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“雙創(chuàng)”教育背景下的“電腦鼠”迷宮機(jī)器人在高校專業(yè)人才培養(yǎng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

作者:常家豪,祝朝坤(鄭州工商學(xué)院,鄭州 450000) 時間:2023-05-26 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:針對目前多學(xué)科融合的實(shí)踐教學(xué)案例和項(xiàng)目仍然相對較少這一問題,構(gòu)建了一種使用電腦鼠的項(xiàng)目作為多學(xué)科融合的實(shí)踐教學(xué)案例,并在部分高校進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)。根據(jù)教學(xué)中的反饋,對所使用的電腦鼠做出針對教學(xué)的改進(jìn)以及課程內(nèi)容和配套內(nèi)容的優(yōu)化。目前已經(jīng)形成了從硬件、驅(qū)動程序到算法以及上位機(jī)軟件對應(yīng)的教學(xué)材料和相應(yīng)的教學(xué)案例,目前根據(jù)實(shí)際課程的反饋,電腦鼠在實(shí)際教學(xué)中對學(xué)生的綜合實(shí)踐能力有明顯有效的提升,符合預(yù)期效果。

*基金項(xiàng)目:河南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目編號:s202213507002

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202305/447046.htm

1 基于的教學(xué)應(yīng)用

1.1 簡介

的概念起源于1977 年在美國舉行的第1屆電腦鼠的比賽,至此電腦鼠的概念便迅速的在世界范圍內(nèi)流行開來。電腦鼠比賽場地是由16×16 個18 cm×18 cm 的方格組成的迷宮,電腦鼠首先需要完成對迷宮的探索,在已探明的迷宮結(jié)構(gòu)中找出從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的最短路徑,并在返回起點(diǎn)后進(jìn)行沖刺。最終的比賽成績與電腦鼠完成這一過程的時間有關(guān)。

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圖1 電腦鼠教學(xué)涉及的能力培養(yǎng)方向

1.2 電腦鼠應(yīng)用于教學(xué)的作用

電腦鼠作為智能移動機(jī)器人的一個分支,它的設(shè)計(jì)過程包含了電子信息、程序設(shè)計(jì)、自動控制、傳感器、測試、機(jī)械工程等技術(shù)領(lǐng)域,且電腦鼠的設(shè)計(jì)制作過程有較為完整的工程體系。因此,在教學(xué)上有著多方面的作用,如圖1所示。

1)硬件設(shè)計(jì)上的教學(xué)作用

在進(jìn)行電腦鼠硬件電路的教學(xué)時,學(xué)生可以在學(xué)習(xí)的過程中,學(xué)習(xí)到各種元器件在電路中的作用、實(shí)際項(xiàng)目中常見的功能電路、元器件的參數(shù)選定以及PCB 的設(shè)計(jì)規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)。

2)軟件編程上的教學(xué)作用

電腦鼠在完成硬件設(shè)計(jì)后,就需要對電腦鼠的硬件進(jìn)行編程。這一過程中,需要去讀取傳感器獲得的數(shù)據(jù)、完成對電機(jī)的控制、完成電源電壓的實(shí)時檢測等程序需求,通過完成電腦鼠程序編寫實(shí)現(xiàn)功能的這一過程中,學(xué)生可以在真正的工程實(shí)踐中獲得一定的項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

3)算法上的教學(xué)作用

電腦鼠在走迷宮的比賽中需要自主完成迷宮的探索以及用時最短路徑的選擇,而實(shí)現(xiàn)這樣功能離不開算法的研究。電腦鼠的迷宮探索算法以及路徑選擇算法具有深入研究的價(jià)值,因此在教學(xué)中,通過對電腦鼠目前常見算法的講解,去引導(dǎo)學(xué)生思考如何改進(jìn)算法來優(yōu)化電腦鼠的成績。并在這一過程中讓學(xué)生積累一定的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

4)控制上的教學(xué)作用

電腦鼠的控制主要體現(xiàn)在對電腦鼠兩側(cè)電機(jī)的控制上。而電腦鼠在迷宮中移動需要對電機(jī)進(jìn)行精確的控制,通過對電機(jī)控制這一過程的教學(xué),可以使學(xué)生在實(shí)踐中去學(xué)習(xí)PID 控制、電機(jī)閉環(huán)控制等。

5)調(diào)試上的教學(xué)作用

在一個完整的工程中,調(diào)試是最后一個環(huán)節(jié)。而這一環(huán)節(jié)也直接影響著工程設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。因此,讓學(xué)生實(shí)際動手去完成電腦鼠的調(diào)試環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)試能力,讓學(xué)生在實(shí)踐的過程中學(xué)會常用的調(diào)試手段與問題查找的方法,增強(qiáng)學(xué)生的問題解決能力,并讓學(xué)生擁有一定的實(shí)際項(xiàng)目調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)。

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圖2 電機(jī)驅(qū)動電路原理圖

2 適用于教學(xué)的電腦鼠設(shè)計(jì)

2.1 電腦鼠硬件的設(shè)計(jì)

電腦鼠硬件的選擇主要在兩個方面:電機(jī)種類的選擇和傳感器種類的選擇。而本設(shè)計(jì)中則是采用直流電機(jī)方案以及紅外傳感器方案,并針對以教學(xué)為目的的適用場景對原有比賽的電腦鼠設(shè)計(jì)做出了改進(jìn)。

電機(jī)的選擇是電腦鼠可以實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)控制的關(guān)鍵,而目前電腦鼠電機(jī)的選擇主要是在普通直流電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)兩者之間。在直流電機(jī)的方案中,由于直流電機(jī)的功耗較小、速度較快,而且由于直流電機(jī)出現(xiàn)較早,其控制相對其它電機(jī)較為成熟。因此使用直流電機(jī)可以使電腦鼠在實(shí)現(xiàn)較高速度的同時滿足較高的精度要求,同時,使學(xué)生可以在實(shí)踐中學(xué)習(xí)到電機(jī)的閉環(huán)控制等內(nèi)容。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖2 所示。

傳感器作為將外界環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的重要媒介,也是學(xué)生在工程實(shí)踐中不可或缺的部分。目前較為合適的傳感器主要有3 種:超聲波傳感器、紅外傳感器、視覺傳感器。紅外線是一種波長介于可見光與微波之間的一種電磁波,因此它具有可見光的特性以及微波的某些特性。目前使用較多的是紅外光電開關(guān)。

適用于近距離的障礙物識別,且識別精度較高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈敏度高。在工業(yè)生產(chǎn)及機(jī)器人上有著廣泛的應(yīng)用,適合學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此本設(shè)計(jì)采用紅外傳感器方案用來進(jìn)行傳感器方面的教學(xué)。針對上文提及的適用于教學(xué)需求的改進(jìn),本設(shè)計(jì)中的硬件部分最終效果如圖3 所示。

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圖3 電腦鼠迷宮機(jī)器人PCB效果圖

2.2 電腦鼠算法的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)根據(jù)比賽規(guī)則中是否將探索時間計(jì)入總時間將電腦鼠的探索策略分成兩種不同的情況,在實(shí)際的教學(xué)中也可以更好的引導(dǎo)學(xué)生對算法的設(shè)計(jì)與改進(jìn)進(jìn)行思考。

1)在沒有將探索時間計(jì)入總成績的規(guī)則下,電腦鼠可以對迷宮進(jìn)行全局探索,將迷宮每個單位的位置以及與鄰近單位的通斷關(guān)系保存記錄,在探索結(jié)束后使用蟻群算法找出用時最短的路線。

2)蟻群算法原理與教學(xué)意義

蟻群算法用來規(guī)劃最優(yōu)路徑在近些年越來越成熟,它的運(yùn)行原理可以通過圖4 進(jìn)行解釋。圖4(a)中有一條螞蟻活動的路徑(從A 到E,假設(shè)A 為螞蟻的巢穴E 為食物),假設(shè)障礙物出現(xiàn)在A 和E 之間切斷了原有的路徑,螞蟻在B 點(diǎn)以及D 點(diǎn)時就必須選擇前進(jìn)的方向是向左還是向右,在初始階段兩點(diǎn)螞蟻向左和向右的概率是相同的,但隨著螞蟻從B 點(diǎn)到達(dá)D 點(diǎn)(或者從D 點(diǎn)到達(dá)B 點(diǎn)),路徑BCD 上的外激素濃度將大于路徑BHD 上的外激素濃度,在下一個螞蟻進(jìn)行選擇時將會大概率選擇外激素濃度高的BCD 路徑,而這會進(jìn)一步增加兩條路徑上外激素的濃度差,從而使螞蟻選擇BCD 路徑的概率不斷增加,最終在正反饋的作用下,螞蟻的路徑會固定在距離最短的BCD 路徑上[1]

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圖4 蟻群算法圖示

蟻群算法是近幾年優(yōu)化領(lǐng)域中新出現(xiàn)的一種啟發(fā)式仿生類并行智能進(jìn)化系統(tǒng) 該算法采用分布式并行計(jì)算和正反饋機(jī)制, 易于與其他方法結(jié)合, 是一種很有前途的仿生優(yōu)化算法。隨著人類認(rèn)識的進(jìn)步和社會發(fā)展的加速仿生智能及最優(yōu)化系統(tǒng)理論將越來越成為科學(xué)認(rèn)識和工程實(shí)踐的有力工具蟻群算法理論及其應(yīng)用的研究必將是一個長期的研究課題。蟻群算法這一新興的仿生優(yōu)化算法必將展現(xiàn)出更加廣闊、更加引人注目的發(fā)展前景。因此,加入蟻群算法的教學(xué)具有較高的實(shí)用價(jià)值[2]。

電腦鼠將探索出兩條路徑:從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)時探明的第一條道路;從終點(diǎn)返回起點(diǎn)時再探明出另外一條新的道路。在探索結(jié)束后,利用兩次探明的迷宮信息,使用DFS 算法找出用時最短的路徑作為最后沖刺的路徑。

DFS 是一種用于遍歷或搜索樹或圖的算法, 沿著樹的深度遍歷樹的節(jié)點(diǎn), 盡可能深地搜索樹的分支。而在電腦鼠到達(dá)終點(diǎn)時, 電腦鼠在探索過程中的迷宮信息都將保留下來, 將電腦鼠走過的軌跡創(chuàng)建為1 個新的迷宮,將迷宮的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DFS 算法中,DFS 的本質(zhì)就是窮舉法,DFS 開始遍歷迷宮的各分支找出1 個最短的分支。并將分支的位置信息保存在Flash 中, 用于電腦鼠返回的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及再次沖刺時的數(shù)據(jù)導(dǎo)航[3]。

2.3 電腦鼠配套內(nèi)容的設(shè)計(jì)

為了使電腦鼠可以更好地應(yīng)用于中,本設(shè)計(jì)對配套資料與軟件進(jìn)行了針對教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)化。

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由于學(xué)生間的基礎(chǔ)不同且相差較大,本項(xiàng)目的初始教學(xué)資料并不適用于部分基礎(chǔ)較差的同學(xué),由于沒有一定的基礎(chǔ),這些同學(xué)在教學(xué)中普遍較難理解不同功能的硬件電路,以及實(shí)現(xiàn)不同功能的基本代碼。因此本項(xiàng)目對教學(xué)材料進(jìn)行了改進(jìn),增加了基礎(chǔ)的硬件電路知識的講解以及完善了代碼的注釋,增加了對電路和程序的視頻講解教程,并對教學(xué)的順序進(jìn)行調(diào)整,使學(xué)生可以在循序漸進(jìn)中較為輕松的掌握所教學(xué)的內(nèi)容。

在教學(xué)中完成元器件焊接以及代碼編寫的教學(xué)后,走迷宮小車需在迷宮中進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié),原參數(shù)調(diào)整的過程往往較為費(fèi)時費(fèi)力,本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)的方式,將電腦鼠運(yùn)行過程中的傳感器讀數(shù)實(shí)時讀取并顯示在電腦的終端上,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時可視化,使參數(shù)調(diào)節(jié)難度大幅下降。

在走迷宮小車進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)時,學(xué)生頻繁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、參數(shù)改寫、程序燒錄的過程,而程序燒錄這一步驟較為繁瑣,每一次的燒錄都需要將電腦鼠從跑道上取出,使用數(shù)據(jù)線連接進(jìn)行燒錄。為了簡化這一過程,因此本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙的方式進(jìn)行程序燒錄,在實(shí)現(xiàn)這一功能的改進(jìn)后,極大地簡化了小車調(diào)試的過程。

在教學(xué)結(jié)束后,學(xué)生經(jīng)常有進(jìn)行二次開發(fā)改進(jìn)的想法。對此,本設(shè)計(jì)對原電腦鼠的PCB 進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),預(yù)留了常用的傳感器接口,以及部分閑置的IO 口,用于電腦鼠的二次開發(fā),滿足學(xué)生二次開發(fā)的需求。

3 結(jié)束語

在如今高校人才培養(yǎng)的環(huán)境下,傳統(tǒng)實(shí)踐課程內(nèi)容較難滿足當(dāng)前對人才培養(yǎng)的新要求。同時當(dāng)前多教學(xué)以及上的課程較少。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)通過對電腦鼠進(jìn)行針對教學(xué)的改進(jìn)、完善電腦鼠的教學(xué)材料、以及在高校教學(xué)試點(diǎn)中針對教學(xué)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn),最終形成了一套較為成熟的教學(xué)內(nèi)容。使學(xué)生可以在項(xiàng)目實(shí)踐課程中對硬件設(shè)計(jì)、程序編寫、算法研究、項(xiàng)目調(diào)試等內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐,真正做到學(xué)科的融合實(shí)踐。通過收集試點(diǎn)教學(xué)后的反饋,發(fā)現(xiàn)學(xué)生可以在這一過程中積累一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),且工程實(shí)踐能力也也有較為實(shí)質(zhì)性的提升。符合本項(xiàng)目的預(yù)期。

參考文獻(xiàn):

[1] 溫文波,杜 維.蟻群算法概述[J].石油化工自動化,2002(1):32-36.

[2] 段海濱,王 道波,于秀芬.蟻群算法的研究現(xiàn)狀及其展望[J].中國工程科學(xué),2007(2):17-23.

[3] 祝朝坤,韓 彥凈,谷會斌.基于STM32與DFS算法的電腦鼠的研究與設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2022,29(6):64-68.

(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期)



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