结合机器人技术的嵌入式实践教学

毕 盛， 董 敏， 冼 进， 张 齐， 梅登华

(华南理工大学 计算机科学与工程学院，广州 510006)

结合机器人技术的嵌入式实践教学

毕 盛， 董 敏， 冼 进， 张 齐， 梅登华

(华南理工大学 计算机科学与工程学院，广州 510006)

嵌入式系统是计算机学科中十分重要的一门课程，如何提高嵌入式系统课程的教学质量因此也显得的十分关键。机器人技术是当今研究热点，容易激发学生的学习兴趣。通过把机器人技术引入到嵌入式系统实践教学中，从基础实践、综合实践和创新实践3个方面，建立结合机器人技术的嵌入式实践教学内容和实施方案，有助于提高学生学习嵌入式系统课程的兴趣和质量。

嵌入式系统; 机器人技术实验平台; 实践教学研究

0 引 言

嵌入式系统应用十分广泛，各种各样的智能终端核心平台都是基于嵌入式系统来实现的，如手机、机器人等。因此,为了适应社会和行业的广泛需求，全国各高校纷纷开设嵌入式系统课程，嵌入式系统课程一时成为各高校最受欢迎和最热门的课程之一[1-4]。但在施教过程中,很多尤其计算机学科方向的学生对此课程兴趣不大, 主要是不了解这门课程真正用处在哪里[5-7]。虽然也尝试通过实践教学以及和企业合作来提高学生对课程的兴趣[8]，在教学效果有一定的提高，但越来越多的新生代学生需要以兴趣为导向，即通过实现一个有意义的嵌入式实体项目开发过程来吸引他们兴趣，从而有助于学生掌握嵌入式系统课程关键内容。

机器人技术一直是吸引人们眼球的热点，嵌入式技术是机器人技术的核心实现平台[9]，如机器人的控制、传感器数据处理及规划都是在嵌入式平台上来完成的。本文旨在通过机器人技术作为嵌入式系统课程的实验平台、课程设计平台和创新平台，有助于提高学生学习嵌入式系统的热情。

1 嵌入式系统与机器人技术

机器人技术涉及计算机、电子和机械等多个学科，由于其常需要具有移动功能，故对体积和功耗有一定的要求；而嵌入式系统是软硬件可裁剪，以应用为中心，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统[10]。因此，嵌入式平台是机器人实现各种功能的主要平台，两者密切联系。所以开发机器人技术过程中需要大量掌握嵌入式技术的工程师，同理在机器人开发过程中需培养大批嵌入式技术人才。因此，通过把机器人开发过程引入到嵌入式课程体系中，提高嵌入式系统学习过程的针对性，以机器人内容为导向提高学生学习的兴趣，同时也在此过程中培养出机器人开发人才。针对这种思路德国学者托马斯·布劳恩[11]把嵌入式和机器人结合起来出版著作。但该著作主要面向个人并没有建立出相应的实践教学体系。

针对建立嵌入式机器人教学体系问题，由于机器人技术和嵌入式所涉及的技术领域很广，故需要根据嵌入式系统教学的特点，选取出合适的机器人技术内容作为结合点建立出相应的实践教学体系。相对于嵌入式操作系统，传统的嵌入式系统课程需要学生掌握各种常用的嵌入式芯片核心模块、接口和裸机程序开发等知识点[12-14]。因此，本文以一个机器人小车作为载体，为适合教学要求设计小车具有以下功能模块(见图1)。

图1 机器人小车功能模块图

图中，“电动机控制”可控制小车轮速；“电动机速度检测”可通过读取电动机上安装的码盘获得当前电动机速度；“电池电量检测”可通过读取电池电压值获得；“WiFi串口通信”通过串行接口实现WiFi通信；“小车方向检测”通过读取I2C总线接口的6轴姿态传感器数据获得；“LCD显示”通过并行接口实现对TFT LCD显示器控制；“指示灯”通过LED灯表示小车状态；“按钮启动接口”通过实现对按钮状态的读取来启动或停止小车。而作为以裸机开发为主的嵌入式学习要点主要包括：嵌入式芯片架构及核心模块,嵌入式软件编程,通用输入输出接口,外部中断,定时器/计数器,串行通信,模拟数字(ADC)接口,I2C总线等。其中机器人小车各模块与嵌入式各接口模块对应关系如图2所示。

图2 机器人小车模块与嵌入式系统知识点关系图

2 结合机器人技术的嵌入式系统实践教学内容

根据机器人小车模块与嵌入式系统课程学习知识点的关系，从嵌入式系统实践教学的基础性，综合性，实践性和创新性[15]出发，建立基础层、综合层和创新层多层实践教学体系。在实践教学过程中，通过围绕机器人小车开展教学内容，有助于学生对嵌入式系统应用的认识并提高学习热情。在实践教学过程中这3个教学层次由浅入深,不同的实践教学层次对应不同的实验项目,而且组织形式也不同。基础性实践教学主要目的在于熟悉方法。而综合性和创新性实践教学则多是以机器人小车综合应用为主,在于提高综合设计开发能力。这3个层次的教学循序渐进,逐步提高,为进一步的实践开发和毕业设计打下了良好的基础。

2.1基础实践教学内容

把嵌入式系统所要掌握的各知识点和机器人小车各模块结合起来，建立出一整套基础实验内容，主要在嵌入式系统课程教学当中完成，根据大部分学校在嵌入式课程实践教学学时安排，基础实践教学可控制在16学时左右，主要以验证或操作性实验为主，加深对理论知识的理解，以及对机器人小车原理和功能实现知识点学习。要求学生根据实验指导书或实验讲义，并通过查阅参考资料完成整个实验内容。

基础教学实践内容如表1所示。其中，在实验3和实验4分别利用脉冲宽度和脉冲数法在定时器产生时间内计算出轮速。有些单片机本身内部集成了码盘测量模块，可以利用集成模块得到的数据和实验3和4的数据做对比，从而做到举一反三。

2.2综合实践教学内容

综合实践教学内容是学生能够把基础实验内容综合起来，实现一定功能的实验综合体。表2列出的一些题目，可利用嵌入式系统课程设计来完成。

表1 结合机器人技术嵌入式基础教学实践内容

表2 结合机器人技术嵌入式综合教学实践内容

2.3创新实践教学内容

机器人小车和嵌入式系统课程结合最高的实践教学层次，主要从两个方面开展创新教学内容：

(1) 学生以基础教学和综合教学内容为基础，提出各种创新的方法控制小车得到更好的效果。例如可以采用自适应PID控制方法使小车运行更加稳定；利用扩展卡尔曼滤波、自适应卡尔曼滤波或粒子滤波，使机器人小车方向测量更加准确；利用神经网络甚至深度学习训练机器人小车的模糊逻辑，从而实现更准确的方向控制。

(2) 在本平台上添加模块扩展机器人小车的功能从而实现创新。如可以在机器人小车上安装超声波 模块并可实现避障；还可以在小车上安装图像模块实现导航定位等。还可以把机器人小车控制平台和上层智能终端进行通信，如手机等，从而实现智能小车系统，可借助讯飞语音语义平台实现自然语言控制；也可以利用手机上的摄像头并借OpenCV库实现人脸追踪等有趣的模式识别和机器人识别功能。从而提高学生对整个嵌入式系统的兴趣，并且能明白嵌入式系统是智能硬件的载体。

3 结合机器人技术的嵌入式系统实践教学实施

由于目前各高校现有的嵌入式系统教学实验设备，都不是现有的，因此需考虑如何对结合机器人技术的特点对实验内容进行实施工作。根据嵌入式系统实践教学实施方法也可以根据内容按照3个层次进行。

3.1基础实践教学实施

针对基础实验内容，主要对现有的实验教学平台进行改进为主，根据实验内容可购买电动机、光电码盘、姿态传感器MPU6050模块和串口WiFi模块等(其他接口一般实验平台已包括)，并连接到实验平台接口实现各实验内容。在教学过程中，描述机器人小车的嵌入式平台，并对应到所用的实验平台，使学生在用实验平台做实验的时候可对应到机器人小车各功能模块。

3.2综合实践教学实施

可动员对嵌入式擅长的学生开发出针对机器人小车基本控制平台，或通过在网上较为容易的采购到通用的小车底盘和控制板，并结合综合教学实践内容，使学生通过课程设计或各高校的学生项目完成综合实践教学，从而使学生能够设计实现一个完整机器人小车平台，并激发学生下一步研究开发的热情。此过程可通过课程设计或高校的学生研究计划具体实施，交由各兴趣小组, 模拟项目的形式实践开发。

3.3创新实践教学实施

从综合实践教学实践效果较好，并对嵌入式感兴趣的同学中，激发他们的创新思维，去参加全国大学生创新项目和全国挑战杯大赛，在此过程中机器人小车提供一个很好的展示平台，同时有助于激发学生创新思维，同时在项目评审过程中对自己的方法进行不断的改进。

很多嵌入式芯片公司也举办针对机器人小车平台的嵌入式设计大赛，也可以鼓励学生去参加，从而在过程中激发创新思维，并且通过和其他选手专家交流完善自己的方法，有助于实用化。

3.4实施初步效果

通过结合机器人项目实践的模式, 拓展了学习内容,并学以致用, 进一步提高了学习兴趣培养了合作精神,还起到了“以点带面”的效应, 切实拓展了知识面和动手能力。

此外,结合机器人技术和嵌入式平台，学生通过开发智能机器人小车方面的创新点已拿到大学生国家创新项目，并在毕业设计环节中, 每年都设计了2～3个结合机器人技术的嵌入式系统设计课题。经过两届的实践证明, 选择该类课题的毕业生知识面更广, 就业面更宽。

4 结 语

通过把机器人技术作为嵌入式系统课程的实验平台、课程设计平台和创新平台，有助于提高学生学习嵌入式系统的热情。同时在机器人平台上也集成各种创新应用，有助于学生在通过嵌入式技术实现机器人一些功能模块的同时结合新的想法开发出新的智能终端设备，并可进行实物演示。目前已在教学实践和指导学生创新活动中获得较好的效果。

[1] 殷建军,张明武,尹 令.嵌入式系统课程现状分析与对策研究[J].计算机教育,2010(14):114-117.

[2] 孙士明,刘新平,郑秋梅,等.计算机专业嵌入式系统实践教学体系探索[J].实验室研究与探索,2009，28(5):122-125,145.

[3] 韩改宁,张 伟,唐云凯,等.计算机科学与技术专业人才培养模式研究与探讨[J].现代计算机,2016(7):62-64.

[4] 赖晓晨,刘文杰.高校嵌入式实验室建设探索[J].实验室研究与探索，2007，26(6)：52-54,79.

[5] 宋 军,王一雄,徐 锋.面向物联网的嵌入式系统实验教学改革[J].实验室科学,2011，14(1):20-22.

[6] 沈珊瑚,姚茂群.面向实践创新人才培养的嵌入式系统教学研究[J].计算机教育,2016(7):27-30.

[7] 房好帅,朱 杰,陈 宪.嵌入式系统基础课程实践教学改革的探讨[J].北华航天工业学院学报，2016(3):58-60.

[8] 冼 进,贾德良,毕 盛.嵌入式系统实验课的教学改革初探[J].实验室研究与探索，2011，30(8):282-284,288.

[9] 张海涛,方 明,付飞蚺.嵌入式轮式机器人实验平台设计与实现[J].吉林大学学报(信息科学版)，2016(5):670-675.

[10] 黄智伟,邓月明,王 彦.ARM9嵌入式系统设计基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2013.

[11] 托马斯·布劳恩.嵌入式机器人学:基于嵌入式系统的移动机器人设计与应用[M].刘锦涛，辛巧，陈睿，译.西安：西安交通大学出版社,2012.

[12] 谢 玲.高校开放嵌入式实验室的探索[J].计算机教育,2010(7):55-57.

[13] 李春光,谢光前.以项目为导向的嵌入式系统实践教学研究[J].中国电力教育，2014(11):183-184.

[14] 莫 莉,喻洪平,何 欣.单片机课程教学体系改革与实践[J].教育与教学研究，2016(6):105-110.

[15] 孙士明,刘新平,郑秋梅,等.计算机专业嵌入式系统实践教学体系探索[J].实验室研究与探索,2009，28(5)：122-125，145.

·名人名言·

我们不能人云亦云，这不是科学精神，科学精神最重要的就是创新。

——钱学森

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年教育部与ARM公司产学合作项目(嵌入式系统，201602007004);2015年教育部与Google公司产学合作专业综合改革项目(ARM嵌入式系统开发与程序);华南理工大学“探索性实验”教学项目(结合机器人技术的嵌入式系统课程探索性实验研究)

毕 盛(1978-)，男，甘肃天水人，副教授，主要从事嵌入式系统教学工作，研究方向为智能机器人。Tel.:13450229759; E-mail: picy@scut.edu.cn