山西农大机器人方案

1、3.4.3人工智能与机器人创新实验室一、 实验室简介工程教育作为教育的一个重要组成部分，随着科学技术的发展越来越具有其特殊性，创新工程教育已经成为时代主题。从教学课程体系而言，就是要将工程学科各个专业的专业基础课和专业课的教学和实验放到某个具体的、典型的工程对象中进行，而不是分割教学、分割实践，而人工智能与机器人作为一个典型的工程对象和系统，涵盖了计算机、电子、单片机、通信、机械等各个学科的知识内容。能够使学生理解各个学科、专业、课程之间的内在联系，整体和部分之间联系。国泰安从创新教学实验长远角度考虑，将人工智能与机器人创新综合实验室进行功能模块划分，采用循序渐进的方式。真正达到从基础认知，单

2、元技术，系统集成乃至创新的实验拓展规划。国泰安从教学、研究和竞赛三个方面，按照由低到高、由浅入深的配置思路，首先从教学兼顾竞赛型机器人平台入手，由入门简单、不乏深度的竞赛活动推动创新教学，由创新教学促进实验研究，进而开展更为高级的机器人竞赛活动，使教学、研究、竞赛层层递进，良性循环，把技术创新推向国内同等院校一流水平。本方案兼顾了基础的机器人知识，及机器人的技术前沿，使学生从基础，传统的知识架构引申到先进的设备应用之中，在实验实训过程中掌握到知识。二、 人工智能与机器人创新实验室功能创新实训是当前本专科院校进行创新人才培养最有成效的尝试，学校在此基础上构建具有工程专业本科人才培养体系，培养具有

3、较强实践能力和创新精神，具有团队协作能力和快速学习能力，适应国家新型经济社会发展模式的高素质应用型人才。国泰安人工智能与机器人创新实验室的功能具体体现在以下三个方面： 为专业课程提供实验环境机器人是一种综合性实验设备，能够单独为C语言、电路分析、模拟电子、数字电路、信号与分析、单片机原理与应用、电子系统设计技术、自动控制原理、传感与检测技术、电源技术、机器人控制等理工科及物联网基础课程及专业课程提供具有趣味性的实验平台。机器人综合了编程、机电、自动控制、信息工程等多方面学科的课程知识，能够为高年级学生提供毕业设计、综合课程设计平台。在此平台基础上，进行多学科知识综合运用，实现理论知识的融会贯通

4、、综合运用的培养目标。 使用机器人开展创新实训教学机器人作为一种典型机电一体化系统，涉及到制造、机械、电子、传感器、自动控制、计算机软件硬件等学科，因其科技含量高、实践创新性强、探索性强和综合性强的特点，成为培养创新型人才的一条有效途径，是进行创新实践、工程训练及各种竞赛的理想平台。以机器人为平台，学生能逐步自主建构广域的工科知识，激活和强化多方面的能力，了解自己的能力结构，能激发学习兴趣。 通过机器人竞赛调动学生积极性机器人竞赛是机器人技术应用的热点。可以很好地锻炼学生的动手能力、组织能力、协调能力、临场应变和突发问题处理能力等重要的工程素养。同时，机器人竞赛由于其技术性、竞技性，可以很好地

5、吸引学生参加，在学校塑造良好的工程实践教育氛围，引导更多的学生学习。比如全国RoboCup机器人大赛武术擂台赛、机器人游中国、CCTV亚太大学生机器人大赛等。创意之星套件还能够支持学生参加机械创新设计大赛、电子设计大赛等全国性大型比赛。三、 实训项目及研究内容u 实训项目实验室可围绕三个中心开展实训教学：1. 以基础课程、专业课程为中心开展实训教学序号课程实验内容说明1、C语言程序设计流程图编程实践使用流程图编程软件，编写程序逻辑流程图，软件自动转化为C代码，编译运行，验证流程图编写能力LED跑马灯实验学习C语言编程，学习位操作、循环等C语言知识点C语言综合实验使用C编写一个程序，让小车能够避

6、障。全面验证C语言掌握程度。2、数字电路与逻辑设计演示实验展示机器人构型，以机器人控制器为主，展示数字电路实际运用。逻辑门电路实验阅读控制器、传感器原理图，了解二极管、三极管等逻辑门电路工作原理。AD/DA实验采集AD型机器人传感器的AD值，控制指示灯的亮度。学习AD/DA的转换工作原理。3、通信原理演示wifi通信演示wifi通信，通过wifi实现数据传输、图像传输。演示232通信通过控制数字舵机，演示串行数字通讯原理。4、单片机原理及运用演示实验展示机器人构型，为学生展示单片机在机器人控制领域的运用。跑马灯实验通过跑马灯实验，学习掌握单片机IO口使用，学习C语言编程。IO传感器输入使用IO

7、量传感器作为输入信号，当传感器触发之后，让机器人执行某一行为，比如左眼亮起。学习掌握单片机数据采集，单片机端口控制。中断实验将IO量传感器接到中断接口上，当机器人碰到障碍物，中断触发，让机器人执行不同的运动，比如后退。AD/DA实验采集AD型机器人传感器的AD值，控制指示灯的亮度。学习AD/DA的转换工作原理。PWM脉冲实验用PWM脉冲控制指示灯，使得指示灯能够根据输入的AD值，改变亮度。点阵式LCD液晶屏实验在LCD上显示“五邑大学”的字样，学习LCD屏的使用。综合实验搭建一个四轮小车，在单片机控制器上接入IO传感器、AD传感器、指示灯等，做一个自主避障小车。综合检查单片机各知识点的掌握情况

8、。5、嵌入式系统与应用演示实验通过演示高级版创意之星搭建的追球机器人。展示嵌入式系统在机器人上的运用。编程控制4轮小车了解嵌入式系统编程过程。搭建语音控制的6足爬虫学习和掌握PXA270嵌入式处理器以及嵌入式系统编程。6、自动控制原理演示实验演示自平衡机器人，展示PID控制理论的实际运用。设计自平衡机器人学习和掌握自动控制经典理论在实际工程项目上的运用。7、传感与检测技术演示实验演示带有IOAD量传感器的机器人构型，初步了解开关量、模拟量、电阻式、电容式、压电式等传感器的概念，了解传感器的分类和特性。避碰小车学习开关传感器的使用，了解开关量传感器的特性。寻光机器人学习光敏传感器的使用，了解AD

9、传感器的概念和运用。超声跟踪实验搭建一个四轮小车，使用一个超声波传感器，让小车能够跟着人走。学习和掌握超声波传感器。综合实验搭建一个四轮小车，在单片机控制器上接入IO传感器、AD传感器、指示灯等，做一个自主避障小车。综合检查各种传感器的掌握和运用能力。8、单片机原理课程设计综合电子系统设计毕业设计设计擂台赛机器人以综合性的机器人项目，验证学生C语言、单片机、自动控制等等学科的知识掌握程度。考察学生解决实际工程问题的能力和思路。设计爬楼梯机器人设计工业AGV自主导引机器人其它实验内容2. 以实践为中心的项目式实训教学序号阶段课程设置知识点培养目标1、导入阶段（大一）演示性实验（5课时）l 4足爬

10、虫l 6足爬虫l 机器蛇l 机器狗l 声控机器人l 避障机器人l 追求小乌龟l 书法机器人了解机器人技术，了解C语言、单片机、自动控制等等学科的实际运用l 激发学习兴趣构型搭建实验（5课时）l 简易机械臂l 4轮小车l 全向小车l 6自由度机械臂l 履带机器人l 蛇形机器人l 4足爬虫l 6足爬虫l 机器狗使用创意之星零件、控制器、传感器，学习机器人构型搭建。l 动手实践能力l 团体协作能力l 创新思维能力流程图编程实验（10）l 流程图编程基础l 4轮小车运动控制l 基于红外传感器的避障小车l 具有种行为的避障小车l 学习流程图自动生成的C代码l 使用C语言编程，控制避障小车基础课程：C语言

11、通过避障小车这个完整项目，逐步了解流程图编程，培养编程逻辑；通过对照学习流程图及其自动生成的C代码，学习C语言编程。l C语言编程能力ll 自主学习能力l 动手实践能力l 团队协作能力2、基础项目（大二、大三）l 多彩霓虹灯n 数字信号介绍n 单片机IO操作n 循环、延迟、移位等C语言编程n 跑马灯编程n 单片机开发环境及程序调试l 自主避障机器人n 舵机控制n 直流电机驱动控制n AD传感器n IO传感器n 超声波传感器n 迷宫算法n 避障机器人程序实现l 4足仿生机器人n 仿生机器人动作规划n 仿生机器人步态分析n 光敏传感器n 追踪光源的4足爬虫算法实现基础课程：l C语言l 数字电路l

12、 模拟电路l 单片机l 数字信号处理l 计算机组成原理通过深入学习传感器、舵机、直流电机、单片机控制器的内部原理、使用方式，巩固并融会贯通数字电路、模拟电路、单片机、数字信号、计算机组成原理等学科的知识；通过编写单片机程序，控制机器人，巩固加深单片机、C语言知识。l C语言编程l 单片机运用l 模拟电路运用l 数字电路运用l 动手实践能力l 团队协作能力l 自主学习能力l 知识关联能力l 应用实践能力3、深入项目及比赛项目（大三下、大四上）l 两轮自平衡机器人n 两轮自平衡机器人搭建n 舵机控制n 红外测距传感器使用n 数字式PID算法实现n 自平衡算法实现n 现场展示、项目答辩l 武术擂台赛

13、无差别组n 比赛规则分析n 结构设计n 传感器布置n 基本比赛算法调试n 对抗程序调试n 参与比赛、项目答辩l 擂台赛仿人组n 比赛规则分析n 搭建机器人n 编程实现比赛功能n 调试比赛算法n 参与比赛、项目答辩l 技术挑战赛n 比赛规则分析n 搭建机器人n 编程实现比赛功能n 调试比赛算法n 参与比赛、项目答辩基础课程：l C语言l 数字电路l 模拟电路l 单片机l 数字信号处理l 计算机组成原理l 自动控制原理通过复杂完整的项目锻炼学生各学科知识的运用能力；通过项目展示、项目答辩总结项目过程中学习的知识，项目设计经验和感悟；通过比赛项目锻炼学生，组件比赛团队和技术协会，选拔优秀的学生参加国

14、内大型机器人赛事。l C语言编程l 单片机运用l 模拟电路运用l 数字电路运用l 自动控制运用l 动手实践能力l 团队协作能力l 自主学习能力l 知识关联能力l 应用实践能力l 创新实验能力l 系统调试能力l 表达能力l 民主管理能力l 调整和恢复能力4、课题项目（大四）单片机课程设计、综合电子系统设计、毕业设计等。l 写书法机器人l 弹钢琴机器人l 16关节的仿生机器狗l 禽卵自动采集机器人l 服务机器人l 垃圾分拣机器人l 搜救机器人模块化方案设计l 多方位可调机械手l 自动捡网球机器车l 自动叠衣机器人l 清洁机器人基础课程：l 公共基础课l 专业平台课l 专业基础课l 专业选修课为学生

15、毕业设计、课程设计、综合设计、电子设计大赛等提供实现平台。l C语言编程l 单片机运用l 模拟电路运用l 数字电路运用l 自动控制运用l 动手实践能力l 团队协作能力l 自主学习能力l 知识关联能力l 应用实践能力l 创新实验能力l 系统调试能力l 表达能力l 民主管理能力l 调整和恢复能力3. 以竞赛与创新实训为中心的同步实训教学赛事介绍优缺点CCTV机器人电视大赛全国大学生机器人电视大赛是中央电视台主办，教育部和科技部协办，全国各本科、专科、高职院校广泛参与的机器人竞技盛事。影响大，水平高资金投入大，需每年持续投资，受益面窄，竞争激烈中国机器人大赛中国机器人大赛由中国自动化学会机器人竞赛工

16、作委员会、科技部高技术研究发展中心等主办，包括50余项赛事，涵盖了RoboCup中国大赛和Fira足球机器人比赛，是国内参与面最广的机器人赛事。CCTV同样直播每年赛事。影响大，水平高赛种多，受益面广，且资金投入可大可小飞斯卡尔智能车大赛Freescale公司主办的智能小车大赛，参与面比较广。影响尚可参与较容易，受益面广，资金投入小，但只侧重锻炼学生的编程能力机器人灭火/走迷宫大赛已有10多年历史的机器人竞赛，国内的中学、大学参与面比较广。影响较大，难度较低，受益面广，但水平一般，较适合中学生综合考虑本实验室的建设目的，需要达到“受益面广、比赛影响力大、教学竞赛互相促进”的目的，选择“中国机器

17、人大赛”作为重点考虑赛事。该赛事包含50多个赛种，综合考虑各种因素，选择“中国机器人大赛”的以下赛种作为实验室的重点支持：赛种介绍难度受益面优缺点备注机器人武术擂台赛这几项竞赛均是“中国机器人大赛”的赛种。大赛每年一次，11月份，中国机器人大赛竞赛委员会提前下发通知。大赛委员会通知各参赛队伍报名及资格审核等事宜。低-中广影响大，门槛低，国泰安能够获得组织单位的大力支持本赛种是全国ROBOCUP机器人大赛最具影响力竞赛赛种之一，每年大赛委员会委托自动化委员会委员、大赛评委会总负责王野先生制定竞赛规则，公司支持力度大，获奖几率高，面广。此赛事影响力大，入门较低，学院参赛团队2-3个月就可以完成参赛

18、准备。赛前，统一组织集中培训，提供现场指导和服务，提供备用件。颁发全国机器人大赛获奖证书和奖杯。RoboCup中型组足球机器人大赛中广影响大，是Robocup世界杯的中国选拔赛，Robocup中学术水平最高的竞赛之一中型组足球比赛同属ROBOCUP赛种之一，每年一次国内选拔赛和国际赛。国内和国际影响力最大的赛事。u 研究内容通过实验室可开展以下研究项目：1）机器人传感与感知技术l 传感器主要包括：声纳、红外传感器、电子罗盘、陀螺仪、GPS、编码器、语音、视觉等多种传感器，可完成的实验研究包括：l 基于声纳和红外传感器的环境建模，以及电子地图绘制l 基于声纳和红外传感器的机器人路径规划l 基于G

19、PS和电子罗盘的机器人大尺度区域导航定位研究l 基于MEMS惯性器件的机器人导航技术研究l 多传感器融合技术的机器人精确定位研究l 移动机器人系统中传感器扩展技术研究2）智能系统及其控制方法l 基于自适应PID控制的机器人运动控制研究l 基于行为的机器人控制策略/行为机器人学l 移动机器人的动力学、运动学模型研究 l 开放式、分布式、总线架构机器人控制理论研究 l 移动机器人神经网络控制研究 l 机器人系统中的嵌入式控制器研究（基于32位ARM处理器） l 基于遗传算法的移动机器人的智能控制和路径规划研究3）机器视觉技术l 自主导航机器人标准配置的二自由度云台摄像机和可选配全景视觉系统，以及可

20、选配的双目立体视觉系统，可开展与计算机视觉相关的大量研究：l ROBOCUP足球机器人的视觉定位方法研究l 图像视频的格式转换、颜色空间转换、压缩、解码及处理l 基于机器视觉的视觉导航系统研究 l 视觉伺服技术及其控制系统研究l 图像特征及模版匹配技术研究 l 人脸识别技术及其在移动机器人中的应用 l 双目立体视觉定位技术研究l 基于双目视觉的三维环境重建研究4）网络机器人及群体机器人技术l 导航机器人配备高速无线以太网，并提供包含主要网络功能UP-BNRS软件包，可进行相关的网络互联机器人研究。UP-BNRS软件包还提供基于“行为”的机器人控制体系。l 视频网络传输及其在移动机器人系统中的应

21、用 l 基于Multi Agent的多机器人协作研究l 基于网络的移动机器人直接控制系统研究 l 监督式网络控制结构及其在移动机器人中的应用 l 移动机器人中视觉临场感遥控系统的研究 l 基于网络的移动机器人分布式控制系统研究l 多移动机器人系统合作与协调 l 多机器人任意队形分布式控制研究 5）人机交互技术l 人机交互是智能机器人的重要研究方向。通过标准配置的语音和视觉传感器，以及UP-BNRS软件包的相关功能，用户可和机器人进行友好的交互。l 语音识别技术及其在移动机器人系统中应用l 多模态人机交互及其在移动机器人系统中l 人物/表情识别及其在移动机器人系统中的应用l 特定/非特定的自然语

22、言识别和理解技术6）机器人系统与设计l 全自主移动机器人系统设计l 移动机器人系统的可靠性设计四、 系统组成五、 产品组成及配置1. 创意之星标准版创新项目机器人采用AVR控制器，控制器上传感器接口众多，可同时将红外、温度、光强、声音、碰撞等传感器同时插在控制器上（不使用产品本身以外的设备），并顺利运行。另外，图形化机器人集成开发环境支持基于流程图的图形化编程和ANSI C语言混合编程；程序为交叉编译执行，非解释执行，支持所有ANSI C的特性，如指针、数组、结构体、位操作等，是程序编写、编译、下载、调试一体的集成开发环境，具备3D仿真环境，可对机器人进行运动学仿真，也可用于可视化动作编辑。具

23、备实时数据监控，可以监测传感器信号和机器人发回的数据。序号产品名称数量1AVR控制器1套2总线式机器人舵机14个3红外接近传感器1个4碰撞传感器1个5灰度传感器1个6光强传感器1个7声音传感器1个8姿态传感器1个9红外测距传感器1个10配套资源（组装指南和实验指导书，以及开放的结构3D模型和C语言源程序）1套2. 创意之星高级版创新项目机器人采用32位ARM10控制器，控制器上传感器接口众多，可同时将红外、温度、光强、声音、碰撞等传感器同时插在控制器上（不使用产品本身以外的设备），并顺利运行。控制器能直接做本地视觉处理，无须接插笔记本、电脑等其他设备即可正常运行。另外，图形化机器人集成开发环境支持基于流程图的图形化编程和ANSI C语言混合编程，程序为交叉编译执行，支持所有ANSI C的特性，如指针、数组、结构体、位操作等，是程序编写、编译、下载、调试一体的集成开发环境；具备3D仿真环境，可对机器人进行运动学仿真，也可用于可视化动