黃 捷

(1．福建教育學(xué)院，福建 福州 350025；2．北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081；3．格羅寧根大學(xué)數(shù)學(xué)與自然科學(xué)學(xué)院，荷蘭 格羅寧根 9747AG)1

Pioneer 3機(jī)器人在基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性 學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

黃 捷1,2,3

(1．福建教育學(xué)院，福建 福州 350025；2．北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081；3．格羅寧根大學(xué)數(shù)學(xué)與自然科學(xué)學(xué)院，荷蘭 格羅寧根 9747AG)1

文章研究機(jī)器人教育在基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生控制與設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)編程的綜合能力。首先簡(jiǎn)要介紹了Pioneer 3機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)軟件特點(diǎn)，然后以機(jī)器人路徑規(guī)劃及控制這一開放性問題開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，并給出了問題的解決方案。

Pioneer 3機(jī)器人；通用技術(shù)；信息技術(shù)；技術(shù)課程；控制與設(shè)計(jì)

技術(shù)教育是基礎(chǔ)教育中重要的組成部分，“通用技術(shù)”與“信息技術(shù)”構(gòu)成了我國基礎(chǔ)教育階段的技術(shù)課程體系。機(jī)器人控制綜合了控制技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)工程等多方面的知識(shí)，因此教育機(jī)器人是通用技術(shù)和信息技術(shù)研究性學(xué)習(xí)的一個(gè)良好的載體[1]。目前在基礎(chǔ)教育階段機(jī)器人教育中常采用樂高等簡(jiǎn)易機(jī)器人開展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，但是這類機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，更難以稱之為“智能機(jī)器人”。而Pioneer機(jī)器人，作為面向教學(xué)和科研的機(jī)器人研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)廣泛用于全球各大高等院校和研究所。由于Pioneer機(jī)器人平臺(tái)的先進(jìn)性，對(duì)使用者的綜合素質(zhì)有較高的要求，目前我國基礎(chǔ)教育階段的學(xué)校少有采用此平臺(tái)。近幾年，如何開展“研究性學(xué)習(xí)”在我國教育學(xué)界中得到廣泛的討論[2-6]。簡(jiǎn)而言之，作為一種學(xué)習(xí)方式，“研究性學(xué)習(xí)”是指教師或其他指導(dǎo)者不把現(xiàn)成結(jié)論告訴學(xué)生，而是學(xué)生在教師引導(dǎo)下，基于某個(gè)問題框架，自主發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、獲得結(jié)論的過程[3]?！把芯啃詫W(xué)習(xí)”是滲透于多種學(xué)科并且在研究性活動(dòng)之中獲得知識(shí)的一種學(xué)習(xí)方式。

本文研究Pioneer 3機(jī)器人在基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一個(gè)適合基礎(chǔ)教育階段學(xué)生和教師開展研究性活動(dòng)的開放性機(jī)器人控制課題，并給出解決方案。本文主要?jiǎng)?chuàng)新在于：發(fā)揮Pioneer3機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)及平臺(tái)易用性的特點(diǎn)，探索它在基礎(chǔ)教育階段技術(shù)課程的研究性教學(xué)中的應(yīng)用的可行性，以機(jī)器人路徑規(guī)劃及其運(yùn)動(dòng)控制作為主要研究內(nèi)容，使其可作為于通用技術(shù) “控制與設(shè)計(jì)”和信息技術(shù)“程序設(shè)計(jì)”的研究性學(xué)習(xí)載體。

一、教學(xué)目標(biāo)

利用Pioneer3機(jī)器人開展技術(shù)教育研究性學(xué)習(xí)的目標(biāo)是：在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的研究性教學(xué)活動(dòng)中，促進(jìn)學(xué)生掌握控制理論的基本概念、計(jì)算機(jī)編程能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力?！翱刂婆c設(shè)計(jì)”是通用技術(shù)《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中重要的章節(jié)，是學(xué)生認(rèn)識(shí)基本自動(dòng)控制原理的入門內(nèi)容。加強(qiáng)“控制與設(shè)計(jì)”的課程教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，不斷改進(jìn)教學(xué)方案是十分必要的。此外，信息技術(shù)重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的編程的邏輯思維和計(jì)算機(jī)程序代碼的編寫能力。Pioneer3機(jī)器人是上述教學(xué)內(nèi)容良好的研究平臺(tái)。

二、教學(xué)內(nèi)容和開放性問題設(shè)計(jì)

本研究性學(xué)習(xí)以機(jī)器人全區(qū)域覆蓋運(yùn)動(dòng)控制作為內(nèi)容開展研究。首先需要學(xué)習(xí)Pioneer3機(jī)器人平臺(tái)的軟硬件，其次研究單機(jī)器人區(qū)域覆蓋控制問題，然后進(jìn)一步研究多機(jī)器人協(xié)同區(qū)域覆蓋控制。其中，如何使用Pioneer3機(jī)器人軟硬件平臺(tái)作為入門知識(shí)以教師講授為主；機(jī)器人的區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃和控制問題主要以研究性教學(xué)的形式和過程中完成。

(一)學(xué)習(xí)Pioneer3機(jī)器人的硬件平臺(tái)

Pioneer3機(jī)器人是美國ActivMedia公司推出的一款輪式移動(dòng)機(jī)器人，它帶有機(jī)載PC機(jī)，是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)完全自主運(yùn)動(dòng)的智能移動(dòng)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)尺寸為：長50cm、寬49cm、高26cm、重9kg，輪子直徑為21.5cm。先鋒機(jī)器人由以下幾個(gè)主要部件組成：(1)頂板；(2)緊急停車按鈕；(3)用戶控制面板；(4)機(jī)身、鼻部、附件面板；(5)聲納；(6)電動(dòng)機(jī)、車輪、編碼器；(7)電池和電源。[7]除了上述固定的硬件配置之外，每個(gè)Pioneer機(jī)器人都有許多擴(kuò)展組件，包括內(nèi)置硬件支持的聲納、碰撞感知器和提升/鉗子受動(dòng)器，以及傳感器、受動(dòng)器和控制附件的串口和服務(wù)器軟件支持等，例如機(jī)載PC機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)入塢/充電系統(tǒng)、激光測(cè)距、多自由度機(jī)械手臂、平面傾斜相機(jī)等等，還可外接筆記本電腦作為Pioneer機(jī)器人的控制器。

(二)學(xué)習(xí)Pioneer3機(jī)器人的軟件平臺(tái)

控制Pionee3機(jī)器人需要多種軟件配合使用，這部分授課以教師講授的方式為主，通過集中授課的方式講授軟件的基本使用方法，學(xué)生在研究性活動(dòng)過程中再逐步摸索、學(xué)習(xí)和提高。相關(guān)的軟件主要包含微軟Visual Studio.NET編程語言、Mobi leRobots公司的機(jī)器人應(yīng)用接口程序ARIA、ActiveMedia公司的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真軟件MobileSim和地圖繪制軟件Mpper3。

1.Microsof t Visual Studio.NET

Visual Studio.NET是微軟推出一款基于.net架構(gòu)的開發(fā)工具。該架構(gòu)將強(qiáng)大功能與新技術(shù)結(jié)合起來，用于構(gòu)建具有視覺上引人注目的應(yīng)用程序。

2.ARIA

ARIA是Mobi leRobots公司推出的用于先鋒機(jī)器人控制的應(yīng)用程序接口。它提供了到各種智能機(jī)器人系統(tǒng)的可靠客戶端接口，包括機(jī)器人的控制器和附件系統(tǒng)。開發(fā)人員通過ARIA可以有效管理機(jī)器人的高層行為和資源。該軟件具有強(qiáng)大的功能和適應(yīng)性，Pioneer機(jī)器人基本軟件系統(tǒng)都是以ARIA為基礎(chǔ)的。

3.Mobi leSim

MobileSim是ActiveMedia公司Pioneer系列機(jī)器人的仿真軟件，包含了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制模型、聲納和激光傳感器模型、通訊模型，以及周圍環(huán)境模型，可以加載地圖，獲取傳感器數(shù)據(jù)信息，可提供實(shí)際機(jī)器人的絕大多數(shù)功能。用戶編寫的代碼可先在Mobi leSim上運(yùn)行，在Mobi leSim上的仿真結(jié)果與機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的效果是接近的，若調(diào)試成功，再將代碼傳送到機(jī)器人實(shí)物平臺(tái)上做進(jìn)一步的調(diào)試和運(yùn)行。

4.Mapper

Mapper是地圖繪制軟件，可以自動(dòng)生成地圖或者手工繪制地圖。自動(dòng)生成地圖時(shí)，它需要和機(jī)器人平臺(tái)上的激光測(cè)距儀獲取的環(huán)境信息圖。Mobi leSim可以利用Mapper生成的環(huán)境地圖。教師和學(xué)生可以利用Mapper生成虛擬的地圖環(huán)境用于機(jī)器人的模擬控制。

(三)機(jī)器人控制開放性問題的設(shè)計(jì)和解決方案

1.機(jī)器人區(qū)域覆蓋控制問題

研究性學(xué)習(xí)，通常需要開發(fā)一個(gè)主題或者開放性問題為學(xué)習(xí)過程的載體。針對(duì)“控制與設(shè)計(jì)”和“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)”教學(xué)的綜合需要，設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃下的控制問題作為研究活動(dòng)的載體。路徑規(guī)劃它是按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙物無碰撞的最優(yōu)路徑，其中機(jī)器人工作地圖環(huán)境信息可以是給定的也可以是同步定位和地圖構(gòu)建(SLAM)?？紤]到中學(xué)生和教師的知識(shí)和技能水平和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。為了降低研究和實(shí)驗(yàn)的難度，本案例中建議采用給定地圖的方式，地圖可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的情況通過Mapper構(gòu)建出來。在移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中，全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃是比較典型的規(guī)劃任務(wù)，它在滿足某種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)的前提下尋找一條在設(shè)定區(qū)域內(nèi)從始點(diǎn)到終點(diǎn)且經(jīng)過所有可達(dá)點(diǎn)的路徑規(guī)劃，其特點(diǎn)是在地圖全區(qū)域內(nèi)完全遍歷路徑，如圖1所示。這種路徑規(guī)劃廣泛應(yīng)用于排雷機(jī)器人、掃地機(jī)器人、割草機(jī)器人和水下機(jī)器人污染監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。

2.機(jī)器人區(qū)域覆蓋控制的方法

為了解決機(jī)器人區(qū)域覆蓋控制問題，首先將全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃描述為[8，9]:

設(shè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍S={x,y|x,y為某閉合曲線所包圍的點(diǎn)}。

如果將在平面上運(yùn)動(dòng)的Pioneer3機(jī)器人看做是運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，那么全區(qū)域覆蓋就是該運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)能夠連續(xù)移動(dòng)且經(jīng)過可達(dá)區(qū)域中所有點(diǎn)的一條連續(xù)路徑，稱該路徑為可行遍歷軌跡。顯然，可行的遍歷軌跡不止一條。所有可行遍歷軌跡可以由下式表示：

進(jìn)一步，可以采用多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)參與遍歷，難點(diǎn)在于對(duì)不同的機(jī)器人如何分別劃分工作區(qū)域。在具體的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，在地圖中間放置4個(gè)障礙物，同時(shí)構(gòu)建虛擬地圖邊界，五臺(tái)Pioneer機(jī)器人完成壁障和遍歷，如圖2所示。

圖2 五臺(tái)Pioneer機(jī)器人編隊(duì)壁障和遍歷實(shí)驗(yàn)圖

三、教學(xué)模式

本課程既有面對(duì)面的講授式教學(xué)，又有學(xué)生以小組為單位的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，從某種意義上屬于混合式學(xué)習(xí)模式。在研究性活動(dòng)中，應(yīng)該注意突出學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生在教師的引領(lǐng)下主動(dòng)去尋求知識(shí)。每個(gè)研究小組選出一名組長，負(fù)責(zé)任務(wù)分工以及問題尋解過程中的整體把握。需要值得注意的是，指導(dǎo)教師應(yīng)在組長選舉階段給予必要的引導(dǎo)，選擇小組中學(xué)習(xí)主動(dòng)、有充足時(shí)間、有充分興趣、有組織能力和合作學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的組員擔(dān)任組長，同時(shí)加強(qiáng)組長與指導(dǎo)教師之間的聯(lián)系。

通過授課式教學(xué)，使得學(xué)生快速地初步掌握Visual Studio.NET、ARIA、Mobi leSim和Mapper等軟件的使用和計(jì)算機(jī)編程能力；在研究性教學(xué)中，通過機(jī)器人路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制來掌握系統(tǒng)工程、控制和設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生針對(duì)機(jī)器人全區(qū)域覆蓋問題，通過研究選擇合適的路徑規(guī)劃，并根據(jù)所選擇的規(guī)劃方法，通過小組合作的方法用上述計(jì)算機(jī)編程工具分別進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。完成地圖信息構(gòu)建，將地圖信息導(dǎo)入仿真平臺(tái)，編寫機(jī)器人控制器程序。此外還需注意難易度的掌握，提供Pioneer3機(jī)器人控制主要程序代碼，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度。

四、評(píng)價(jià)

應(yīng)加強(qiáng)對(duì)研究性學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)。而不是只作最后的總結(jié)性評(píng)價(jià)?？蓮拈_題(選題與定題)、實(shí)施過程以及結(jié)題三個(gè)階段，按照不同權(quán)重對(duì)著三個(gè)學(xué)習(xí)過程分別給予評(píng)價(jià)。其中開題和結(jié)題以報(bào)告的形式體現(xiàn)，實(shí)施過程階段應(yīng)該注重個(gè)人在小組活動(dòng)中的表現(xiàn)，注重突出個(gè)人貢獻(xiàn)在總分中所占的比例，以此來評(píng)定學(xué)生成績等次。

五、結(jié)論

本文提出一種可行的開放性問題的設(shè)計(jì)和解決方案。本文研究如何把pioneer3這個(gè)相對(duì)于基礎(chǔ)教育來說比較高級(jí)的機(jī)器人平臺(tái)引入基礎(chǔ)教育，其難點(diǎn)在于，由于Pioneer3機(jī)器人的控制需要較為高深的軟硬件知識(shí)，這對(duì)中學(xué)教師和學(xué)生來說難度很大，因此將Pioneer3機(jī)器人應(yīng)用到基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性學(xué)習(xí)具有一定新穎性和挑戰(zhàn)性。本文通過引入機(jī)器人全區(qū)域覆蓋控制這個(gè)開放性問題，在課題的設(shè)計(jì)和實(shí)施方面盡可能降低學(xué)習(xí)難度，使得這個(gè)平臺(tái)能在基礎(chǔ)教育研究性課程學(xué)習(xí)中應(yīng)用。本文的研究內(nèi)容可用于培養(yǎng)學(xué)生綜合的技術(shù)素養(yǎng)，推動(dòng)通用技術(shù)和信息技術(shù)的教學(xué)。

[1]黃捷,叢敏.教育機(jī)器人的界定及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中學(xué)理科園地,2013(6).

[2]吳薇,王竹立.大學(xué)生是如何協(xié)作探究的——大學(xué)通識(shí)課程研究性學(xué)習(xí)的敘事研究[J].開放教育研究,2012(6).

[3]張華.論“研究性學(xué)習(xí)”課程的本質(zhì)[J].教育發(fā)展研究,2001(5).

[4]盧曉旭,趙媛,陸玉麒,等.我國基礎(chǔ)教育研究性學(xué)習(xí)開展水平的省際差異分析[J].上海教育科研, 2011(2).

[5]龍慧靈,熊黎,龍海明.論研究性教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)[J].社會(huì)科學(xué)家,2010(8).

[6]耿紅衛(wèi).研究性學(xué)習(xí)的誤區(qū),成因及實(shí)施建議[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(教育科學(xué)版),2012(4).

[7]Download Pioneer 3-AT Datasheet [EB/OL]. [2014-08-14].http://www.activmedia.com/.

[8]李開生,張慧慧,費(fèi)仁元,等.具有遍歷特性的移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃方法的研究[J].機(jī)器人,2001(6).

[9]張佳,陳杰,竇麗華.基于路徑規(guī)劃的智能機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011(12).

G42

A

1673-9884(2015)01-0080-04

2014-10-20

福建教育學(xué)院重大科研課題(2014ZD-06)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JB13442S)

黃捷(1983- )，男，福建福清人，福建教育學(xué)院講師，博士研究生。