基于智能機(jī)器人案例開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的研究

劉寶靜　劉欣欣　邢丹　崔榮梅

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)；實(shí)踐教學(xué)

一、設(shè)計(jì)網(wǎng)球撿球智能機(jī)器人的意義

工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部等十五部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。該規(guī)劃提出，到 2025 年，我國(guó)將成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地[1]。網(wǎng)球雖起源于法國(guó)，但在中國(guó)，隨著網(wǎng)球一姐李娜的帶領(lǐng)下，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)也迅速發(fā)展起來(lái)，越來(lái)越多的人開(kāi)始投入其中。網(wǎng)球場(chǎng)長(zhǎng)23.77 米、寬8.23 米。打完球后，網(wǎng)球散落一地，必須得將其撿起來(lái)，這不僅浪費(fèi)時(shí)間，也降低了訓(xùn)練的樂(lè)趣。在專業(yè)的網(wǎng)球比賽中，需要六個(gè)球童負(fù)責(zé)撿球。而網(wǎng)球撿球智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是代替這些球童完成撿球工作。

基于網(wǎng)球撿球智能機(jī)器人案例，開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)，集科技、體育、趣味、創(chuàng)新于一身，是打造應(yīng)用型創(chuàng)新本科教育的重要發(fā)展方向。

二、網(wǎng)球撿球機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析

網(wǎng)球撿球智能機(jī)器人模仿球童的工作，主要完成三個(gè)任務(wù)，即“發(fā)現(xiàn)網(wǎng)球”“跑到網(wǎng)球位置”“撿起網(wǎng)球”。機(jī)器人的“識(shí)別系統(tǒng)”相當(dāng)于人的“眼睛”，需要在網(wǎng)球場(chǎng)特定區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別出網(wǎng)球，并分析出網(wǎng)球中心點(diǎn)的坐標(biāo)，然后把此坐標(biāo)發(fā)送給機(jī)器人的“大腦”進(jìn)行下一步處理。當(dāng)機(jī)器人“大腦”收到“眼睛”發(fā)送的網(wǎng)球坐標(biāo)后，發(fā)出相關(guān)指令控制“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”（相當(dāng)于人的“腳”）向目標(biāo)位置跑去。當(dāng)機(jī)器人“跑”到網(wǎng)球所在位置時(shí)，“大腦”發(fā)出指令控制“抓取系統(tǒng)”（相當(dāng)于人的“手”）抓住網(wǎng)球，完成一個(gè)撿球任務(wù)。

綜上所述，網(wǎng)球撿球智能機(jī)器人主要由三部分組成，即“識(shí)別系統(tǒng)”“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”和“抓取系統(tǒng)”。這三部分由“大腦”進(jìn)行信息收集和命令控制。

（一）機(jī)器人“識(shí)別系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)思路及課程規(guī)劃

1. 主要任務(wù)

機(jī)器人的“識(shí)別系統(tǒng)”主要依賴于攝像頭技術(shù)，需要完成多個(gè)任務(wù)：首先，在視野中通過(guò)顏色、大小、特征值等多種方式確定網(wǎng)球目標(biāo)。如果有和網(wǎng)球顏色相近的物體存在，則通過(guò)算法來(lái)識(shí)別網(wǎng)球。如果視野中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)球，則發(fā)出指令讓機(jī)器人原地轉(zhuǎn)圈，使得攝像頭的視野發(fā)生變化后，繼續(xù)尋找網(wǎng)球。其次，當(dāng)視野中發(fā)現(xiàn)有多個(gè)網(wǎng)球時(shí)，必須通過(guò)算法確定抓網(wǎng)球的順序。最后，它能夠發(fā)出指令讓機(jī)器人向著指定方向移動(dòng)。圖1顯示了通過(guò)攝像頭識(shí)別網(wǎng)球的示例。

2. 市場(chǎng)技術(shù)分析

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，有幾種較為成熟的主流攝像頭技術(shù)，包括OpenMV、OpenCV、K210 和V831。

OpenMV 攝像頭是一款可編程單片機(jī)攝像頭，具有圖像處理功能，它的核心CPU 是STM32H743 ARMCortex M7 處理器。該攝像頭通過(guò)MicroPython 語(yǔ)言編程，內(nèi)置了一些圖像處理算法，使用方便，但不支持比較復(fù)雜的算法，如OCR 識(shí)別、車牌識(shí)別、貓狗分類等。

OpenCV 是一個(gè)跨平臺(tái)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件庫(kù)，高效輕量，由一系列C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB 等語(yǔ)言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法[2]，支持各類復(fù)雜算法，比如OCR 識(shí)別、車牌識(shí)別、貓狗分類、深度學(xué)習(xí)等，但硬件成本較高，需要基于樹(shù)莓派或Linux 平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

K210 是一款具有64 位雙核、硬件FPU、卷積加速器、FFT、Sha256 的RISC-V CPU 處理器。其成本相對(duì)較低，支持部分復(fù)雜算法，比如OCR 識(shí)別、車牌識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等，但基礎(chǔ)庫(kù)不如OpenMV 豐富。

V831 是基于linux CPython 實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)統(tǒng)一的簡(jiǎn)化Linux 嵌入式設(shè)備。它支持復(fù)雜算法，成本比OpenCV更低，但需要在Linux 環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3. 在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的課程規(guī)劃

機(jī)器人“識(shí)別系統(tǒng)”涉及到多個(gè)方面的知識(shí)和技術(shù)，包括Python 語(yǔ)言編程、圖形圖像知識(shí)、linux 操作系統(tǒng)、人工智能算法原理等。對(duì)應(yīng)課程包括《傳感器原理及應(yīng)用》《Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)》《linux 操作系統(tǒng)》《視覺(jué)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用》《人工智能圖像算法》等。

機(jī)器人“識(shí)別系統(tǒng)”是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的課程，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和編程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并能夠?qū)⒍鄠€(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)相互融合，形成完整的機(jī)器人識(shí)別系統(tǒng)。

（二）網(wǎng)球撿球機(jī)器人“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)思路及課程規(guī)劃

1. 主要任務(wù)

機(jī)器人的“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”（相當(dāng)于人的“腳”），主要由各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)完成。機(jī)器人收到攝像頭發(fā)來(lái)的網(wǎng)球目標(biāo)坐標(biāo)后，執(zhí)行前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)圈等動(dòng)作。四輪機(jī)器人的車輪如圖2 所示。

2. 市場(chǎng)技術(shù)分析

控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，可以選擇多重驅(qū)動(dòng)方式，如直流電機(jī)、減速電機(jī)等。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的車輪可以采用橡膠輪、履帶式、麥克納姆輪等方式。為保證車輪的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，可以使用PID 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)車速的自動(dòng)控制，同時(shí)也可以通過(guò)陀螺儀等角度傳感器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)度的控制。

直流電機(jī)動(dòng)力較小，控速精準(zhǔn)度低，但優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，編程容易。如果選擇減速電機(jī)，在機(jī)器人行駛過(guò)程中，CPU 實(shí)時(shí)接收減速電機(jī)編碼器的脈沖數(shù)值，并通過(guò)此數(shù)據(jù)進(jìn)行左右矯正。機(jī)器人行走距離可以用下面這個(gè)公式計(jì)算：行駛距離= 脈沖數(shù)/ 倍頻數(shù)/ 編碼器線數(shù)/減速比* 車輪周長(zhǎng)。機(jī)器人行走速度可以通過(guò)PID 進(jìn)行閉環(huán)控制矯正，PID 控制原理圖如圖3 所示。

3. 在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的課程規(guī)劃

在機(jī)器人“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”中，需要掌握各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的知識(shí)和技術(shù)，包括直流電機(jī)、減速電機(jī)、PID 自動(dòng)控制、陀螺儀角度傳感器等方面。對(duì)應(yīng)課程主要包括《單片機(jī)原理及應(yīng)用》《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》《自動(dòng)控制技術(shù)原理及應(yīng)用》《嵌入式網(wǎng)關(guān)及控制技術(shù)》等。

（三）機(jī)器人“抓取系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)思路及課程規(guī)劃

1. 主要任務(wù)

網(wǎng)球撿球機(jī)器人的“手”需要有高度靈活性和足夠的扭矩和承載能力才能完成抓球工作。手臂需要實(shí)現(xiàn)肩、肘、腕和手的復(fù)雜轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)向范圍不同，機(jī)械爪需要能夠張開(kāi)、抓取和釋放。該機(jī)器人的5 自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖4 所示，并且多個(gè)單獨(dú)關(guān)節(jié)之間需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜聯(lián)動(dòng)。

2. 市場(chǎng)技術(shù)分析

機(jī)器人的機(jī)械臂及機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)聯(lián)動(dòng)多個(gè)舵機(jī)來(lái)控制。舵機(jī)是一種適用于需要角度不斷變化并可以保持穩(wěn)定的控制系統(tǒng)的位置（角度）伺服驅(qū)動(dòng)器。舵機(jī)主要分為數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生20ms 周期、1.5ms 寬度的基準(zhǔn)信號(hào)，并通過(guò)比較直流偏置電壓與電壓器的電壓來(lái)獲得輸出電壓差。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

3. 在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的課程規(guī)劃

在機(jī)器人“抓取系統(tǒng)”方面，主要知識(shí)包括數(shù)字舵機(jī)、模擬舵機(jī)、PID 自動(dòng)控制、舵機(jī)聯(lián)動(dòng)算法等，對(duì)應(yīng)課程主要包括《單片機(jī)原理及應(yīng)用》《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》《自動(dòng)控制技術(shù)原理及應(yīng)用》《嵌入式網(wǎng)關(guān)及控制技術(shù)》等。

（四）網(wǎng)球撿球機(jī)器人“大腦-CPU”的設(shè)計(jì)思路及課程規(guī)劃

對(duì)各種信息進(jìn)行處理需要CPU 來(lái)完成，智能機(jī)器人的CPU 一般采用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成，市場(chǎng)主要技術(shù)包括C51、STM32、LinuxA7 等不同檔次的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)課程主要包括《單片機(jī)原理及應(yīng)用》《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》《自動(dòng)控制技術(shù)原理及應(yīng)用》《嵌入式網(wǎng)關(guān)及控制技術(shù)》《嵌入式操作系統(tǒng)》等。

三、網(wǎng)球撿球機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析及課程規(guī)劃

作為一個(gè)網(wǎng)球撿球機(jī)器人，它通過(guò)“眼睛看”“跑過(guò)去”“撿起來(lái)”等動(dòng)作，完成了代替球童撿球的主要工作。但是對(duì)于球場(chǎng)管理者來(lái)說(shuō)，他們希望能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解球場(chǎng)的撿球數(shù)量，并能夠遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的開(kāi)關(guān)等功能，因此，該球場(chǎng)系統(tǒng)需要增加網(wǎng)球的“存儲(chǔ)管理”“遠(yuǎn)程控制”等功能。

（一）存儲(chǔ)管理功能的設(shè)計(jì)思路及課程規(guī)劃

機(jī)器人的存儲(chǔ)管理功能主要由物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)、信息安全技術(shù)等多種技術(shù)共同完成。

本系統(tǒng)需要通過(guò)無(wú)線技術(shù)遠(yuǎn)程發(fā)送給球場(chǎng)管理者，因此本案例數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)主要指云存儲(chǔ)技術(shù)。云存儲(chǔ)主要包括華為云、騰訊云、電信云等，分為IaaS、PaaS、SaaS 等不同方式，基礎(chǔ)設(shè)施在最下端、平臺(tái)在中間、軟件在頂端。對(duì)應(yīng)課程主要包括《TCP/IP 技術(shù)及應(yīng)用》《數(shù)據(jù)庫(kù)原理及應(yīng)用》《網(wǎng)絡(luò)信息安全》《云計(jì)算與虛擬化》等。

（二）遠(yuǎn)程控制功能的設(shè)計(jì)思路及課程規(guī)劃

機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制功能主要由物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)等多種技術(shù)共同完成。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可以分為近距離傳輸和遠(yuǎn)距離傳輸兩種方式。近距離傳輸方式主要有紅外、藍(lán)牙、WiFi、UWB、ZIGBEE 等，信號(hào)覆蓋范圍則一般在幾十厘米到幾百米之間；遠(yuǎn)距離傳輸方式主要有NBIOT、MQTT、LoRa 等，信號(hào)覆蓋范圍一般在幾公里到幾十公里之間。對(duì)應(yīng)課程主要包括《TCP/IP 技術(shù)及應(yīng)用》《傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用》《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)訓(xùn)》等。

球場(chǎng)管理者的操作平臺(tái)可以是基于微信小程序的移動(dòng)端，也可以是基于linuxQT 開(kāi)發(fā)的嵌入式平臺(tái)。云端數(shù)據(jù)與微信小程序之間，通過(guò)HTTP 協(xié)議接口、POST方式發(fā)送操作指令、GET 方式獲取云端數(shù)據(jù)。相關(guān)課程包括《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的微信小程序設(shè)計(jì)》等。基于LinuxQT 的嵌入式平臺(tái)，則需要學(xué)習(xí)Linux 系統(tǒng)、C++編程語(yǔ)言、QT 開(kāi)發(fā)接口、圖形化應(yīng)用層設(shè)計(jì)等。相關(guān)課程包括《網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)及應(yīng)用》《嵌入式網(wǎng)關(guān)及控制技術(shù)》《嵌入式操作系統(tǒng)》等。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于網(wǎng)球撿球智能機(jī)器人案例，開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)，將科技、體育、趣味和創(chuàng)新融合為一體，徹底改變了現(xiàn)有實(shí)踐項(xiàng)目的零散現(xiàn)象。在技術(shù)、思想和素質(zhì)上符合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)能力主線的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了多門實(shí)踐課程之間的關(guān)聯(lián)整合。這種全面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系培養(yǎng)了應(yīng)用型創(chuàng)新人才，迅速推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一流本科建設(shè)發(fā)展之路。

作者單位：劉寶靜 劉欣欣 邢丹 崔榮梅 河北傳媒學(xué)院