微控制器技術在智能科學與技術本科教學中的應用

陳啟麗　陳雯柏　許曉飛

摘要：分析微控制器技術在人工智能領域的應用現狀，介紹幾種機器人的結構并說明設計方案，基于微控制器技術探討可實現智能算法的機器人硬件平臺在本科教學中的應用，以期為學生學習、理解及應用專業知識提供相應的硬件平臺。

關鍵詞：智能科學與技術；智能機器人平臺；微控制器技術

0引言

機器人是一個典型的機電一體化系統，它綜合了機械設計、電工電子、傳感器、計算機、微控制器編程控制系統和人工智能等學科的內容，是智能科學與技術本科專業很多課程教學和實驗的理想的平臺。同時學生經常參加各種機器人相關的比賽，旨在通過大賽全面培養學生的動手能力、創造能力、合作能力和進取精神，同時也深化和應用智能科學與技術專業所學的知識。

與研究生相比，本科生對動手設計的興趣要遠遠高于對理論知識的學習。針對本科生的這一特點，為本科二、三年級的學生設計一些創新性的機器人項目，引導學生自己組隊，搭建相應的硬件電路，為他們在高年級深入理解和學習智能科學與技術的專業課程提供一個硬件平臺，打下一定的專業基礎，并通過這些項目的實施提高學生的綜合應用和創新能力。

1微控制器技術在人工智能領域的應用現狀

微控制器技術應用超大規模集成電路技術把中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口、中斷系統、定時器等功能（部分包括脈寬調制電路、模擬多路轉換器、顯示驅動電路以及A/D轉換器等）集成到一個芯片上，組成一個體積小但功能強大的計算機系統。該芯片可外接多種傳感器，實現對多種信息的采集處理，結合信息融合技術，可以實現機器各種預期的智能行為（如導航裝備、汽車的各種智能控制系統、智能家電等）。

高效地融合微控制器技術與人工智能技術，將智能算法嵌入到機器人微控制器中，系統則會呈現出各種智能行為。可實現智能算法的機器人平臺主要集中在以下幾個方面：智能家庭清掃類機器人、多傳感器融合的智能小車、視覺類機器人等。智能家庭清掃類機器人為機器人避障、路徑規劃等理論提供相應的平臺，方便學生理解、學習根據某個或某些優化準則，在機器人工作空間中尋找一條從初始狀態到目標狀態避開障礙物的最優路徑等相關知識；視覺類機器人為圖像處理、模式識別等相關的理論提供相應的平臺，方便學生理解、學習圖像的獲取和處理的智能算法；多傳感器信息融合類機器人可以為多傳感器融合技術提供一個硬件平臺，方便學生理解、學習、綜合應用控制理論、信號處理、人工智能、概率和統計等相關知識。

2可實現智能算法的機器人平臺設計

各類機器人平臺的總體架構大致相同，都需要包含系統輸入（傳感器）子系統、決策子系統、通訊子系統以及運動控制子系統。各個子系統的功能需要硬件設計和軟件設計共同實現。文中結合微控制器技術重點闡述硬件設計部分，包括機器人的層次架構、硬件選型、電路設計等。結合本科教學的特點，硬件設計從學生的理解能力、可操作性、可實現性、后期智能算法的可應用性等多個方面綜合考慮，應用微控制器技術，實現以下3種機器人平臺。

2.1智能家庭清掃類機器人

家庭清掃類機器人的硬件平臺相對比較成熟，市場上的國內外的產品也較多。此類機器人任務較為單一，傳感器種類較少，硬件平臺搭建較為容易，對學生而言是一個較為理想的智能機器人平臺。

該平臺的硬件設計采用單CPU架構，以輪式機器人為主。車體由車架、電池組、直流電機、車輪、微控制器、傳感器等組成。外部傳感器把環境信息輸入到單片機開發板，單片機開發板對信息進行處理，處理后的決策信號通過擴展轉接板傳給電機，控制電動轉動，從而實現機器人的運動，系統的硬件結構圖如圖l所示。

為保證機器人運動靈活且易于控制，我們采用圓形車體十三輪式移動機構。兩主動輪差速驅動，第三個萬向輪起輔助支撐的作用。傳感器的布置有多種方案供選擇，學生選擇不同的位置安裝傳感器會影響到該機器人后期避障、路徑規劃等智能算法的設計及研究。微控制器采用TI公司的MSP430F149單片機，通過超聲/紅外傳感器感知環境信息，使用L298電機驅動模塊驅動左右兩個直流電機，使用PWM技術對電機的速度進行調節和控制，通過MAX7219驅動6位LED數碼管顯示器顯示系統運行過程中的各種信息。

2.2視覺類機器人

傳統的移動機器人視覺系統通常采用通用計算機進行視覺信息處理。隨著微控制器技術的不斷發展，高端的微控制器也具備了強大的數據處理能力。

由于視覺信息處理計算量很大，為了使設計的視覺類機器人平臺能夠應用已定的圖像處理算法，視覺類機器人的層次架構采用二級CPU架構，主從式控制實現，如圖2所示。一級CPU采用ARM微控制器，嵌入裁剪的Linux系統，負責圖像信息的獲取、處理、系統管理等操作；二級CPU采用單片機微控制器實現對機器人運動的控制。

整個系統的硬件選型為搭載900MHz Quad-core ARM Cortex-A7處理器的樹莓派開發板、MSP430F149開發板、攝像頭、穩壓電源模塊、直流電機、L298N電機驅動板、機器人機體、電源（12V蓄電池）和轉接板。

控制機器人移動的底盤控制方案除了前面清掃類機器人用到的雙輪差動驅動以外，還有一種全向驅動方式。全向驅動方式靈活性更強，其中三輪驅動的方式具有較強的穩定性。結合視覺類機器人需求，該平臺采用全向驅動方式實現機器人的移動。

2.3多傳感器信息融合類機器人

多傳感器信息融合技術是近年來十分熱門的研究課題，它結合了控制理論、信號處理、人工智能、概率和統計的發展，為機器人在各種復雜的、動態的、不確定或未知的環境中工作提供了一種技術解決途徑。信息融合的研究內容極其豐富，涉及的基礎理論較多，如有參數模板法、聚類分析、支持向量機、K均值聚類等分類方法；自適應共振理論（ART）、自適應共振理論映射和模糊自適應共振理論網絡等自適應的方法進行傳感器融合；專家系統、神經網絡和模糊邏輯等人工智能方法對融合大量的傳感器信息，用于非線性和不確定的場合。

單級、二級CPU架構只能滿足簡單的多傳感器技術的需求（如清掃類、視覺類機器人等），復雜的多傳感器融合類機器人的層次結構采用“多CPU架構+分布式控制”方式實現。在主控機上實現多傳感器信息融合算法，下位機則可根據需求設計多個CPU，每個CPU選用單片機控制機器人的不同部位，承擔固定任務，使得機器人系統高速、穩定運行。同時每個微控制器負責獲取不同類型的傳感器信息，通過無線通信模塊將數據傳給上位機。上位機通過智能分析算法得到決策，決策數據通過無線模塊傳到微控制器去執行，如圖3所示。

整個系統的硬件選型為高性能PC機（上位機）、MSP430F149（下位機微控制器）、WIFI模塊、各種傳感器及執行機構（傳感器和執行機構由學生根據機器人項目的環境信息、具體的功能等確定）。

3機器人平臺在教學過程中的實踐及效果

在智能科學與技術專業的本科實踐環節中，組織大二、大三具備C語言基礎、單片機基礎的學生，3～5人自由組隊，根據教師給出的項目任務書進行項目設計、項目實施以及項目答辯等各個環節。圖4展示的是部分小組制作的機器人實物。其中圖4（a）所示的是一個基于超聲傳感器的輪式機器人。顯示屏可顯示機身距離障礙物的距離，該機器人只包含一個微控制器MSP430開發板。基于超聲傳感器檢測的數據實現對機器人的控制。圖4（b）所示的是一個視覺機器人，該機器人包含兩個微控制器，一個為樹莓派開發板，另一個為MSP430開發板。樹莓派開發板主要用于處理圖像信息，MSP430開發板主要用于控制機器人的運動。圖4（c）所示的是一個多傳感器融合的機器人系統。壓力傳感器、MPU6050傳感器等檢測機器人自身狀態的傳感器數據通過MSP430開發板外接的WIFI模塊傳給上位機，上位機的決策也可通過WIFI模塊傳給單片機控制器。

這些機器人基本上都可通過軟件設計實現相關的智能算法，比如圖4（a）可實現路徑規劃的相關算法；圖4（b）則可實現一些圖像處理、圖像識別算法；圖4（c）則可以在上位機使用智能算法對傳感器數據進行分析，實現機器人穩定行走的相關控制。部分學生在完成機器人制作的基礎上，結合課堂上學習的智能算法，優化了軟件設計及算法實現，取得了一定的成果。

4結語

教研組充分考慮智能科學與技術專業本科教學要求，精心研究及設計了基于微控制器技術的各類可實現智能算法的機器人硬件平臺，并應用到學生的動手實踐環節。實踐表明，實物實驗很大程度上增加了學生的學習興趣，鍛煉了低年級學生的動手能力、實踐能力及創新能力，此外，學生制作的機器人平臺可實現一些相關的智能算法，可以有效地引導學生學習理解專業知識，為大三、大四的學習及應用智能專業知識打下一個良好基礎。

（編輯：彭遠紅）