陳世海, 王 軍, 代 偉, 牛小玲, 毛會(huì)瓊, 李 明

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

大一是學(xué)生從高中階段到大學(xué)階段的轉(zhuǎn)折期,同時(shí)也是大學(xué)生發(fā)展最為關(guān)鍵的時(shí)期[1]。研究表明,大學(xué)生的成功與否在很大程度上取決于其在大一時(shí)期的經(jīng)歷[2]。對(duì)于以實(shí)踐為根本特征的高等工程教育[3],大一時(shí)期獲取的專業(yè)知識(shí)和早期工程體驗(yàn)[4-5],不僅可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感,而且可以有效地激發(fā)專業(yè)學(xué)習(xí)興趣,促使其完成從以追求好成績?yōu)槟繕?biāo)的被動(dòng)式學(xué)習(xí)[6],向以探究科學(xué)知識(shí)、解決復(fù)雜工程問題為目標(biāo)的主動(dòng)式學(xué)習(xí)快速轉(zhuǎn)變。

然而,現(xiàn)有工程教育體系基本沿用了科學(xué)教育模式,在教學(xué)活動(dòng)的組織與安排上,過于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的系統(tǒng)性和完備性[7],所以大一階段的課程側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ),從而導(dǎo)致大一學(xué)生被置于專業(yè)學(xué)習(xí)的大門之外。盡管面向大一學(xué)生開設(shè)的專業(yè)概論或者導(dǎo)論等類似課程或者講座,能夠提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知度和學(xué)習(xí)興趣[8-14],但這類課程通常是范圍廣、學(xué)時(shí)少,同時(shí)又沒有相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié),無法給學(xué)生提供清晰的專業(yè)認(rèn)知和切身的工程體驗(yàn)。

為了解決這一問題,結(jié)合電氣信息類專業(yè)大一下學(xué)期開設(shè)的智能機(jī)器人導(dǎo)論課,秉承“以學(xué)生為中心,以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教學(xué)理念,并針對(duì)大一學(xué)生專業(yè)知識(shí)薄弱、實(shí)驗(yàn)技能欠缺的特點(diǎn),以《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》[15]所提出的“畢業(yè)要求”為抓手,設(shè)計(jì)了基于Arduino UNO[16]的車形機(jī)器人綜合性實(shí)驗(yàn),以幫助學(xué)生盡早跨進(jìn)專業(yè)大門、增強(qiáng)專業(yè)認(rèn)同感,并促使大一學(xué)生向以解決復(fù)雜工程問題為目標(biāo)的主動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。

1 設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵照《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》,以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為核心,主要從“工程知識(shí)”“問題分析”“設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”“研究”“使用現(xiàn)代工具”“溝通”“終身學(xué)習(xí)”等8個(gè)方面的畢業(yè)要求出發(fā),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容與要求。同時(shí),考慮到大一學(xué)生幾乎沒有任何專業(yè)知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn),所以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定、教學(xué)內(nèi)容的選取以及教學(xué)活動(dòng)的組織上,又與面向高年級(jí)學(xué)生開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)有著很大的差別。

首先,實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)不是側(cè)重于傳授某些專業(yè)知識(shí)或是培養(yǎng)某種專業(yè)技能,而是側(cè)重于給學(xué)生提供一種早期的工程體驗(yàn),通過這種專業(yè)上的切身經(jīng)歷,使學(xué)生構(gòu)建起專業(yè)基本框架,明確專業(yè)學(xué)習(xí)方向與方法,并在解決實(shí)驗(yàn)問題過程中體驗(yàn)精神滿足感、激發(fā)專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

其次,在教學(xué)內(nèi)容的選取上要充分考慮大一學(xué)生專業(yè)知識(shí)匱乏、實(shí)驗(yàn)技能欠缺的現(xiàn)狀,實(shí)驗(yàn)不能涉及過于繁雜的專業(yè)細(xì)節(jié),同時(shí)又要兼顧實(shí)驗(yàn)的綜合性與趣味性。所以,選擇基于Arduino UNO的車形機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,其積木式的硬件和基于API的軟件開發(fā),屏蔽了大部分硬件和軟件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),極大地降低了對(duì)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)的要求,進(jìn)而使學(xué)生能夠更多地專注于機(jī)器人的控制、循跡與避障等功能的實(shí)現(xiàn)。

最后,在教學(xué)活動(dòng)的組織上,將整個(gè)實(shí)驗(yàn)分成3個(gè)階段開展。第一階段為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段,講授并指導(dǎo)學(xué)生使用文獻(xiàn)檢索工具獲取實(shí)驗(yàn)相關(guān)工程原理與知識(shí),指導(dǎo)學(xué)生以小組方式構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體,同時(shí)明確實(shí)驗(yàn)要求及考核方式；第二階段為實(shí)驗(yàn)操作階段,重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用準(zhǔn)備階段獲取的專業(yè)知識(shí),去分析、討論、探究并嘗試解決車形機(jī)器人控制、循跡以及避障時(shí)所出現(xiàn)的問題；第三階段為實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段,采用小組答辯的方式,重點(diǎn)從專業(yè)知識(shí)獲取、團(tuán)隊(duì)管理與運(yùn)作、實(shí)驗(yàn)問題探究與解決等方面闡述心得體會(huì)。同時(shí)強(qiáng)調(diào),實(shí)驗(yàn)報(bào)告要著重反映對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的各種故障、“異?！爆F(xiàn)象的探究與解決過程。

2 實(shí)驗(yàn)原理

車形機(jī)器人主要由底盤、支架、車輪、電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制電路等部分組成。車形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中紅外循跡單元用于檢測車形機(jī)器人相對(duì)于軌跡線的位置；超聲測距單元用于檢測同前方障礙物的距離；電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)車輪直流電機(jī)；電源部分采用7.4 V鋰電池組為整個(gè)系統(tǒng)供電； Arduino UNO是系統(tǒng)的運(yùn)算與控制核心,通過檢測紅外循跡和超聲測距輸出信號(hào),判斷機(jī)器人當(dāng)前位置狀態(tài),并據(jù)此控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)循跡與避障。

圖1 車形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)

2.1 Arduino UNO

車形機(jī)器人采用Arduino UNO作為傳感與控制平臺(tái)。Arduino UNO是以ATmega328P微處理器為核心的開源硬件平臺(tái),具有14個(gè)數(shù)字量輸入輸出接口(其中6個(gè)接口可以輸出PWM信號(hào))、6個(gè)模擬量輸入接口、32 KB的Flash Memory、2 KB的SRAM以及1 KB的EEPROM。Arduino UNO通過應(yīng)用程序編程接口(application programming interface,簡稱API)封裝了對(duì)ATmega328P寄存器級(jí)的操作,通過這些API可以直接完成功能級(jí)的編程。編譯后的程序代碼可以通過Arduino UNO自帶的USB接口,直接下載到ATmega328P,不需單獨(dú)的編程器,在不需要下載時(shí),該USB接口還可以用于同計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信。車形機(jī)器人超聲避障傳感器通過PIN8、PIN9與Arduino UNO相連,其中PIN8設(shè)為輸出模式,用于控制超聲波信號(hào)的發(fā)射,PIN9設(shè)為輸入模式用于接收超聲波回波信號(hào)。車形機(jī)器人共有2個(gè)紅外循跡傳感器,分別與管腳PIN2、PIN6相連,這2個(gè)管腳均設(shè)為輸入模式；驅(qū)動(dòng)部分共占用6個(gè)管腳,其中PIN14—PIN17設(shè)定為輸出,用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)向,PIN5和PIN3用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 超聲避障

避障單元采用了超聲測距傳感器,該傳感器主要由超聲波發(fā)射、接收以及控制電路組成。Arduino UNO通過PIN8向傳感器的TRIG管腳發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào),超聲發(fā)射部分即發(fā)出40 kHz的超聲波信號(hào),超聲波信號(hào)遇到前方障礙物將被反射回來,接收部分收到回波信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)高電平,并通過ECHO腳反饋至PIN9。設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度v, Arduino UNO記錄的超聲波傳播時(shí)間t,則車形機(jī)器人與前方障礙物之間的距離S=(v·t)/2。需要說明的是,超聲波在空氣中的傳播速度并不是固定不變的,在需要精確測量到障礙物的距離時(shí),需要考慮溫度對(duì)超聲傳播速度的影響,并進(jìn)行修正。

2.3 紅外循跡

紅外循跡傳感器主要由紅外發(fā)射管、紅外接收管和電壓比較器構(gòu)成,傳感器根據(jù)預(yù)鋪軌跡線和地板對(duì)紅外光具有不同的反射率來實(shí)現(xiàn)循跡。實(shí)驗(yàn)中采用黑色電工膠帶在實(shí)驗(yàn)室淺色瓷磚地面鋪設(shè)行駛路線。當(dāng)發(fā)射管和接收管在瓷磚上方時(shí),紅外光被地面反射回來的光強(qiáng)就高,接收管輸出的電壓就高；當(dāng)發(fā)射管和接收管在預(yù)鋪的軌跡線上方時(shí),紅外光大部分被黑色膠帶吸收,導(dǎo)致接收管輸出的電壓降低。接收管輸出的電壓進(jìn)入比較器和預(yù)設(shè)參考電壓比較,輸出與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所用紅外循跡傳感器輸出高電平表示反光弱,而低電平則表示反光強(qiáng)。傳感的靈敏度,可以通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)電位器改變比較器的輸入?yún)⒖茧妷簛韺?shí)現(xiàn)。車形機(jī)器人共有一左一右2個(gè)紅外傳感器,通常采用跨線行駛方式,即傳感器位于軌跡線兩側(cè),當(dāng)某一側(cè)循跡傳感器輸出低電平時(shí)，即說明車形機(jī)器人偏向該側(cè)。根據(jù)兩側(cè)傳感器輸出的信號(hào)即可判斷出機(jī)器人是否偏離行駛軌跡。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

車形機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)方式,為簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),同側(cè)車輪的直流電機(jī)采取并聯(lián)方式,這樣使用一塊雙H橋的L293D驅(qū)動(dòng)板即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。車形機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎,以及調(diào)速都是通過Arduino UNO向L293D驅(qū)動(dòng)板發(fā)出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。圖2為L293D芯片H橋驅(qū)動(dòng)原理。L293D的使能管腳ENA和控制管腳IN2為“1”、IN1為“0”時(shí),三極管T2和T3導(dǎo)通,電流從電源“+VS”端經(jīng)T3流向電機(jī)“+”極,然后再從電機(jī)“-”極經(jīng)T2流回電源GND端,此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；同理,T1和T4導(dǎo)通時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)彎時(shí),一側(cè)電機(jī)停轉(zhuǎn),另一側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)即可以實(shí)現(xiàn)向停轉(zhuǎn)電機(jī)一側(cè)轉(zhuǎn)向。電機(jī)調(diào)速采用PWM方式,即Arduino UNO按固定周期向ENA管腳輸出“1”或“0”,使電機(jī)接通或斷開電源,通過改變一個(gè)周期內(nèi)“1”的持續(xù)時(shí)間改變電機(jī)接通電源的時(shí)長。只要周期選擇合適,電機(jī)即可以在這種周期性脈沖作用下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于一個(gè)周期內(nèi)的通電時(shí)間。需要說明的是,同側(cè)直流電機(jī)采用相向安裝方式,所以兩個(gè)電機(jī)必須異號(hào)并聯(lián),即一個(gè)電機(jī)的“+”和另一個(gè)電機(jī)的“-”并聯(lián),否則同側(cè)車輪相向或者背向旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致機(jī)器人無法運(yùn)動(dòng)。

圖2 L293D芯片H橋驅(qū)動(dòng)原理

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用3～4人的團(tuán)隊(duì)形式,圍繞《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》提出的具體畢業(yè)要求,按照實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)總結(jié)3個(gè)階段展開。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容及考核方式見表1。

(1) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。該階段主要從“工程知識(shí)”“設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”和“終身學(xué)習(xí)”等3個(gè)方面的畢業(yè)要求出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生分解實(shí)驗(yàn)任務(wù),通過查閱文獻(xiàn)、小組討論等方式,自學(xué)車形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、循跡和避障等方面的理論知識(shí),并進(jìn)一步設(shè)計(jì)出循跡和避障程序流程圖及代碼,同時(shí)給出具體的實(shí)驗(yàn)方法和步驟。最后將相關(guān)理論知識(shí)、程序流程圖和實(shí)驗(yàn)步驟等整理至實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。指導(dǎo)教師審核實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告并給出預(yù)習(xí)成績,對(duì)于不合格的小組,指出其存在問題并進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo),待其修改并通過審核后方可進(jìn)入操作階段。

(2) 實(shí)驗(yàn)操作階段。該階段主要從“使用現(xiàn)代工具”“問題分析”“研究”和“溝通”等4個(gè)方面的畢業(yè)要求出發(fā),指導(dǎo)學(xué)生完成車形機(jī)器人組裝、循跡以及避障等實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)考慮到學(xué)生能力的差異性,操作階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求,按難易程度劃分為基礎(chǔ)、拓展和提高3個(gè)部分。指導(dǎo)教師按表1中的考核內(nèi)容與分值,根據(jù)學(xué)生的實(shí)際操作情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定操作成績,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想的小組進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)。

表1 實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容及考核方式

(3) 實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段。該階段側(cè)重于“問題分析”“研究”和“溝通”3方面的畢業(yè)要求。各小組采用答辯方式匯報(bào)實(shí)驗(yàn)中所遇到的問題及其分析與解決過程,以及實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)等,指導(dǎo)教師針對(duì)答辯情況并予以現(xiàn)場點(diǎn)評(píng)并核定答辯成績,1周后以小組為單位提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告(附小組分工、源代碼及討論紀(jì)要等)。

4 結(jié)語

面向大一的機(jī)器人綜合性實(shí)驗(yàn),選用了適于大一學(xué)生開發(fā)使用的車形機(jī)器人套件作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),遵照《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》要求,以學(xué)生為中心,以產(chǎn)出為導(dǎo)向,以畢業(yè)要求為抓手,針對(duì)大一學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)薄弱的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了具體的綜合性實(shí)驗(yàn)方案。近3年的教學(xué)實(shí)踐表明,實(shí)驗(yàn)不僅提高了大一學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知度、認(rèn)同感和學(xué)習(xí)興趣,而且給學(xué)生提供了一種早期工程體驗(yàn),明確了專業(yè)學(xué)習(xí)方向和學(xué)習(xí)方法,為畢業(yè)要求的達(dá)成和培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。在2017年全國電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)競賽中,該實(shí)驗(yàn)榮獲電子綜合設(shè)計(jì)類二等獎(jiǎng)。