开源硬件在“智能机器人”实践课程中的应用

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1、开源硬件在“智能机器人”实践课程中的应用邓欣，王进，于洪，王国胤，陈桥松（重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆400065）摘要：针对智能科学与技术专业学生的特点和“智能机器人”实践课程的教学实际，分析教学目的，通过对实验平台的选定和题目的设计，指出基于开源硬件实验平台的“智能机器人”实践教学不仅可以节省平台配置的经费，而且能够降低学生学习并制作实体机器人的门槛，进一步激发学生学习机器人技术的兴趣。教关键词：开源硬件；智能机器人；Arduino；实践课程基金项目：国家自然科学基金（青年基金）资助项目“基于秀丽隐杆线虫本体感受回馈机制的自适应波形运动研究”(61403054)；重庆市基础与

2、前沿研究计划项目“结合本体感受回馈机制与生物神经网络的波形运动爬虫机器人研究”（cstc2017jcyjA40022）；重庆邮电大学教改项目（重邮197号）。第一作者简介：邓欣，男，副教授，研究方向为智能机器人和流程工业知识自动化，．edu．cn。0引言随着社会生产力的发展，机器人技术得到迅猛发展和广泛应用。与机器人技术相关的专业人才需求逐年增长，但专业人才培养的数量和质量相对滞后。目前，本科院校培养的智能机器人技术相关人才大多从事理论研究、实体机器人和特种机器人的开发等，而关于机器人应用方面的专业较少，从课程内容设置到人才培养还不是很成熟。为了培养学生的实践能力和创新能力，也为培养尽可能

3、多的创新人才，重庆邮电大学计算机科学与技术学院智能科学与技术系从2017年春季起开设“智能机器人”相关课程。“智能机器人”实践课程是“智能机器人”理论课程的实践部分，为必修课，共计16学时1学分。由于课程涉及多个学科交叉的知识内容，包括机械制造、物理学、电子学与微电子学、控制论、计算机、生物学、人工智能、系统工程等，同时又是一门理论性和实践性很强的课程，因此课程设计和教学难度较大。智能科学与技术专业学生有编程能力强的特点，但其他学科背景如机械、控制、电子等知识相对薄弱，这也增加了“智能机器人”实践课程实验平台选定和题目设计的难度。如果能有一套无需学生了解和掌握底层电路和通讯协议就能直接在开

4、发环境中编写算法程序，然后通过开发环境中的编译器直接把所编写的程序刻录入硬件中便能完成各种机器人行为控制的设备，将大大有利于计算机背景的学生快速掌握机器人开发与应用技术，更早地投入完整的项目实践中，提高创新能力。经过广泛调研，我们发现Arduino开源平台作为一个典型的开源硬件，有着极强的易用性和扩展性，受到众多电子工程师、手工制作爱好者青睐，在国外应用较为广泛。Arduino开源平台不需要学生掌握复杂的单片机底层代码和汇编语言，只要求学生掌握少量简单实用的自带函数，并且只需在特定的IDE下编程，从而极大地方便了硬件知识薄弱而编程能力较强的学生。1开源硬牛Arduino简介优势1.1Ard

5、uino简介随着开源硬件技术的发展，由于这类硬件具有简易性和实用性的特点而得到越来越广泛的了解和使用。Arduino作为开源硬件的典型，有重量轻、体积小的特点，属于AVR单片机种类，包含了以ATM芯片为处理器的微型控制器和众多I/O接口。Arduino芯片的扩展性非常强，通过扩展板和自带I/O接口能与键盘、鼠标、红外距离传感器、超声波传感器、LED灯、步进电机、舵机、GPS、蓝牙、Wi-Fi等相连。通过类似Java、C语言的开发环境(IDE)编写程序，可以控制显示器、扬声器、电机、伺服器等设备工作。由于是开源硬件，很多代码能在各种关于Arduino的技术论坛中找到，开发者只要找到类似的案例

6、，下载源代码进行修改、烧写和调试后，便可以成为自己的项目。1.2Arduino的优势目前很多智能专业的学生学习机器人课程时，感觉硬件技术比较枯燥，难以掌握，遇到困难容易失去信心。Arduino具有较强的易用性，提供的30多个例子难度循序渐进，生动有趣，可以令学生由浅入深地学习，逐渐建立自信心，其优势如下。(1)价格低廉、资源丰富。Arduino开源平台使用AVR系列控制器，价格低廉，容易获得；源代码开放，方便程序员利用开放代码进行程序开发；程序开发接口免费下载，程序员可以按照自己的需求进行修改。(2)软件开发环境简单易学。对于没有太多硬件编程基础的计算机专业学生，Arduino提供了简单易

7、懂的软件开发环境。学生只要熟练掌握C语言和VC++6.0以上的编程环境，就能学会在该平台开发环境中进行硬件开发。(3)软硬件开源，可扩展性强。Arduino的PCB和SCH电路图公开，开发人员可以根据基本构架进行修改、改进和扩展。同时，各种库函数开源，开发人员可以通过C++对其进行集成、派生、重载等二次开发。(4)跨平台性强，应用丰富。Arduino软件可直接运行于Windows、iOS和Linux操作系统等，同时也支持