在计算机教学中引入智能机器人教学平台的研究

摘　要：本课题主要研究探讨在计算机教学中引入智能机器人教学平台的教学方案和经验。简单介绍了一种用于教学的巡线机器人开发的方法。并对智能机器人在计算机程序设计教学中的作用进行了研究和讨论。

关键词：机器人；计算机；教学
1、引言
　　随着制造业和信息产业的迅速发展，机器人已在军事、工业生产、救灾、探险、医疗和教育等众多领域内开始使用。未来机器人将在我们生活的各个方面扮演重要的角色，并大大提高人们的生活水平和质量。机器人的研究开发离不开计算机技术的应用，计算机是机器人的“大脑”，决定着机器人的智能水平，因此，在计算机的教学中，可以引入机器人来促进相关技术和知识的学习。基于这种理念，本人组织研发团队开发了一个智能机器人教学平台，在我校开展面向大学生的智能机器人教学研究，以提高我校学生的计算机应用水平，并为培养出复合型创新性人才做出了一些探索。
2、计算机程序设计教学现状
　　目前，国内外高校对计算机技术教学都比较重视，在所有高校的理工科大学生中都开展了计算机程序设计教学，程序设计课程在培养学生的逻辑思维能力和计算机应用能力方面取得了比较好的效果。但是，反思目前程序设计教学中存在的问题是必要的。由于大多数教学方案都是把重点放在程序设计语言与语法上，忽视程序设计的实际应用。在教学过程中，学生看不到具体的应用效果与价值，从而使得很多优秀的学生在学完计算机程序设计课程之后，还是不知道怎样开展应用研究。
　　对于初学程序设计的大学生来说兴趣是学习的动力，传统的程序设计教学表现媒介一般有字符和图形两种，特别是C语言程序的教学，大部分教师采用的是字符的展现形式，初学者很难看到程序设计的应用效果，体验成功的乐趣。引入智能机器人平台开展计算机技术教学，使得程序转化为机器人的思维和能力，学生在编写完程序后，可以马上看到效果，这将彻底改变目前的这种教学状态。
　　目前，国内外有很多大学和科研机构及公司开发了各种各样的教学机器人，有的是面向中小学信息教育的，一般是图形化开发工具，学生学不到真正的机器人开发中必要的程序设计知识；有的是用专用的机器人开发套件，需要学习专门的技术才能掌握机器人的开发，不适合普及教育。而专门针对一般理工类大学生的程序设计教学的机器人比较少见，本项目中研究开发的智能机器人平台主要用于高校计算机程序设计教学中，研究开发紧密结合教学实际，研究目标明确，是一种创新性的应用研究。
3、巡线机器人开发方案
　　尽管智能机器人可以有各种各样的外表，但是，它们都有共同的特征，智能机器人拥有一个“大脑”，能够像人类一样进行“思考”，其核心是一台嵌入到机器人上的计算机。目前，智能机器人还没有一个统一的定义，大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，用来认识外部环境状态；二是运动要素，对外界环境做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，计算出采用什么样的动作。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，它可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务[1]。
　　在辅导学生参加全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛的过程中，本人经过总结和完善，设计出了一个可适合于不同层次教学的巡线机器人教学方案。在该教学方案中有使用激光传感器和电磁传感器的两种巡线机器人，可以自动识别专门制作的道路自由驾驶。本教学方案中开发的巡线机器人是一种自主型智能机器人，这种自主型机器人具有感知、处理、决策和执行等模块，可以像一个自主的人一样独立地活动和处理问题，硬件上，这种具有一定智能的机器人需要有多种传感器，功能强大的计算机和灵活精确的驱动系统[2]。
　　巡线机器人采用结构化设计，硬件和软件模块都按一定的规则定义好接口，使得初学者可以快速入门学习机器人的开发。巡线机器人系统结构可分为硬件和软件两大模块，如图 1所示。
　　
　　
　　图 1 巡线机器人系统结构
　　在硬件设计方面，机器人的硬件实现模块化设计，学生可以选择不同的传感器模块组装不同类型的机器人，对于电子类专业的学生，也可以由学生设计开发新的硬件模块。软件设计方面，在该机器人平台上，编写程序将有关的微控制器硬件接口封装，降低学生学习程序设计的难度。
　　采用激光传感器的巡线机器人通过光学反射原理来检测识别道路，是一种视觉导航机器人[3]。激光传感器发射管发射一定波长的激光，经地面反射到接收管。由于在黑色和白色道路上反射系数不同，黑色区域反色回的光线很少，而白色区域反射回足够强的光线，接收管接收到的反射光强度不同，使得接收管两端输出电压不同，从而可以将黑白路面区分开来，使得机器人可以识别贴有黑色引导线的白色道路。
　　采用电磁传感器的巡线机器人，能够识别道路中特定频率的磁场。在道路引导线上（漆包线）通上一定频率的的脉冲信号，导线中有变化的电流流过，从而在道路的周围产生变化的磁场。电磁传感器道路识别模块能够探测到这个变化的磁场，并将探测到的信号转化为数字信号。
　　电源管理模块为整个系统各个模块提供所需要的电源，主要包含电机驱动电源、控制计算机供电电源、传感器驱动电源等模块。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。在设计电源模块时标注好各个模块连接线的功能和名称，以方便组装和调试机器人。
　　巡线机器人实时测量出自己的运行速度，才能实现闭环控制，达到精确的控制目的。测速传感器一般可选成本比较低的霍尔传感器和价格比较高的光电编码器，霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，价格低廉但一般精度比较低。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，其精度相对比较高，但价格也比较贵。在教学中，可由学生根据实际的精度要求来选定测速传感器。
　　舵机用来控制巡线机器人的左右运动方向，直流电机用来驱动巡线机器人，控制前后运动，这两种电机都可通过PWM脉宽调制信号的占空比来控制，一般的嵌入式计算机都具有输出PWM脉宽调制信号的功能，所以比较容易得到电机控制信号。巡线机器人的舵机和驱动电机采用经典的PID控制算法。用函数封装好PWM脉宽调制信号产生代码和PID控制算法 的基本代码，学习的学生只要简单理解算法的思想和和函数参数的意义，便可参与巡线机器人控制程序的编写。
4、分层教学方法研究
　　智能机器人的开发有一定的难度，涉及机械、电子、自动控制、计算机和传感器等许多专业知识，一般需要组建跨学科的开发团队来进行综合的开发。对于不同专业和学习能力的学生，需要有不同的教学方法因材施教。
　　通过在计算机基础、计算机程序设计、嵌入式开发和智能汽车竞赛培训等课程的教学实践活动中，研究并总结出分层次教学方案。即在计算机教学中按三个不同层次，引入智能机器人教学的一系列创新性方法：
　　第一个层次，面向所有专业的学生，在大学一年级计算机概论课时，讲解机器人原理，以及机器人与计算机技术的关系，通过视频或现场演示机器人，提高学生对学习计算机和机器人等科学研究的兴趣。并在相关学生科技活动中，演示原理简单的巡线机器人，讲解开发原理，激发学生对计算机技术的学习兴趣。由于所面向的学生既有理工科的也有文科的，每个人的知识结构差异非常大，所以教学的重点在于讲解机器人与计算机的关系，使得他们了解机器人技术和计算机技术的基本原理。
　　第二个层次，在计算机程序设计课程中，主要是《C程序设计》与《单片机和嵌入式系统开发》等课程中，设计一系列机器人编程开发实验，学生在实验课时可选择一种实验，体验开发机器人的乐趣，加深学生对计算机技术的深入理解和体验。学生在实验中有更多和教师交流的机会，学习更加主动，并可以将自己的作品与同学进行交流比较。从而，吸引一批优秀的学生加入到机器人开发的教学和实验项目中来。
　　第三个层次，组织学生参加相关的大学生机器人竞赛，近年来，机器人竞赛的教育价值逐渐得到人们的认可和重视，机器人竞赛对学生的科学认识，科学探究以及科学态度都有积极的影响[4]。目前，已面向全校理工科学生，跨学科组建全国大学生智能汽车竞赛团队，在竞赛培训过程中，组织学生开发智能车（巡线机器人）的硬件和软件模块，提高他们的计算机嵌入式系统开发能力。这部分优秀的学生可以培养成具有扎实的自动化、电子和计算机等项目开发能力的复合型人才。
5、结束语
　　本文对在计算机教学中引入智能机器人的教学方法进行了探讨和描述，在计算机程序设计课程中，用机器人来展现程序设计的魅力，取得了比较好的教学效果。同时，吸引一大批优秀的学生参与到相关项目开发和竞赛中，机器人的制作与竞赛涵盖了电子、计算机、控制、模式识别、传感技术、电气及机械等多个学科，对培养学生的综合工程开发能力、创新精神、实践动手能力及团结协作精神均具有良好的促进作用。本教学项目的研究和实施，为培养有创新能力的复合型人才探索出了一条可行的道路。
参考文献：
[1] 胡莲君,宋弘.移动智能机器人避障规划研究[J].四川理工学院学报,2008, 21(4):88-89.
[2] 朱孟强,卢博有等.基于ARM的智能机器人小车控制系统设计[J]. 微计算机信息，2008,24(5).
[3] 刘海涛，关胜晓等.智能机器人视觉导航系统的研究[J].计算机应用与软件，2010,27(12):210-212.
[4] 张国民,张剑平.课程视角下的机器人竞赛辅导研究[J].中国电化教育,2008,262:92-94.