劉 恒，黃曉鈺，李昊汶，吳朝陽

基于時(shí)間片法的多任務(wù)智能小車實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉 恒1，黃曉鈺1，李昊汶2，吳朝陽1

（1. 南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 南京信息工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210044）

針對(duì)電子信息類大類一年級(jí)新生構(gòu)建了專業(yè)認(rèn)知綜合性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)選用基于Arduino UNO開源硬件平臺(tái)的車形機(jī)器人套件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以模擬火山島營(yíng)救為主題任務(wù)，針對(duì)單線程處理多任務(wù)，采用時(shí)間片法分配使用CPU。教學(xué)實(shí)踐表明，基于開源的圖形化編程的該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)入門簡(jiǎn)單、趣味性強(qiáng)，能有效拓展學(xué)生思維空間，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)認(rèn)同感，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力具有積極意義。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；時(shí)間片法；多任務(wù)；專業(yè)認(rèn)同感

大學(xué)一年級(jí)是學(xué)生從高中到大學(xué)的轉(zhuǎn)折期，也是大學(xué)生發(fā)展非常重要的時(shí)期。研究表明，大學(xué)生的成功與否在一定程度上取決于其在大一階段的情況[1]。對(duì)于以實(shí)踐為根本特征的高等工程教育，大一階段獲取的專業(yè)知識(shí)和早期工程體驗(yàn)，不僅可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感，而且可以有效地激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，促使其完成從以追求好成績(jī)?yōu)槟繕?biāo)的被動(dòng)式學(xué)習(xí)，向以探究科學(xué)知識(shí)、解決復(fù)雜工程問題為目標(biāo)的主動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變[2]。

我校自實(shí)行電子信息類大類招生以來，試點(diǎn)構(gòu)建了電子信息類大類一年級(jí)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐體系，包括綜合性專業(yè)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、1個(gè)學(xué)分的開源Arduino軟硬件平臺(tái)編程、集中式開源平臺(tái)命題比賽（智能爬蟲）等，其中綜合性專業(yè)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)是關(guān)鍵一環(huán)。面向大學(xué)一年級(jí)新生，認(rèn)知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇至關(guān)重要。由于學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備不足，理論深度較高、軟硬件平臺(tái)復(fù)雜的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，往往效果不理想[3]。認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)能夠快速吸引學(xué)生興趣，開發(fā)軟硬件平臺(tái)也不應(yīng)太復(fù)雜。同時(shí)，認(rèn)知實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有較好的擴(kuò)展性和張力，那些機(jī)械重復(fù)性的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，難以給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)拓展的空間[4]。

本文選擇車型機(jī)器人mBot為實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，以模擬火山島營(yíng)救故事為機(jī)器人任務(wù)，增加了綜合實(shí)驗(yàn)的趣味性和吸引力。針對(duì)被困人員營(yíng)救、路障清除、特定區(qū)域數(shù)據(jù)采集、能量補(bǔ)給等多重任務(wù)，采用時(shí)間片法來分配單片機(jī)CPU的工作，從而在最短時(shí)間內(nèi)可靠地完成任務(wù)。

1 專業(yè)認(rèn)知綜合性實(shí)驗(yàn)任務(wù)

共有2項(xiàng)任務(wù)，第1項(xiàng)是營(yíng)救被困隊(duì)員（紅色），第2項(xiàng)是搜集營(yíng)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)資料（黃色），場(chǎng)地尺寸為1.8 m×2.6 m，如圖1所示。

圖1 多任務(wù)火山島營(yíng)救場(chǎng)地平面圖

營(yíng)救被困隊(duì)員時(shí)，車型機(jī)器人從啟動(dòng)區(qū)出發(fā)，需要將沿途的障礙物色塊（A、B、C、D、E）移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的區(qū)域（a、b、c、d、e）內(nèi)。色塊完全移入對(duì)應(yīng)區(qū)域（投影面全部在區(qū)域內(nèi)）可得20分，色塊沒有完全進(jìn)入對(duì)應(yīng)區(qū)域得10分，色塊投影面全部不在區(qū)域內(nèi)，得5分。

順利通過落石道路X得10分，順利通過倒下樹木Y 區(qū)域得10 分。

營(yíng)救被困人員時(shí)，機(jī)器人需要靠近被困人員（紅色圓形區(qū)域，共有1、2、3、4、5 等5處），所攜帶的傳感器每感應(yīng)到一個(gè)人員所在位置，LED屏上的數(shù)字相應(yīng)加1，成功營(yíng)救一位隊(duì)員得20分。

搜集數(shù)據(jù)時(shí)，機(jī)器人需推動(dòng)障礙物D通過營(yíng)區(qū)大門放入到對(duì)應(yīng)的d區(qū)域，順利通過大門得10分，碰倒大門不得分。通過傳感器識(shí)別道路上的黃色數(shù)據(jù)采集區(qū)，順利通過每一個(gè)黃色數(shù)據(jù)采集區(qū)，并播放不同音調(diào)聲音，可用主控板上的蜂鳴器完成此過程，可得20分。

數(shù)據(jù)采集盡頭有一個(gè)補(bǔ)給區(qū)，車輛到達(dá)補(bǔ)給區(qū)需停止不低于5 s。完成停止5 s得20分，否則不得分。只要車輛的投影面接觸到補(bǔ)給區(qū)，就算停在了補(bǔ)給區(qū)。

車輛行駛過程中，需碰倒路邊2處樹木障礙，每碰倒一處得20分，否則不得分。

每項(xiàng)任務(wù)開始時(shí)，機(jī)器人需要從啟動(dòng)區(qū)出發(fā)，完成任務(wù)后，需要回到啟動(dòng)區(qū)，成功回到啟動(dòng)區(qū)得20分，否則不得分。車輛的投影面只要接觸到啟動(dòng)區(qū)，就算停在了啟動(dòng)區(qū)。

比賽給每支隊(duì)伍40 min的調(diào)試時(shí)間，每提前1分鐘完成，可獲得額外的1分加分，20分封頂。

2 車型機(jī)器人及圖形化編程

mBot車型機(jī)器人平臺(tái)包括Arduino UNO系統(tǒng)板、紅外模塊、底板、左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、左右側(cè)輪軸、RGB巡線傳感器、LED顏色傳感器、LED點(diǎn)陣顯示屏、金屬舵機(jī)、機(jī)械擺桿，如圖2所示。模塊利用螺絲緊固裝配，電源模塊供電，底盤下固定電機(jī)及車輪，RGB巡線傳感器感應(yīng)賽道位置和形狀，LED顏色傳感器感應(yīng)模擬救人的紅色圈和黃色數(shù)據(jù)區(qū)，LED點(diǎn)陣顯示屏顯示待救援人數(shù)，固定在金屬舵機(jī)上的擺桿用來推倒路邊的2處模擬樹木。

圖2 mBot車型機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)

mBlock是一款基于Scratch 3.0的積木式編程軟件，中文名“慧編程”，主要面向青少年用戶。用戶不僅可在軟件中使用積木編程語言創(chuàng)作各種有趣的故事、游戲、動(dòng)畫等，還可對(duì)Makeblock體系、micro:bit等硬件進(jìn)行編程，還支持一鍵切換Python等代碼語言，支持Python輸入模式，并可融入AI（人工智能）和IoT（物聯(lián)網(wǎng)）等前沿技術(shù)[5-7]。mBlock允許利用圖形化的編程方式來對(duì)Arduino進(jìn)行編程，尤其是學(xué)習(xí)過Scratch之后，用Scratch給Arduino編程相對(duì)比較容易。在軟件里，加載5個(gè)驅(qū)動(dòng)庫：Me Color Sensor（顏色傳感器）、RGBLineFollower、RGBLineFollowerAdvanced（RGB巡線傳感器）、Arduino（系統(tǒng)板）、 Makeblock。

利用mBlock軟件平臺(tái)圖形化編程環(huán)境，根據(jù)賽道任務(wù)，結(jié)合時(shí)間片法進(jìn)到圖形化編程，程序編譯后利用USB線將程序代碼下載到主控單片機(jī)程序存儲(chǔ)器中[8-9]，脫機(jī)按復(fù)位鍵即可啟動(dòng)車型機(jī)器人上賽道完成任務(wù)。

3 多任務(wù)的時(shí)間片實(shí)現(xiàn)策略

RGB巡線傳感器模塊包括4個(gè)RGB補(bǔ)光燈和4個(gè)光敏接收管，該模塊可用于深色背景淺色賽道巡線，也可用于淺色背景深色賽道巡線，只要背景與賽道色差灰度值大于閾值（背景與賽道在RGB域的色差越大，巡線效果越好）即可。該模塊具有檢測(cè)速度快、可通過按鍵學(xué)習(xí)場(chǎng)地功能、適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)賽道寬度與兩個(gè)RGB間距相等且在傳感器水平方向4個(gè)RGB補(bǔ)光燈與賽道垂直時(shí)，對(duì)應(yīng)的4個(gè)傳感器檢測(cè)值為“1001”。RGB燈在賽道上是0，在背景上是1，RGB巡線傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)賽道情況。

顏色傳感器（Me Color Sensor）是一款可識(shí)別黑、黃、紅、藍(lán)、綠、白6種顏色的傳感器。主動(dòng)探測(cè)（開補(bǔ)光LED）時(shí)，色板越大可測(cè)范圍越大，一般取1~3 cm；被動(dòng)檢測(cè)（關(guān)閉補(bǔ)光）時(shí)，測(cè)環(huán)境光需要足夠的光照強(qiáng)度，無距離要求。實(shí)驗(yàn)中，顏色傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)被困人員的紅圈和數(shù)據(jù)采集區(qū)的黃色區(qū)域。

機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)包括前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向，具體到賽道，有直線前進(jìn)運(yùn)行、直線后退、原地轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向是通過左右兩輪差速實(shí)現(xiàn)的，左輪快、右輪慢，機(jī)器人右轉(zhuǎn)；左輪慢、右輪快，機(jī)器人左轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)向角度與差速持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。直線運(yùn)行時(shí)，通過RGB巡線傳感器感測(cè)的機(jī)器人位置偏移來對(duì)運(yùn)行方向進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，實(shí)現(xiàn)沿賽道的巡線行進(jìn)[8]。

3.1 路口判斷及轉(zhuǎn)向

在如圖3所示的比賽場(chǎng)地中，主要有半T型、T型、Y型、十字型路口，其中十字型路口是T型路口的延伸。當(dāng)巡線傳感器檢測(cè)到“1000”或“0001”，則對(duì)應(yīng)半T型路口；當(dāng)檢測(cè)到“1001”再檢測(cè)到“0000”，則對(duì)應(yīng)T型路口；當(dāng)檢測(cè)到“1001”，則對(duì)應(yīng)Y型路口的轉(zhuǎn)折處過窄，車型機(jī)器人可以選擇沿Y型路口兩個(gè)分支中的一個(gè)路口前進(jìn)。此條件下可根據(jù)賽道布置，結(jié)合時(shí)間行程設(shè)定車型機(jī)器人轉(zhuǎn)向路口分支。賽道共有8個(gè)半T型和T型路口（紅色圈）、5個(gè)Y型路口（紫色圈）、5個(gè)十字型路口（淡藍(lán)色圈），其中T型路口側(cè)面也是半T型路口。Y型路口交叉處過窄，在處理時(shí)按照單一路口處理，應(yīng)預(yù)先結(jié)合車速及時(shí)間設(shè)定Y型路口的巡線轉(zhuǎn)向。在營(yíng)救人員的5個(gè)半T型路口，當(dāng)車型機(jī)器人最前端的RGB巡線傳感器探測(cè)到路口后，在速度為100 r/min下繼續(xù)直行0.4 s，然后原地右轉(zhuǎn)0.5 s；在Y路障處，當(dāng)?shù)谝淮翁綔y(cè)到“1000”時(shí)，直接結(jié)合速度保持直行0.3 s，穿過Y路障處再進(jìn)行巡線判斷。

圖3 賽道路口類型

3.2 清除道路障礙物（A、B、C、D、E）

根據(jù)速度計(jì)算公式（時(shí)間=距離/速度），以100 r/min轉(zhuǎn)速向前運(yùn)行0.5 s，剛好可以將障礙物推進(jìn)指定區(qū)域，然后再以100 r/min轉(zhuǎn)速后退0.5 s，添加一個(gè)左轉(zhuǎn)彎程序即可使機(jī)器人回到主跑道，如圖4所示。

圖4 清除路上5處障礙物程序

3.3 營(yíng)救被困人員

初始方案為，機(jī)器人巡線直到顏色傳感器識(shí)別為紅色后停下。然而，在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，顏色傳感器識(shí)別紅色會(huì)有一定誤差，而且需要一定時(shí)間，使得機(jī)器人在巡線過程中無法準(zhǔn)確識(shí)別紅點(diǎn)。因此采用如下替代方案：RGB巡線傳感器在檢測(cè)到紅點(diǎn)時(shí)仍標(biāo)識(shí)為1，檢測(cè)到待救援人員后標(biāo)識(shí)為“1111”，以此為機(jī)器人停止的標(biāo)志。由于LED顏色傳感器比RGB巡線傳感器位置靠后，再向前行駛0.4 s后LED顏色傳感器才可檢測(cè)到紅點(diǎn)。

經(jīng)上述步驟，LED顏色傳感器已經(jīng)位于紅點(diǎn)正上方，但是由于LED顏色傳感器的靈敏度和識(shí)別時(shí)間問題，一次性識(shí)別是不夠的，需在識(shí)別到紅色前讓機(jī)器人停留在原地反復(fù)識(shí)別，如圖5所示。

3.4 通過路障X

到達(dá)路障X時(shí)，RGB巡線傳感器會(huì)識(shí)別到“0000”，以此為標(biāo)志點(diǎn)，停止小車的巡線，開始通過X。由于X路段為較短直道，在停止巡線后，可以直接讓小車以150 r/min轉(zhuǎn)速前進(jìn)0.7 s通過X路段。在實(shí)操中發(fā)現(xiàn)，由于X道路之前是一左轉(zhuǎn)彎道，小車在識(shí)別到X時(shí)會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)彎的原因車身不正，車頭向右偏移。所以在通過X道路后增加一個(gè)左轉(zhuǎn)彎，直到RGB傳感器識(shí)別到“1001”以擺正車身，如圖6所示。

圖6 通過路障X程序

3.5 通過路障Y

在小車巡線遭遇Y區(qū)域時(shí)，RGB巡線傳感器狀態(tài)為“1000”，可類比通過X區(qū)域的方法，前進(jìn)一段距離后向左擺正小車，并根據(jù)區(qū)域穿過長(zhǎng)度，結(jié)合車速確定直行時(shí)間，如圖7所示。

圖7 通過路障Y程序

4 基于時(shí)間片的多任務(wù)實(shí)施

由于mBot機(jī)器人未裝配攝像頭等傳感器實(shí)時(shí)采集車身和賽道位置情況，一旦采集到特征路口就直接直行一定時(shí)間，中間沒有反復(fù)巡線，從而實(shí)現(xiàn)了CPU的時(shí)間分片。圖8為裝配好的車型機(jī)器人，兩輪驅(qū)動(dòng)，前輪為受控轉(zhuǎn)向輪。顏色傳感器突出在車身外，便于有充分的時(shí)間在顏色采集后對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行調(diào)整；舵機(jī)連接的金屬桿用于推倒路邊的2處障礙物；RGB巡線傳感器固定于車頭正中間，便于控制車身中心線與賽道中心線重合；機(jī)器人通過鋰電池供電，傳感器通過主板上的電源接口獲得供電電壓；車頭前的突出金屬鉸鏈片用來夾持和移動(dòng)道路上的方形障礙物塊。

圖8 mBot機(jī)器人

打開主板電源開關(guān)，mBot機(jī)器人從啟動(dòng)區(qū)出發(fā)，沿著右向賽道巡線完成任務(wù)。要求賽道平整，沒有折疊凹凸不平和灰塵。一旦一個(gè)基于車速和時(shí)間配合完成的任務(wù)出現(xiàn)問題，就會(huì)累積影響后續(xù)任務(wù)完成，不同最大轉(zhuǎn)速的電機(jī)影響時(shí)間分配和任務(wù)完成時(shí)間。為了減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)于障礙物塊的推動(dòng)沒有采用電動(dòng)可控設(shè)備，所以障礙物的位置擺放也影響任務(wù)得分。

實(shí)驗(yàn)按3人一組分組進(jìn)行，硬件套件提前發(fā)放給各組學(xué)生，在學(xué)院教工活動(dòng)中心（木地板）布設(shè)多塊比賽場(chǎng)地。實(shí)驗(yàn)中，教師示范演示mBot完成任務(wù)，在直流電機(jī)空載轉(zhuǎn)速為312 r/min、1800 mAh電池滿載時(shí)，無差錯(cuò)完成任務(wù)時(shí)間為2 min 50 s。由于任務(wù)完成方式的多樣性，不同小組學(xué)生針對(duì)同一任務(wù)會(huì)采用不同策略，完成任務(wù)所需時(shí)間和得分不盡相同[10]。該實(shí)驗(yàn)的學(xué)生參與度高，積極性高，課后又選拔出部分學(xué)生參加了中國(guó)機(jī)器人大賽，與更多的校外學(xué)生同場(chǎng)競(jìng)技交流，提高了專業(yè)認(rèn)知，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情[11]。在后續(xù)基于開源平臺(tái)的智能爬蟲校級(jí)比賽中，學(xué)院電子信息類一年級(jí)學(xué)生參與度達(dá)到70%以上，說明有趣的學(xué)科實(shí)驗(yàn)及相關(guān)賽事，能夠很好地引導(dǎo)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)[12]。

5 結(jié)語

面向電子信息大類一年級(jí)學(xué)生的機(jī)器人綜合性實(shí)驗(yàn)，選用了基于Arduino開源硬件平臺(tái)，底層封裝簡(jiǎn)單易懂，采用了圖形化編程模式開發(fā)環(huán)境，直觀簡(jiǎn)潔。以模擬多任務(wù)火山島營(yíng)救為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具有較好的故事性和吸引力。教學(xué)實(shí)踐表明，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不僅提高了大一學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知度、認(rèn)同感和學(xué)習(xí)興趣，而且給學(xué)生提供了一種早期工程體驗(yàn)機(jī)會(huì)，有助于他們明確專業(yè)學(xué)習(xí)方向和學(xué)習(xí)方法，從而為畢業(yè)要求的達(dá)成和培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定良好基礎(chǔ)。

感謝“軟銀機(jī)器人杯”中國(guó)機(jī)器人技能大賽組委會(huì)對(duì)本實(shí)驗(yàn)工作的支持，本實(shí)驗(yàn)獲得中國(guó)機(jī)器人技能大賽全國(guó)一等獎(jiǎng)。感謝美科科技（北京）有限公司對(duì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的資助。

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Design of multi-task intelligent car experiment based on time slice method

LIU Heng1, HUANG Xiaoyu1, LI Haowen2, WU Zhaoyang1

(1. College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information and Technology, Nanjing 210044, China; 2. School of Automation, Nanjing University of Information and Technology, Nanjing 210044, China)

Acomprehensive experiment of professional cognition is constructed for the first-year students of electronic information majors. For this experiment, the vehicle model robot suite based on Arduino UNO open source hardware platform is chosen as the experimental subject. The task of simulating the rescue of volcanic island is the main task, and the time slice method is used to allocate CPU for the single threading multitask. The teaching practice shows that the experimental platform based on open source graphical programming is simple and interesting, which can effectively expand students’ thinking space, enhance their interest in learning and professional identity, and has positive significance in cultivating their ability to solve complex engineering problems.

experiment design; time slice method; multitask; professional identity

TN911.71

A

1002-4956(2019)12-0186-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.044

2019-03-30

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PPZY2015B134）；2018年江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SJCX18- 0323）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201802149023，201802212012）

劉恒（1980—），男，湖北黃岡，工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髟O(shè)計(jì)、數(shù)字信息處理。E-mail: ghost80boy@163.com