自主智能尋跡機器人演示系統研發與學生綜合素質提高

傅 林，黃 林，魏 慶，馮江平，段濠宇

(成都工業學院 網絡與通信工程學院， 四川 成都 611730)

0 引 言

智能自主尋跡機器人的一個典型就是智能小車.智能小車涉及電子電氣、計算機、傳感器、機械結構、控制理論與工程、模式識別、信號處理、嵌入式系統、軟件工程、通信工程、智能計算和傳動力學等多學科的科技設計.作為一種實用的機器人系統，智能小車廣泛應用于航天工程、國防科技、工礦企業、倉儲物流、醫療衛生、商業服務、險情救援等相關場所和領域，并且發揮了巨大的作用，深受受重視.國內外諸多企業、高校、科研機構都有許多研究成果或商業化產品問世，而且國內有很多學科競賽都有智能小車類題目，比如全國大學生電子競賽、全國大學生智能汽車競賽、飛思卡爾杯智能車競賽等.所設計、推出或參賽的智能小車形態、功能、性能創意各異，但是題目的基本架構都是嵌入式系統：結構+計算核心+驅動控制及其軟件+傳感器+通信接口.本項目主要目標在于使得學生通過智能小車演示系統的研發，鍛煉學生的工程思維方式，提高其工程實踐應用能力.

1 系統方案和框架設計

引導引導學生樹立使命感和責任感,要求學生全面了解國內外智能小車以至于智能車行業領域研發、生產應用歷史、現狀和發展趨勢，研發真正符合市場和我國人民實際生活需要的產品.根據教學經驗，我們要求學生從文獻檢索開始，教他們如何擬定搜索關鍵詞、如何定義目標網址范圍，如何確定目標文獻擴展文件名等，激發學生熱情，使之從開始的茫然不知所措，到逐漸發生濃厚興趣，積極主動投入搜集消化相關資料和文獻.通過這一過程，項目組最終得出結論：根據不同的應用需求，智能小車整車架構、主控器芯片、傳感器種類數量、通信接口等都有所不同或者大相徑庭.本課題終極目標是希望推出新產品進入商用市場，但首先是參照各類學科競賽智能小車設計制作的需要，設計實現一個演示系統，并且在整個過程中達到提升學生綜合能力和素質的目的，從而使得學生有視野和能力去面向商用智能小車、工業用智能機器人以至于實際智能汽車等市場和需求去提高與拓展.小車整體框架結構，則主要設計兩輪輔助平衡和四輪小車(仿蜘蛛四足機器人)兩種類型.其中兩輪輔助平衡小車框架結構如圖1所示，而仿蜘蛛四足機器人系統框圖如圖2所示.

圖1 兩輪輔助平衡智能小車整車框架結構圖

這樣做的好處是，目標一致，互不沖突；有利于整個項目從立項、方案評審、詳細設計、仿真、制作、測試和驗收運行所有環節，貫徹自頂向下、逐步分解、模塊化設計原則；有利于團隊分工協作；有利于提高同學們的工程思維能力和實際研發水平；有利于拓展每一個學生的視野，開闊其思路，可以由點及面、由表及里、舉一反三地較為全面和深入的理解、掌握智能小車研發軟硬件資源以及相關理論與工程技術方法.

圖2 仿蜘蛛四足機器人系統框圖

通過項目方案論證和提出、確定過程，同學們發現，原來所需要的理論知識和工程技術是如此豐富眾多，進一步深刻理解到自身存在的不足，同時認識到我國目前教育之所以存在諸多缺失，根本原因在于沒有準確地回答大學生的主要矛盾是什么這一個根本性的問題.大學生的主要矛盾，是社會日益增長的綜合素質需求與他們自身水平和能力不足的矛盾.這個主要矛盾，既要學校等教育機構、每一個教師有深刻認知與理解，同時也要讓每一個學生深刻解讀，從而落實到他們的整個學習過程中.[1]

2 樹立和落實正確的教育教學理念

教育的目標，對于國家、社會和民族，就是培養人才及其隊伍；對于學校，就是輸出合格的教育產品；而對于學生個人，就是既增能又立德，以保證他們既能夠自力更生，修身齊家，同時又能夠回報國家、社會和民族，造福子孫后代.學生讀書是在全維拓撲教育理念下的主動、自覺、積極、創造性地教學過程.所謂全維拓撲，既包含教育目標的全維化：個人能力和綜合素質全面培育與提高；又包含了教育教學過程的全員、全過程、全方位即三全育人思想，以及包括產教融合和全社會協同育人導向與實施.第三，還同時包括教育教學主體、內容和形式的課程、科研、實踐(課程實驗、課程設計、工程項目實訓、生產實踐、學科競賽等)、文化、網絡、家庭、社交圈、媒體、社會和環境等十大育人體系.

3 采用面向對象教育模式

所謂面向對象教學，就是教學過程直接面向行業領域，面向生產實踐，面向科研項目，圍繞這樣的對象展開.這些對象就是各個實際工程項目和科研課題、生產任務及其解決方案和過程、途徑，它們是將各種各樣創新性乃至于創造性的運用知識進行實踐的方法與特定的知識封裝在一起的.我們將單片機原理與接口、單片機C語言程序設計、傳感器原理與應用、計算智能、控制理論、結構設計、電子設計自動化(EDA)技術等理論知識和工程技術方法，封裝在智能小車設計制作課題這個具體對象中，讓學生們邊學邊干、邊干邊學，將項目作為學習對象，反過來又將所學用于對對象的研發.

4 實現途徑

本文的實現途徑，可以在學校自身培育產業要素、形成企業元素，通過內涵式增長，形成教學內容項目化、教學成果產品化、教學目標工程化、教學過程管理公司化、教學人員技能工程化、教學模式體系化、教學質量和效果評估過程化的教育教學機制和體系，從而實現產教融合，校企結合的人才培養模式.本文主要討論在項目實施過程中，電路設計和軟件設計標準與規范遵照等問題，使學生們認識到，非常有必要參與各類學科競賽以及老師的科研項目和課題，通過學校這個平臺和老師的指導學到真正有用的東西，從而熱愛學校、熱愛專業，尊重和敬愛老師的情感更加深入和強化.

4.1 標準和規范遵守

智能小車也要受到多種標準和工程規范規約，包括系統電路、軟件標準，可靠性、安規、電磁兼容性標準，以及所涉及到具體技術的相關標準和規范.標準和規范有國際標準、國際標準、行業標準和企業標準與規范等四級.本項目中，電路設計有原理圖規范，PCB規范、電磁兼容設計規范、結構設計規范和工藝規范等，軟件設計有嵌入式編碼規范、C/C++國際標準等.除了要求學生遵照這些標準外，我們還引導學生熟悉和掌握智能汽車的相關標準，比如中國智能交通產業聯盟標準T/ITS0102-2019：自動駕駛系統功能定義，中國軟件測評中心——車載智能計算基礎平臺參考架構1.0(2019年)，華為等十六家企業和單位聯合頒布的智能駕駛功能軟件平臺設計規范v1.0系列5個標準，等等；以及華為華為MDC智能駕駛計算平臺白皮書V1.1，華為核心網自動駕駛網絡白皮書等等.遵照標準是一個國際慣例，一是可以實現兼容性，二是維護知識產權和話語權，三是獲得市場準入證.而我們的還要求學生理解到，如果不遵照標準電路、程序進行設計， 則器設計結果不可能通過工程軟件編譯和硬件設計規則檢驗，就注定是失敗的設計.

4.2 電路設計

智能小車電路設計內容很多，包括主控器模塊、電源模塊、傳感器模塊、電機(含舵機)驅動和控制模塊、通信模塊(藍牙、WIFI或GPRS、5G等)、顯示和報警模塊等等.采用不同芯片和元器件設計的電路又各個不同,而且設計平臺和軟件也不同，比如EDA軟件，各類單片機的開發軟件和開源硬件設計平臺Arduino等.在設計過程中，我們提醒學生，芯片，尤其是單片機、FPGA、DSP和CPLD、ASIC等，以及諸多ADC和DAC、集成傳感器芯片，都是我國的短板，而工業軟件尤其是EDA等以及編譯器、操作系統等都是我國遭受米國佬圍堵和打壓的行業領域.目前，全球EDA軟件供應者主要是國際三巨頭Synopsys、Cadence和Mentor Graphic，它們的產品占全球市場的份額超過60%.我國EDA軟件占比小，目前只有立創EDA和華大九天EDA等.我們鼓勵和提倡學生使用國產軟件進行自己的電路設計，擴大其應用范圍，提高其影響力和市場應用價值，用實際行動支持國產品牌；同時也使得學生在實際項目研發中，能夠拓展專業視野和思路，在邊緣學科和交叉學科方面拓展和提升自己的技能和水平,比如能自己動手研發EDA程序等.[2]

4.3 軟件設計

智能小車的各個模塊，都需要軟件進行實時操控.我們要求學生按軟件工程項目管理規范進行設計，嚴格按照V模型(或者W模型、H模型)規劃好系統，接口，以及各個模塊的功能，給出系統框圖、畫出流程圖，再進行詳細編碼設計，然后通過各種必要的測試環節直到驗收.在軟件及程序編碼方面，要求學生熟悉和理解《GB/T 28169-2011嵌入式軟件 C語言編碼規范》,[3]IEC-9899C語言規范和IEC14882C++規范，及華為中興等公司的編碼規范等.引導學生在嚴格遵守編碼規范的同時，也要在日常的學習和工作和生活中嚴格遵守社會行為規范.至于軟件研發平臺，編譯器方面，我們鼓勵51單片機組的同學使用南京偉福實業有限公司Wave6000進行軟件開發，支持國產品牌.

智能小車軟件設計的一個主要任務就是智能自主尋跡算法及其編碼實現.本課題首先采用A*算法，該算法是一種在靜態路網中求解最短路最有效的路徑規劃方法.其流程如圖3所示.我們要求學生編碼實現該算法，并且利用Matlab仿真，對其它算法進行編碼、仿真，進而提出改進算法，以提高搜索精度和避障靈敏度，以及小車運行穩定度、系統程序健壯性和可靠性.由此拓展學生探索、創新的能力.

4.4 小車實作

小車實作，從電路板設計、加工，到元器件購買、安裝、焊接，模塊組裝，電路和系統調試，軟件測試全過程各個環節，細致到杜邦線的剪截、剝線，都要求學生嚴格按照工藝規范實施.通過實物制作直至最終成功的過程歷練，學生體驗到一種剝繭而出的成就感，一方面心情非常愉悅，一方面又從不足中得到激勵，站到更高的臺階尋找新的方向，眺望更遠更美的景色，感到受益匪淺，收獲頗豐.

圖3 自主智能尋跡控制程序流程圖

結 論

本文課題來自于大學生創新創業訓練項目，實現了智能機器人演示系統設計和實作,取得了產教融合、新工科建設、課程思政等教育改革實踐方面的創新，做出了有益而積極的探索和實踐.一是在教育教學理念、模式方面進行了有益的探索和實踐，貫徹落實了全維拓撲教學理念和面向對象教育模式.二是在產教融合教育教學改革和新工科建設過程中，提高了學校的教學質量和培養水平，既提高學生工程技能，又提高了他們的綜合素質.三是使得師生深刻認識到，產學研以致用，不能夠流于口號，要落到實處、接地氣，一定要把學到的用起來，想到的設計出來、設計好的做出來，再把做出來的用起來，而不能夠把科研和教學僅僅當作追逐個人名利的手段.四是拓展了課程思政內容和空間，以生動而且無需刻意為之的方式實現對學生核心價值、愛國主義、愛集體教育等，是實現三全育人、協同育人的有效途徑和方式.