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微控制器技術(shù)在智能科學(xué)與技術(shù)本科教學(xué)中的應(yīng)用論文
摘要：分析微控制器技術(shù)在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹幾種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)并說(shuō)明設(shè)計(jì)方案，基于微控制器技術(shù)探討可實(shí)現(xiàn)智能算法的機(jī)器人硬件平臺(tái)在本科教學(xué)中的應(yīng)用，以期為學(xué)生學(xué)習(xí)、理解及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)提供相應(yīng)的硬件平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：智能科學(xué)與技術(shù)；智能機(jī)器人平臺(tái)；微控制器技術(shù)
0引言
機(jī)器人是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它綜合了機(jī)械設(shè)計(jì)、電工電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、微控制器編程控制系統(tǒng)和人工智能等學(xué)科的內(nèi)容，是智能科學(xué)與技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)很多課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的理想的平臺(tái)。同時(shí)學(xué)生經(jīng)常參加各種機(jī)器人相關(guān)的比賽，旨在通過(guò)大賽全面培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力、合作能力和進(jìn)取精神，同時(shí)也深化和應(yīng)用智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)所學(xué)的知識(shí)。
與研究生相比，本科生對(duì)動(dòng)手設(shè)計(jì)的興趣要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。針對(duì)本科生的這一特點(diǎn)，為本科二、三年級(jí)的學(xué)生設(shè)計(jì)一些創(chuàng)新性的機(jī)器人項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生自己組隊(duì)，搭建相應(yīng)的硬件電路，為他們?cè)诟吣昙?jí)深入理解和學(xué)習(xí)智能科學(xué)與技術(shù)的專(zhuān)業(yè)課程提供一個(gè)硬件平臺(tái)，打下一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，并通過(guò)這些項(xiàng)目的實(shí)施提高學(xué)生的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力。
1微控制器技術(shù)在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀
微控制器技術(shù)應(yīng)用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器等功能（部分包括脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、顯示驅(qū)動(dòng)電路以及A/D轉(zhuǎn)換器等）集成到一個(gè)芯片上，組成一個(gè)體積小但功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該芯片可外接多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信息的采集處理，結(jié)合信息融合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器各種預(yù)期的智能行為（如導(dǎo)航裝備、汽車(chē)的各種智能控制系統(tǒng)、智能家電等）。
高效地融合微控制器技術(shù)與人工智能技術(shù)，將智能算法嵌入到機(jī)器人微控制器中，系統(tǒng)則會(huì)呈現(xiàn)出各種智能行為�？蓪�(shí)現(xiàn)智能算法的機(jī)器人平臺(tái)主要集中在以下幾個(gè)方面：智能家庭清掃類(lèi)機(jī)器人、多傳感器融合的智能小車(chē)、視覺(jué)類(lèi)機(jī)器人等。智能家庭清掃類(lèi)機(jī)器人為機(jī)器人避障、路徑規(guī)劃等理論提供相應(yīng)的平臺(tái)，方便學(xué)生理解、學(xué)習(xí)根據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則，在機(jī)器人工作空間中尋找一條從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑等相關(guān)知識(shí)；視覺(jué)類(lèi)機(jī)器人為圖像處理、模式識(shí)別等相關(guān)的理論提供相應(yīng)的平臺(tái)，方便學(xué)生理解、學(xué)習(xí)圖像的獲取和處理的智能算法；多傳感器信息融合類(lèi)機(jī)器人可以為多傳感器融合技術(shù)提供一個(gè)硬件平臺(tái)，方便學(xué)生理解、學(xué)習(xí)、綜合應(yīng)用控制理論、信號(hào)處理、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)等相關(guān)知識(shí)。
2可實(shí)現(xiàn)智能算法的機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)
各類(lèi)機(jī)器人平臺(tái)的總體架構(gòu)大致相同，都需要包含系統(tǒng)輸入（傳感器）子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)的功能需要硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)。文中結(jié)合微控制器技術(shù)重點(diǎn)闡述硬件設(shè)計(jì)部分，包括機(jī)器人的層次架構(gòu)、硬件選型、電路設(shè)計(jì)等。結(jié)合本科教學(xué)的特點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)從學(xué)生的理解能力、可操作性、可實(shí)現(xiàn)性、后期智能算法的可應(yīng)用性等多個(gè)方面綜合考慮，應(yīng)用微控制器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以下3種機(jī)器人平臺(tái)。
2.1智能家庭清掃類(lèi)機(jī)器人
家庭清掃類(lèi)機(jī)器人的硬件平臺(tái)相對(duì)比較成熟，市場(chǎng)上的國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品也較多。此類(lèi)機(jī)器人任務(wù)較為單一，傳感器種類(lèi)較少，硬件平臺(tái)搭建較為容易，對(duì)學(xué)生而言是一個(gè)較為理想的智能機(jī)器人平臺(tái)。
該平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)采用單CPU架構(gòu)，以輪式機(jī)器人為主。車(chē)體由車(chē)架、電池組、直流電機(jī)、車(chē)輪、微控制器、傳感器等組成。外部傳感器把環(huán)境信息輸入到單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，單片機(jī)開(kāi)發(fā)板對(duì)信息進(jìn)行處理，處理后的決策信號(hào)通過(guò)擴(kuò)展轉(zhuǎn)接板傳給電機(jī)，控制電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。
為保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活且易于控制，我們采用圓形車(chē)體十三輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩主動(dòng)輪差速驅(qū)動(dòng)，第三個(gè)萬(wàn)向輪起輔助支撐的作用。傳感器的布置有多種方案供選擇，學(xué)生選擇不同的位置安裝傳感器會(huì)影響到該機(jī)器人后期避障、路徑規(guī)劃等智能算法的設(shè)計(jì)及研究。微控制器采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)，通過(guò)超聲/紅外傳感器感知環(huán)境信息，使用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)直流電機(jī)，使用PWM技術(shù)對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，通過(guò)MAX7219驅(qū)動(dòng)6位LED數(shù)碼管顯示器顯示系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種信息。
2.2視覺(jué)類(lèi)機(jī)器人
傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)通常采用通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺(jué)信息處理。隨著微控制器技術(shù)的不斷發(fā)展，高端的微控制器也具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。
由于視覺(jué)信息處理計(jì)算量很大，為了使設(shè)計(jì)的視覺(jué)類(lèi)機(jī)器人平臺(tái)能夠應(yīng)用已定的圖像處理算法，視覺(jué)類(lèi)機(jī)器人的層次架構(gòu)采用二級(jí)CPU架構(gòu)，主從式控制實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。一級(jí)CPU采用ARM微控制器，嵌入裁剪的Linux系統(tǒng)，負(fù)責(zé)圖像信息的獲取、處理、系統(tǒng)管理等操作；二級(jí)CPU采用單片機(jī)微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制。
整個(gè)系統(tǒng)的硬件選型為搭載900MHz Quad-core ARM Cortex-A7處理器的樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板、MSP430F149開(kāi)發(fā)板、攝像頭、穩(wěn)壓電源模塊、直流電機(jī)、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、機(jī)器人機(jī)體、電源（12V蓄電池）和轉(zhuǎn)接板。
控制機(jī)器人移動(dòng)的底盤(pán)控制方案除了前面清掃類(lèi)機(jī)器人用到的雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)以外，還有一種全向驅(qū)動(dòng)方式。全向驅(qū)動(dòng)方式靈活性更強(qiáng)，其中三輪驅(qū)動(dòng)的方式具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。結(jié)合視覺(jué)類(lèi)機(jī)器人需求，該平臺(tái)采用全向驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。
2.3多傳感器信息融合類(lèi)機(jī)器人
多傳感器信息融合技術(shù)是近年來(lái)十分熱門(mén)的研究課題，它結(jié)合了控制理論、信號(hào)處理、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)的發(fā)展，為機(jī)器人在各種復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的、不確定或未知的環(huán)境中工作提供了一種技術(shù)解決途徑。信息融合的研究?jī)?nèi)容極其豐富，涉及的基礎(chǔ)理論較多，如有參數(shù)模板法、聚類(lèi)分析、支持向量機(jī)、K均值聚類(lèi)等分類(lèi)方法；自適應(yīng)共振理論（ART）、自適應(yīng)共振理論映射和模糊自適應(yīng)共振理論網(wǎng)絡(luò)等自適應(yīng)的方法進(jìn)行傳感器融合；專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等人工智能方法對(duì)融合大量的傳感器信息，用于非線性和不確定的場(chǎng)合。
單級(jí)、二級(jí)CPU架構(gòu)只能滿足簡(jiǎn)單的多傳感器技術(shù)的需求（如清掃類(lèi)、視覺(jué)類(lèi)機(jī)器人等），復(fù)雜的多傳感器融合類(lèi)機(jī)器人的層次結(jié)構(gòu)采用“多CPU架構(gòu)+分布式控制”方式實(shí)現(xiàn)。在主控機(jī)上實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合算法，下位機(jī)則可根據(jù)需求設(shè)計(jì)多個(gè)CPU，每個(gè)CPU選用單片機(jī)控制機(jī)器人的不同部位，承擔(dān)固定任務(wù)，使得機(jī)器人系統(tǒng)高速、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)每個(gè)微控制器負(fù)責(zé)獲取不同類(lèi)型的傳感器信息，通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)智能分析算法得到?jīng)Q策，決策數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊傳到微控制器去執(zhí)行，如圖3所示。
整個(gè)系統(tǒng)的硬件選型為高性能PC機(jī)（上位機(jī)）、MSP430F149（下位機(jī)微控制器）、WIFI模塊、各種傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)由學(xué)生根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的環(huán)境信息、具體的功能等確定）。
3機(jī)器人平臺(tái)在教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐及效果
在智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的本科實(shí)踐環(huán)節(jié)中，組織大二、大三具備C語(yǔ)言基礎(chǔ)、單片機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生，3～5人自由組隊(duì)，根據(jù)教師給出的項(xiàng)目任務(wù)書(shū)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施以及項(xiàng)目答辯等各個(gè)環(huán)節(jié)。圖4展示的是部分小組制作的機(jī)器人實(shí)物。其中圖4（a）所示的是一個(gè)基于超聲傳感器的輪式機(jī)器人。顯示屏可顯示機(jī)身距離障礙物的距離，該機(jī)器人只包含一個(gè)微控制器MSP430開(kāi)發(fā)板�；诔晜鞲衅鳈z測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。圖4（b）所示的是一個(gè)視覺(jué)機(jī)器人，該機(jī)器人包含兩個(gè)微控制器，一個(gè)為樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板，另一個(gè)為MSP430開(kāi)發(fā)板。樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板主要用于處理圖像信息，MSP430開(kāi)發(fā)板主要用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。圖4（c）所示的是一個(gè)多傳感器融合的機(jī)器人系統(tǒng)。壓力傳感器、MPU6050傳感器等檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)MSP430開(kāi)發(fā)板外接的WIFI模塊傳給上位機(jī)，上位機(jī)的決策也可通過(guò)WIFI模塊傳給單片機(jī)控制器。
這些機(jī)器人基本上都可通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的智能算法，比如圖4（a）可實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的相關(guān)算法；圖4（b）則可實(shí)現(xiàn)一些圖像處理、圖像識(shí)別算法；圖4（c）則可以在上位機(jī)使用智能算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定行走的相關(guān)控制。部分學(xué)生在完成機(jī)器人制作的基礎(chǔ)上，結(jié)合課堂上學(xué)習(xí)的智能算法，優(yōu)化了軟件設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)，取得了一定的成果。
4結(jié)語(yǔ)
教研組充分考慮智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)要求，精心研究及設(shè)計(jì)了基于微控制器技術(shù)的各類(lèi)可實(shí)現(xiàn)智能算法的機(jī)器人硬件平臺(tái)，并應(yīng)用到學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)踐表明，實(shí)物實(shí)驗(yàn)很大程度上增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了低年級(jí)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，此外，學(xué)生制作的機(jī)器人平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一些相關(guān)的智能算法，可以有效地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理解專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為大三、大四的學(xué)習(xí)及應(yīng)用智能專(zhuān)業(yè)知識(shí)打下一個(gè)良好基礎(chǔ)。
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