黃 捷

(1．福建教育學(xué)院，福建 福州 350025；2．北京理工大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100081；3．格羅寧根大學(xué)數(shù)學(xué)與自然科學(xué)學(xué)院，荷蘭 格羅寧根 9747AG)1

Pioneer 3機器人在基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性 學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

黃 捷1,2,3

(1．福建教育學(xué)院，福建 福州 350025；2．北京理工大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100081；3．格羅寧根大學(xué)數(shù)學(xué)與自然科學(xué)學(xué)院，荷蘭 格羅寧根 9747AG)1

文章研究機器人教育在基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生控制與設(shè)計和計算機編程的綜合能力。首先簡要介紹了Pioneer 3機器人的體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)軟件特點，然后以機器人路徑規(guī)劃及控制這一開放性問題開展研究性學(xué)習(xí)活動，并給出了問題的解決方案。

Pioneer 3機器人；通用技術(shù)；信息技術(shù)；技術(shù)課程；控制與設(shè)計

技術(shù)教育是基礎(chǔ)教育中重要的組成部分，“通用技術(shù)”與“信息技術(shù)”構(gòu)成了我國基礎(chǔ)教育階段的技術(shù)課程體系。機器人控制綜合了控制技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、機構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)工程等多方面的知識，因此教育機器人是通用技術(shù)和信息技術(shù)研究性學(xué)習(xí)的一個良好的載體[1]。目前在基礎(chǔ)教育階段機器人教育中常采用樂高等簡易機器人開展機器人教學(xué)活動，但是這類機器人不能實現(xiàn)復(fù)雜的功能，更難以稱之為“智能機器人”。而Pioneer機器人，作為面向教學(xué)和科研的機器人研究和實驗平臺，可以實現(xiàn)較復(fù)雜的機器人控制實驗，現(xiàn)廣泛用于全球各大高等院校和研究所。由于Pioneer機器人平臺的先進(jìn)性，對使用者的綜合素質(zhì)有較高的要求，目前我國基礎(chǔ)教育階段的學(xué)校少有采用此平臺。近幾年，如何開展“研究性學(xué)習(xí)”在我國教育學(xué)界中得到廣泛的討論[2-6]。簡而言之，作為一種學(xué)習(xí)方式，“研究性學(xué)習(xí)”是指教師或其他指導(dǎo)者不把現(xiàn)成結(jié)論告訴學(xué)生，而是學(xué)生在教師引導(dǎo)下，基于某個問題框架，自主發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、獲得結(jié)論的過程[3]?！把芯啃詫W(xué)習(xí)”是滲透于多種學(xué)科并且在研究性活動之中獲得知識的一種學(xué)習(xí)方式。

本文研究Pioneer 3機器人在基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，設(shè)計出一個適合基礎(chǔ)教育階段學(xué)生和教師開展研究性活動的開放性機器人控制課題，并給出解決方案。本文主要創(chuàng)新在于：發(fā)揮Pioneer3機器人模塊化設(shè)計及平臺易用性的特點，探索它在基礎(chǔ)教育階段技術(shù)課程的研究性教學(xué)中的應(yīng)用的可行性，以機器人路徑規(guī)劃及其運動控制作為主要研究內(nèi)容，使其可作為于通用技術(shù) “控制與設(shè)計”和信息技術(shù)“程序設(shè)計”的研究性學(xué)習(xí)載體。

一、教學(xué)目標(biāo)

利用Pioneer3機器人開展技術(shù)教育研究性學(xué)習(xí)的目標(biāo)是：在機器人運動控制的研究性教學(xué)活動中，促進(jìn)學(xué)生掌握控制理論的基本概念、計算機編程能力以及團隊合作能力?！翱刂婆c設(shè)計”是通用技術(shù)《技術(shù)與設(shè)計2》中重要的章節(jié)，是學(xué)生認(rèn)識基本自動控制原理的入門內(nèi)容。加強“控制與設(shè)計”的課程教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，不斷改進(jìn)教學(xué)方案是十分必要的。此外，信息技術(shù)重點在于培養(yǎng)學(xué)生的編程的邏輯思維和計算機程序代碼的編寫能力。Pioneer3機器人是上述教學(xué)內(nèi)容良好的研究平臺。

二、教學(xué)內(nèi)容和開放性問題設(shè)計

本研究性學(xué)習(xí)以機器人全區(qū)域覆蓋運動控制作為內(nèi)容開展研究。首先需要學(xué)習(xí)Pioneer3機器人平臺的軟硬件，其次研究單機器人區(qū)域覆蓋控制問題，然后進(jìn)一步研究多機器人協(xié)同區(qū)域覆蓋控制。其中，如何使用Pioneer3機器人軟硬件平臺作為入門知識以教師講授為主；機器人的區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃和控制問題主要以研究性教學(xué)的形式和過程中完成。

(一)學(xué)習(xí)Pioneer3機器人的硬件平臺

Pioneer3機器人是美國ActivMedia公司推出的一款輪式移動機器人，它帶有機載PC機，是一個可以實現(xiàn)完全自主運動的智能移動機器人。它的結(jié)構(gòu)尺寸為：長50cm、寬49cm、高26cm、重9kg，輪子直徑為21.5cm。先鋒機器人由以下幾個主要部件組成：(1)頂板；(2)緊急停車按鈕；(3)用戶控制面板；(4)機身、鼻部、附件面板；(5)聲納；(6)電動機、車輪、編碼器；(7)電池和電源。[7]除了上述固定的硬件配置之外，每個Pioneer機器人都有許多擴展組件，包括內(nèi)置硬件支持的聲納、碰撞感知器和提升/鉗子受動器，以及傳感器、受動器和控制附件的串口和服務(wù)器軟件支持等，例如機載PC機系統(tǒng)、自動入塢/充電系統(tǒng)、激光測距、多自由度機械手臂、平面傾斜相機等等，還可外接筆記本電腦作為Pioneer機器人的控制器。

(二)學(xué)習(xí)Pioneer3機器人的軟件平臺

控制Pionee3機器人需要多種軟件配合使用，這部分授課以教師講授的方式為主，通過集中授課的方式講授軟件的基本使用方法，學(xué)生在研究性活動過程中再逐步摸索、學(xué)習(xí)和提高。相關(guān)的軟件主要包含微軟Visual Studio.NET編程語言、Mobi leRobots公司的機器人應(yīng)用接口程序ARIA、ActiveMedia公司的機器人運動仿真軟件MobileSim和地圖繪制軟件Mpper3。

1.Microsof t Visual Studio.NET

Visual Studio.NET是微軟推出一款基于.net架構(gòu)的開發(fā)工具。該架構(gòu)將強大功能與新技術(shù)結(jié)合起來，用于構(gòu)建具有視覺上引人注目的應(yīng)用程序。

2.ARIA

ARIA是Mobi leRobots公司推出的用于先鋒機器人控制的應(yīng)用程序接口。它提供了到各種智能機器人系統(tǒng)的可靠客戶端接口，包括機器人的控制器和附件系統(tǒng)。開發(fā)人員通過ARIA可以有效管理機器人的高層行為和資源。該軟件具有強大的功能和適應(yīng)性，Pioneer機器人基本軟件系統(tǒng)都是以ARIA為基礎(chǔ)的。

3.Mobi leSim

MobileSim是ActiveMedia公司Pioneer系列機器人的仿真軟件，包含了機器人的運動控制模型、聲納和激光傳感器模型、通訊模型，以及周圍環(huán)境模型，可以加載地圖，獲取傳感器數(shù)據(jù)信息，可提供實際機器人的絕大多數(shù)功能。用戶編寫的代碼可先在Mobi leSim上運行，在Mobi leSim上的仿真結(jié)果與機器人在實際環(huán)境中運動的效果是接近的，若調(diào)試成功，再將代碼傳送到機器人實物平臺上做進(jìn)一步的調(diào)試和運行。

4.Mapper

Mapper是地圖繪制軟件，可以自動生成地圖或者手工繪制地圖。自動生成地圖時，它需要和機器人平臺上的激光測距儀獲取的環(huán)境信息圖。Mobi leSim可以利用Mapper生成的環(huán)境地圖。教師和學(xué)生可以利用Mapper生成虛擬的地圖環(huán)境用于機器人的模擬控制。

(三)機器人控制開放性問題的設(shè)計和解決方案

1.機器人區(qū)域覆蓋控制問題

研究性學(xué)習(xí)，通常需要開發(fā)一個主題或者開放性問題為學(xué)習(xí)過程的載體。針對“控制與設(shè)計”和“計算機程序設(shè)計”教學(xué)的綜合需要，設(shè)計移動機器人路徑規(guī)劃下的控制問題作為研究活動的載體。路徑規(guī)劃它是按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起始點和目標(biāo)點之間規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙物無碰撞的最優(yōu)路徑，其中機器人工作地圖環(huán)境信息可以是給定的也可以是同步定位和地圖構(gòu)建(SLAM)?？紤]到中學(xué)生和教師的知識和技能水平和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。為了降低研究和實驗的難度，本案例中建議采用給定地圖的方式，地圖可以根據(jù)實驗環(huán)境的情況通過Mapper構(gòu)建出來。在移動機器人路徑規(guī)劃中，全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃是比較典型的規(guī)劃任務(wù)，它在滿足某種性能評價指標(biāo)最優(yōu)的前提下尋找一條在設(shè)定區(qū)域內(nèi)從始點到終點且經(jīng)過所有可達(dá)點的路徑規(guī)劃，其特點是在地圖全區(qū)域內(nèi)完全遍歷路徑，如圖1所示。這種路徑規(guī)劃廣泛應(yīng)用于排雷機器人、掃地機器人、割草機器人和水下機器人污染監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域。

2.機器人區(qū)域覆蓋控制的方法

為了解決機器人區(qū)域覆蓋控制問題，首先將全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃描述為[8，9]:

設(shè)機器人的運動范圍S={x,y|x,y為某閉合曲線所包圍的點}。

如果將在平面上運動的Pioneer3機器人看做是運動的質(zhì)點，那么全區(qū)域覆蓋就是該運動質(zhì)點能夠連續(xù)移動且經(jīng)過可達(dá)區(qū)域中所有點的一條連續(xù)路徑，稱該路徑為可行遍歷軌跡。顯然，可行的遍歷軌跡不止一條。所有可行遍歷軌跡可以由下式表示：

進(jìn)一步，可以采用多臺機器人同時參與遍歷，難點在于對不同的機器人如何分別劃分工作區(qū)域。在具體的實驗室環(huán)境中，在地圖中間放置4個障礙物，同時構(gòu)建虛擬地圖邊界，五臺Pioneer機器人完成壁障和遍歷，如圖2所示。

圖2 五臺Pioneer機器人編隊壁障和遍歷實驗圖

三、教學(xué)模式

本課程既有面對面的講授式教學(xué)，又有學(xué)生以小組為單位的研究性學(xué)習(xí)活動，從某種意義上屬于混合式學(xué)習(xí)模式。在研究性活動中，應(yīng)該注意突出學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生在教師的引領(lǐng)下主動去尋求知識。每個研究小組選出一名組長，負(fù)責(zé)任務(wù)分工以及問題尋解過程中的整體把握。需要值得注意的是，指導(dǎo)教師應(yīng)在組長選舉階段給予必要的引導(dǎo)，選擇小組中學(xué)習(xí)主動、有充足時間、有充分興趣、有組織能力和合作學(xué)習(xí)經(jīng)驗的組員擔(dān)任組長，同時加強組長與指導(dǎo)教師之間的聯(lián)系。

通過授課式教學(xué)，使得學(xué)生快速地初步掌握Visual Studio.NET、ARIA、Mobi leSim和Mapper等軟件的使用和計算機編程能力；在研究性教學(xué)中，通過機器人路徑規(guī)劃和運動控制來掌握系統(tǒng)工程、控制和設(shè)計的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生針對機器人全區(qū)域覆蓋問題，通過研究選擇合適的路徑規(guī)劃，并根據(jù)所選擇的規(guī)劃方法，通過小組合作的方法用上述計算機編程工具分別進(jìn)行程序設(shè)計。完成地圖信息構(gòu)建，將地圖信息導(dǎo)入仿真平臺，編寫機器人控制器程序。此外還需注意難易度的掌握，提供Pioneer3機器人控制主要程序代碼，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度。

四、評價

應(yīng)加強對研究性學(xué)習(xí)過程的評價。而不是只作最后的總結(jié)性評價?？蓮拈_題(選題與定題)、實施過程以及結(jié)題三個階段，按照不同權(quán)重對著三個學(xué)習(xí)過程分別給予評價。其中開題和結(jié)題以報告的形式體現(xiàn)，實施過程階段應(yīng)該注重個人在小組活動中的表現(xiàn)，注重突出個人貢獻(xiàn)在總分中所占的比例，以此來評定學(xué)生成績等次。

五、結(jié)論

本文提出一種可行的開放性問題的設(shè)計和解決方案。本文研究如何把pioneer3這個相對于基礎(chǔ)教育來說比較高級的機器人平臺引入基礎(chǔ)教育，其難點在于，由于Pioneer3機器人的控制需要較為高深的軟硬件知識，這對中學(xué)教師和學(xué)生來說難度很大，因此將Pioneer3機器人應(yīng)用到基礎(chǔ)教育技術(shù)課程研究性學(xué)習(xí)具有一定新穎性和挑戰(zhàn)性。本文通過引入機器人全區(qū)域覆蓋控制這個開放性問題，在課題的設(shè)計和實施方面盡可能降低學(xué)習(xí)難度，使得這個平臺能在基礎(chǔ)教育研究性課程學(xué)習(xí)中應(yīng)用。本文的研究內(nèi)容可用于培養(yǎng)學(xué)生綜合的技術(shù)素養(yǎng)，推動通用技術(shù)和信息技術(shù)的教學(xué)。

[1]黃捷,叢敏.教育機器人的界定及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中學(xué)理科園地,2013(6).

[2]吳薇,王竹立.大學(xué)生是如何協(xié)作探究的——大學(xué)通識課程研究性學(xué)習(xí)的敘事研究[J].開放教育研究,2012(6).

[3]張華.論“研究性學(xué)習(xí)”課程的本質(zhì)[J].教育發(fā)展研究,2001(5).

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[5]龍慧靈,熊黎,龍海明.論研究性教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)[J].社會科學(xué)家,2010(8).

[6]耿紅衛(wèi).研究性學(xué)習(xí)的誤區(qū),成因及實施建議[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版),2012(4).

[7]Download Pioneer 3-AT Datasheet [EB/OL]. [2014-08-14].http://www.activmedia.com/.

[8]李開生,張慧慧,費仁元,等.具有遍歷特性的移動機器人規(guī)劃方法的研究[J].機器人,2001(6).

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G42

A

1673-9884(2015)01-0080-04

2014-10-20

福建教育學(xué)院重大科研課題(2014ZD-06)；福建省中青年教師教育科研項目(JB13442S)

黃捷(1983- )，男，福建福清人，福建教育學(xué)院講師，博士研究生。