祝學云,況迎輝,楊海波

(東南大學儀器科學與工程學院,江蘇南京 210096)

0 引言

研討班(Seminar),采用教與學雙向交流的模式,教師和學生在互動式的教學中,能夠共同學習、研究和提高[1]。

“基于LM3S615的電腦鼠實踐”課程結合研討班課程的教學理念,采用理論教學和實踐教學相結合、研討教學和自主研學相結合的形式開展教學,將課程重點放在實踐教學和自主研學環(huán)節(jié)上。該課時的理論教學和研討教學10學時,實踐教學和自主研學20學時,另外用于優(yōu)秀學員的評比2學時。

基于LM3S615的電腦鼠MicroMouse615采用美國德州儀器公司StellarisTM系列的CortexTMM3內核的LM3S615作為微控制器[2],以小車機器人為載體,囊括了檢測技術、信號處理、電機控制和人工智能等多種技術。借鑒國際電腦鼠大賽的規(guī)則,本課程提供規(guī)格符合IEEE國際標準的比賽迷宮作為課程實踐的平臺[3],使課程的考核有一個統(tǒng)一、規(guī)范標準的同時,也增加了課程的趣味性。

為了配合教學的開展,學生兩人一組開展教學和實踐,但以個人為單位進行考核。

1 理論教學和研討教學

理論課要求學生了解電腦鼠的組成模塊和設計方法,研討課的重點放在學生的討論上,鼓勵學生發(fā)表自己的見解。

1)課程緒論(2個課時)

內容包括發(fā)展歷史、比賽規(guī)則、硬件簡介和開發(fā)工具簡介IAR Embedded Workbench for ARM(簡稱 IAR EWARM)等。

2)基礎實驗研討教學(2個課時)

內容包括EX BOARD模塊的使用、紅外線傳感器測距、步進電機控制和電池電壓檢測等。

EX BOARD模塊的控制芯片為ZLG7289B,它提供了SPI接口和鍵盤中斷信號,方便與處理器連接,可驅動8位共陰數碼管(或64只獨立LED)和64個按鍵。

MicroMouse615上共有5組(發(fā)射與接收)一體化的紅外線傳感器感和兩個兩相四線制的步進電機。步進電機驅動芯片為BA6845,包含兩個獨立的H橋電路。MicroMouse615使用7.4V的鋰電池組供電。由于步進電機比較耗電,如果電量不足就有失步的可能性。本系統(tǒng)使用LM3S615內部的A/D模塊檢測電池電壓,該模塊是自帶參考電壓的10bit A/D轉換器,其參考電壓值為3V。

3)高級實驗研討教學(2個課時)

內容包括步進電機勻加減速控制、姿態(tài)修正走直線和無記憶功能走迷宮等。

電機以恒定的加速度加速到指定的轉速,其后勻速運行。當快要到達指定的停止位置時,再以恒定的減速度減速,在停止位置處停住。

電腦鼠要在前進的過程中不斷調整姿勢,以免碰到擋板。MicroMouse615使用5組紅外傳感器檢測左、前、右三個方向的擋板,提供修正電腦鼠姿勢的信息。

無記憶功能走迷宮主要是在姿勢修正走直線基礎上,增加電腦鼠轉彎的功能。轉彎包括左轉90度、右轉90度和后轉180度三種模式。

4)綜合實驗研討教學(4個課時)

內容包括迷宮坐標建立、相對方向和絕對方向的轉換和迷宮搜索方法等走迷宮的智能算法。

(1)迷宮坐標建立

迷宮的行和列各有16個方格。為了讓電腦鼠記住所走過的路徑信息,我們要對這256個迷宮格進行編號建立坐標,如圖1所示[3]。

電腦鼠的起點可能在(0,0)點,也可能在(F,0)點。終點可能在電腦鼠的右前方,也可能在電腦鼠的左前方。這個可以根據電腦鼠第一次檢測到的轉彎口是在左方還是右方判斷出來。如果電腦鼠是從(0,0)點出發(fā),那么它第一個檢測到的拐彎口是在它的右邊,如果電腦鼠是從(0,F)出發(fā)的,那么它第一個檢測到的拐彎口在它的左邊。

圖1 迷宮格與坐標對應關系

(2)相對方向和絕對方向的轉換

相對方向是以電腦鼠當前行走方向為參照的方向,絕對方向是以迷宮坐標為參照的方向。顯然,我們要能實現(xiàn)相對方向與絕對方向的互換,才能指揮電腦鼠到達目的地。相對方向與絕對方向的互換,是采用向量計算的方法實現(xiàn)的。

(3)迷宮搜索方法

電腦鼠工作有兩種策略:一是盡快到達目的地;二是搜索整個迷宮尋找最優(yōu)路徑。

第一種方式雖然可以縮短探索迷宮所需的時間,但面對不同的迷宮,將無法預料最后的結果。第二種方法可以得到整個迷宮的地圖資料,這樣就可以求出最優(yōu)路徑,但所用的搜索時間較長。迷宮搜索主要有右手法則、左手法則和求心法則。

2 實踐教學和自主研學

通過理論教學和研討教學,學生基本消除了電腦鼠課程理論上的障礙,具備了開展實踐教學和自主研學的條件。

實踐課程為20個課時,提供符合IEEE國際標準的比賽迷宮和電腦鼠,采取自主實踐和交流學習的方式,由學生現(xiàn)場驗證,逐步完善自己的設計。

實踐內容分為基礎實驗、高級實驗和綜合實驗。

1)基礎實驗包括EX BOARD使用、紅外線傳感器測距、步進電機控制和電池電壓檢測。

2)高級實驗包括步進電機勻加減速控制、姿勢修正走直線和無記憶功能走迷宮。

3)綜合實驗為最優(yōu)路徑方式走迷宮。

如果要完成全部實驗,20個課時實踐時間是遠遠不夠的,本課程鼓勵學生開展課外自主研學。

3 課程教學質量保障

本課程為2個學分的研討班課程,其考核方法課程成績計算如下:理論課和研討課(20%),基礎實驗(20%),高級實驗(20%),綜合實驗(20%)和研究報告(20%)。最后我們將考核方法在開課時向學生公布。

本課程的最后2個課時,用于組織優(yōu)秀學生開展同場考核和評比,鼓勵特色和創(chuàng)新。對一些有特色、有想法和有突出表現(xiàn)的小組給予加分。

通過本課程的訓練,學生對測控技術專業(yè)主干課程的相關知識進行了整合和提高,在培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和探索精神等方面有明顯的效果[4]。

[1] 陳曉端,馬啟民.Seminar教學法:由來、結構與功能[J].深圳:現(xiàn)代教育研究雜志,2003.06

[2] LM3S615微處理器.www.ti.com.cn

[3] MicroM ouse615電腦鼠.www.zlgmcu.com

[4] 況迎輝,祝學云,陳建元.現(xiàn)代測控技術創(chuàng)新實踐平臺建設的探索與實踐[J].北京:實驗技術與管理,2009.12