵌入式平臺，學(xué)生通過開發(fā)智能機(jī)器人小車方面的創(chuàng)新點(diǎn)已拿到大學(xué)生國家創(chuàng)新項(xiàng)目，并在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中, 每年都設(shè)計(jì)了2～3個結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題。經(jīng)過兩屆的實(shí)踐證明, 選擇該類課題的畢業(yè)生知識面更廣, 就業(yè)面更寬。

4 結(jié) 語

通過把機(jī)器人技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)平臺、課程設(shè)計(jì)平臺和創(chuàng)新平臺，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的熱情。同時在機(jī)器人平臺上也集成各種創(chuàng)新應(yīng)用，有助于學(xué)生在通過嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人一些功能模塊的同時結(jié)合新的想法開發(fā)出新的智能終端設(shè)備，并可進(jìn)行實(shí)物演示。目前已在教學(xué)實(shí)踐和指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新活動中獲得較好的效果。

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·名人名言·

我們不能人云亦云，這不是科學(xué)精神，科學(xué)精神最重要的就是創(chuàng)新。

——錢學(xué)森

EmbeddedSystemPracticeTeachingMethodBasedonRobotics

BISheng，DONGMin，XIANJin，ZHANGQi，MEIDenghua

(School of Computer Science & Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Embedded system is very important in computer science course, how to improve the teaching quality of the embedded system is critical. Robotics is a research hotspot recently, it is easy to stimulate students’ interest in learning. Embedded system practice teaching methods based on robotics is proposed in this paper. And the content and implementation plan for the methods are built from three levels: basic practice, comprehensive practice and innovation practice. It is helpful to improve students’ learning interest and quality for embedded system course.

embedded system; robot technology experiment platform; practice teaching research

G 424.31

A

1006-7167(2017)09-0167-03

2016-11-03

2016年教育部與ARM公司產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目(嵌入式系統(tǒng)，201602007004);2015年教育部與Google公司產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項(xiàng)目(ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與程序);華南理工大學(xué)“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目(結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)課程探索性實(shí)驗(yàn)研究)

畢 盛(1978-)，男，甘肅天水人，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)教學(xué)工作，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人。Tel.:13450229759; E-mail: picy@scut.edu.cn