没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会,俄罗斯下诺夫哥罗德,2012年中小学教育控制论建设集安德烈·N Terekhov*,Roman M.Luchin**,Sergey A. 菲利普 ** 俄罗斯圣彼得堡国立大学数学力学系(电子邮件:Andrey. lanit-tercom.com)** 俄罗斯圣彼得堡国立大学数学力学系(电子邮件:romilu@mail.ru)* 圣彼得堡物理数学学院#239,圣彼得堡,俄罗斯,(电子邮件:safilippov@gmail.com)翻译后摘要:技术进步对教育和科学,特别是在某些技术领域提出了新的挑战。学校和大学的毕业生不仅应该具备经典学科的基本知识,而且还应该能够驾驭新的现实,特别是无处不在的机器人和嵌入式系统。与此同时,大学和中小学学生可利用的培训设备往往不符合现代要求。新一代控制论构建集的想法起源于圣彼得堡学校和大学的合作。本文讨论了机器人编程培训的几种解决方案,使用这些解决方案可以更新教育方法和过程。关键词:控制教育,机器人控制,机器人编程,机器人视觉,植物。1. 介绍机器人和控制论的元素越来越多地用于学校和大学的不同学科的教学。创造自己的机器人并对其进行编程的可能性引起了年轻人最大的兴趣,因为小学年级。机器人俱乐部和比赛的数量迅速增长,吸引了大量的参与者和观众。这一过程对于形成新技术使用和青年技术创造力增长等技能是完全必要的。今天的孩子往往失去兴趣的教育过程中,因为他们完全被困在娱乐,电脑游戏,手机,电视等一个需要技术先进的教育资源,教学套件,新的教学方法的元素,以改善这种情况。从这个意义上说,机器人建筑集引起了极大的兴趣,因为有可能创建自主机器人模型和各种教育工具包。在许多国家,这类成套结构已成功地用于中小学生的教学。最近,丹麦乐高®建筑套装越来越受欢迎。最小的孩子沉迷于收集和组装变形金刚和其他“恐怖的东西”,一些专家说,这甚至是有用的,因为发展儿童的微运动。对于年龄较大的儿童,同一家公司发布了一套构造器,其中包括电机,传感器,最重要的是肥皂盒大小的单元控制器。事实证明,在乐高®头脑风暴非常有效。参见Isogawa Yoshihito(2007),CONSTRUCTOPEDIA NXT Kit 9797(2008),LegoMindstorms(2012).通过机器龟(虽然是虚拟的,只在屏幕上可见)来教授编程的想法是由著名心理学家Seymour Papert在30多年前首 次 提 出 的 。 参 见 Papert S. ( 1996 ) , Papert S.(1992),Papert S.(1980年)。他提请注意这样一个事实,即重要的是让孩子们立即看到他们的方案的结果。例如,如果你画了一所房子,而错误地把一扇门或一扇窗放在了房子外面,这是显而易见的。所以绘图者可以立即开始调试他的程序。微型化和更便宜的电子设备将虚拟机器人变成了真实的物体,这进一步增加了儿童对编程的兴趣。许多学校都成立了机器人俱乐部,有很多比赛,甚至是国际性的。总之,机器人的兴趣是巨大的。值得注意的是,30年前,机器人只能在科幻小说中找到,或者以笨重而原始的(从现代的角度来看)数控机床的形式出现。今天,机器人广泛应用于从工业生产到家用电器的各个领域。因此,许多技术学院和传统大学都教授机器人设计和机器人控制方法。应用或工程控制论的部门开始出现除了传统的理论控制论部门。© 2012 IFAC 430 10.3182/20120619-3-RU-2024.000942012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会431当然,许多大学教授都尝试使用LEGO ® Mindstorms机器人来教育学生,并取得了一些成功,但只是简单的任务。即使是高中生也往往无法实现他们为这些机器人开发的控制算法。很难对乐高公司提出任何索赔,因为Mindstorms套装不是为复杂的应用程序设计的。弱CPU、小内存、精度极低的传感器,当然都限制了应用范围。使用构造集创建的许多设备通常具有无反馈的软件控制或具有相当简单的继电器或比例控制器(不太常见-比例-微分,参见Filippov S.A.(2010年a))。有很多这样的问题的例子,这里有一些:机器人手臂分拣机,赛车乐高,魔方求解器。参见Benedettelli,D.等(2009),Valera , A 等 ( 2009 ) , Lehrstuhl für Bildverarbeitung(2012).当然,这些问题对于初步了解工程和控制理论基础当然很重要,但这些简单的任务在研究生教育中并不有趣。在现实生活中经常可以注意到,学生最初对建筑设置的粗略兴趣在熟悉有限的可能性和技术特征后大大下降。可能,主要原因是初始简单的解决问题 使用简单的构造集,人们可以仅解决简单的任务,其中主要困难具有工程程序员基础,具有典型的、公知的算法,这些算法适合于教程而不是研究。特别是我们应该讨论机器人施工组的软件部分。低效的操作系统,缓慢的驱动程序,以及通过中间处理器工作的传感器和电机,大大减缓了机器人对外部事件的反应。解释性实现(通过内部虚拟机)也会显着减慢程序运行速度。大多数乐高编程工具都专注于解决问题,这些问题在技术上可能很困难,但从理论的角度来看非常简单。它经常发生是因为大量的工程程序员工作,我们必须在解决问题的同时做。这主要是由于编程工具的质量-它们的基本概念和范式不允许在高抽象级别上上升。这反过来又使得不可能直接关注模型和控制方程。图形化的软件开发工具是为小孩子设计的,但他们很难理解。例如,有400多个图标,它们通常彼此相差不大。谁能记住所有这些并正确应用?应该补充的是,俄罗斯教育学校没有关于这一主题的课程,改编外国课程实际上相当于从头开始创作。在俄罗斯,只有一本面向学校的书,即缺乏指导方针和材料。参见Filippov S.A. (2010年a)。因此,创建一个新的控制论构造集的想法已经成熟。这套建筑应该大大超过LEGO ® Mindstorms功能。我们决定创建一个新的建筑集,应该以贯穿的方式应用,在一个链条中:年轻的学生→年长的学生→技术学校和学院的学生→大学生→实际生产。初步计算表明,我们的新建筑集可以在同一价格类别的乐高®头脑风暴。以下是影响理论任务的高容量问题的例子,这些问题不能通过以前的构造集解决,但可以提供新的控制论构造集来解决:推车上的倒摆的稳定,不同类型的摆的振荡的控制,机器人自行车手,球上的机器人(稳定结构上的松散球),起诉系统“狮子-羚羊”等见雅库博维奇V. A.(1969),Filippov S.A.(2010年b)。值得注意的是,这些问题通常是研究中更复杂任务的一部分。2. 协助方法我们将考虑的第一种方法是基于模型的设计(MBD)。最初的术语MBD可以定义为基于用于仿真的模型自动生成程序的技术。在控制算法的验证和确认的系列实验中,使用仿真模型进行调节器设计和实现几乎成为标准。MBD的主要思想-使用控制器模型不仅用于仿真,而且用于生成针对设备的程序代码。如果有能力从设备读取数据,它可以用来恢复系统的真实内部状态,因为它是在实验中,这反过来,可以用来进一步调节器模型的改进。因此,我们在开发过程中沿着链条移动,这可以表现为一个螺旋式的过程:模拟→代码生成→实验结果分析→模拟→.使用这种方法,源代码是从模型自动生成的。这允许在非常高的抽象级别(模型级别)上进行程序设计过程。该软件是自动“自上而下”实施的。该方法的其他一些好处应该注意:早期控制系统设计错误检测,减少设备上的负载,通过仿真检查性能,更容易优化模块之间的交互,自动代码生成节省时间并消除语义错误。MBD范式允许主要关注任务的数学部分,尽可能消除设计过程中的技术细节。这无疑是向前迈出的重要一步。10年前,这种方法的可能性似乎是一个遥远的未来。同时,学习过程的不同阶段需要不同的问题形成水平和不同的工具。我们必须再次强调,2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会432在学习过程的开始,解决有意义的数学问题的“简化”公式是有用的。请注意,当一个人开始学习嵌入式系统和控制 理论基础 的编程时 ,他不应 该使用像NXT-G,NXC,NBC这样简单的软件-它们是为学生设计的。RWTH Mindstorms NXT套件是在亚琛工业大学专门开发的,以使学生熟悉机器人系统控制(每年约有360名本科生参加亚琛工业大学的LEGO® NXT机器人研讨会)。用它来解决“简化”公式中的问题是很方便的。但迟早会有一些技术上的困难。他们的解决方案将需要改变问题的表述,“理论精炼”(使用新的数学仪器)和更先进的技术工具来实现。例如,似乎0.1秒的延迟对于稳定LEGO® NXT中实现的摆锤的后部是重要的。在控制设计过程中应考虑这种延迟,并应尽可能在程序代码开发过程中将其最小化。最后一件事是几乎不可能使用RWTH的封装。因此,我们应该改变问题的表述(提到时间延迟)和软件工具(因为RWTH的方法不再合适)。这种方法的目的是给学生一个实际的例子,需要使用更复杂的数学仪器,以表明最初的“天真”的解决方案并没有得到令人满意的结果。因此,另一个目的是介绍一种通用的嵌入式系统编程技术。开发基于MBD的应用程序的原则,如ECRobot软件包所利用的原则,被诸如National Instruments和dSpace等公司使用,这些公司在嵌入式控制系统开发工具市场上占据领先地位。可以在教育过程中使用这些公司使用的方法。在熟悉ECRobot NXT之后,这个过程中的下一个合乎逻辑的步骤是试验技术上更复杂的支架。上述方法在圣彼得堡国立大学数学和力学系与学生一起进行“网络物理实验室”项目时进行了测试(该项目是基于Lyceum 239,理论控制论和系统编程数学和力学系圣彼得堡国立大学机械工程RAS问题研究所的基础上的合作)(Filippov,2010年b)。项目参与者参加了许多会议,并出版了20多本出版物。值得注意的是,数学和力学学院已经开发了新的工具QReal(2012)和Embox(2012),可以用来编程LEGO® NXT 和 其 他 建 筑 套 件 。 参 见 Terekhov et al. ( 2009年)。与现有的工具相比,QReal和Embox更通用,有效,并实现了几种方法来编程嵌入式系统,包括基于模型的。它们共同代表了一系列一致的解决方案,机器人教学和编程有了它,人们可以更新教育的方法和过程,这必将有助于大学和学校的融合。3. 分析形势据统计,俄罗斯和世界各地的家庭和娱乐机器人市场规模大幅增加。例如,它在西方国家每年增加20-45%。据预测,2014年日本市场将是2010年的4-6倍。应该指出的是,机器人系统的特点之一是它们对特定活动的狭隘关注。这适用于绝大多数低成本机器人构建套件,它们倾向于构建一种机器人模型类型,具有非常有限的专用于窄任务功能。通过稍微改进的设置,可以构建3-5个机器人模型类型,但通常不可能为它们创建全功能程序,机器人控制被简化为远程控制操作。在LEGO ® Mindstorms的情况下,我们可以使用该套件构建的所有可能的模型都受到部件安装(LEGO专利技术)和元素基础本身(LEGO品牌部件)的限制。乐高正在生产“教育集”,但它首先针对小学年龄,因为这套NXT-G提供的软件是专为儿童8-10岁。这是几乎不可能解决的任务,可能是感兴趣的高中学生与这个工具的帮助。此外,这一套意味着我们将只使用乐高的原始部分,这可能会大大限制儿童的创造性冲动。应该注意的是,您只能使用配备专有连接器乐高的传感器和电机,这也减少了创建技术模型的机会。还有一个问题:LEGO ® Mindstorms基础建筑套装设备中的传感器数量(例如陀螺仪、光传感器、指南针等)是非常有限的。(有时在俄罗斯购买这种设备和备件是一个大问题。你可以在网站上订购,但根本没有运送到俄罗斯。在其他机器人构建套件(BIOLOID、VEX等)中观察到相同的情况。4. 分析问题目前迫切需要使用俄罗斯生产的教育硬件和软件(特别是由于上述原因)。适当组织的学习过程,其次是高科技工具,从4-5班,直到大学或学院,将产生专业人员准备与高科技设备(设计和开发高科技设备)。基本技能已经可以在小学教授。为了提供这样一个教育链,必须遵循三个基本条件。1. 创建额外的教育计划,重点是现代技术和创新知识的获取。这种技术也应该有助于使用知识2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会433在实践中获得的各种科目,从而补充教育本身的基本意义。2. 使用开放的跨平台软件:重要的是提供一个机会,使软件适应教育过程,而不是相反。另一个重点是高质量的本地化。3. 创建一个教育建筑设置在共同的广泛的要素基础上,将能够推广。让我们更详细地讨论最后一点。首先,建构集应该为小学生和学生的教育过程而设计。因此,它应该为机器人技术的第一步提供设计标准模型的可能性(并在技术或计算机科学课程中使用它们),以及允许学生研究现代技术问题的相当复杂的模型。要做到这一点,构建集应该易于扩展,因此巨大的潜力应该在它的基础上这就是为什么控制器的创建起着令人难以置信的重要作用。它必须具有丰富的功能,如音频/视频信号处理,通过Wi-Fi工作等,对于这些目的,现有的现代双核微控制器或在一块板上结合两个处理器的解决方案似乎是合适的。一个处理器(核)涉及实时处理传入事件,第二个涉及计算(例如,视频信号处理)。必须实现与各种外围设备一起工作可能性。因此,主要目标之一是设计专门用于我们任务的芯片。不幸的是,它的设计速度不够快,所以在开始时,我们必须使用现有的解决方案。新的构造集应建立在共同的机械元件基础上。众所周知,从童年的金属结构集(例如,Merkur、Meccano等)适用于此目的。这个基础应该通过齿轮组、传动装置和用于固定非标准元件的通用支架来扩展。这种金属套件的潜力相当大。由金属套件获得的结构比塑料的更紧密和更轻。一个真正的控制论构造集为用户提供了主要关注算法分析和控制的可能性。这我们开始使用基于GNU Linux和上述MetaCASE工具的专门修改的操作系统进行可视化编程QReal。这些产品都是免费分发的,并且非常适合学习目标。操作系统Linux可以切换到软实时内核模式,可以使用实时单元SoC子系统,并且由于其可扩展性,很容易转移到不同的体系结构。操作系统提供控制器的核心功能。QReal是一个简单方便的工具,可以根据不同层次用户的期望创建可视化编程工具。QReal的主要目的是创建一种可视化编程语言。使用QReal,我们可以创建一系列符合教育过程的编程语言。开发的最后阶段是准备与构建集配套的教材。因此,学生将有机会学习机器人和控制理论的基础知识,同时教师和教授将在学校和大学准备讲座和研讨会时使用这些材料。(从教育过程的角度来看)学校教师拥有“快速启动”所需的所有材料是非常重要的,即能够在收到成套建筑材料的第二天就开始与学生上课。5. 实现5.1. 硬件控制器应当注意的是,任何已知的机器人套件都不具有上面列出的技术和教育性质。唯一的解决方案是从头开始创建一个集合。然而,大部分工作已经由圣彼得堡国立大学的工作人员完成。硬件控制器的开发虽然花费了大量的精力,但主要的工作已经完成。通过对问题和需求的分析,选择OMAP L-138芯片作为硬件控制器的主微控制器。它是双核片上系统(SoC)ARM+DSP处理器,运行频率为400 MHz。它的突出优点是存在用于操作系统和用户程序的ARM9内核和用于信号处理(如实时音频/视频处理)的并行浮点VLIW DSP内核。此外,在这个SoC中还有很多片上的东西:DDR2存储控制器,MMC/SD卡接口,100 Mbs以太网控制器,主机USB控制器,视频端口接口,实时单元子系统等。图1.硬件控制器相应地,开发板获得了大量的新功能:双核ARM+DSP处理器;64MB DDR2 RAM;闪存128 MB;蓝牙;WiFi;2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会4343可操作16台电机;能够连接12个数字和模拟传感器;2路视频输入;2个扩展插槽;microSD卡插槽所有这些能力都位于8厘米宽和12厘米高的板上。该板的第一个样品的照片见图2。因此,我们有一个强大的工具,不仅可以用于学生的教学。该硬件控制器也适用于工业原型问题。由于其特点,该板已经引起了研究机构和大学研究小组的兴趣。图二.第一个硬件控制器示例该板的主要优势是强大的计算能力,丰富的外围设备,以及最后但并非最不重要的是,能够快速连接各种电机和传感器。最后一个是用最少的适配器执行的,如果需要的话。至少,即使在研究和创造性任务中,“烙铁”的使用另一个重要的优势-为这些控制器设计了大量适用于各种应用的软件解决方案。该板本身运行在一个开放的操作系统Linux上,它增加了新的功能和能力。同时,新软件组件的开发或移植是一个相对简单的过程。应该指出的是,新软件组件的开发已成为软件工程主席SPbSU教育过程的一部分。目前,一些学生正在攻读专门用于开发新组件的文凭。在此基础上,举办了研讨会课程。5.2. 计划工具记住问题分析结果,必须注意这样一个事实,即所有可用的硬件机会都应该以最简单的方式为年轻学生提供。当然,学生们没有足够的技术知识。但是很多任务都有典型的技术解决方案,不需要专门的知识就可以使用。例如的我们可以借助基于Viola-Jones方法的算法来解决图像上的人脸或微笑识别问题。我们可以通过引入图形化CASE工具的高级块来使用这种解决方案。因此,我们可以使用这些块作为高级算法的一部分,有一个有趣的图形案例工具,它允许开发这样的块(元案例工具)。这个工具叫做QReal:我们选择机器人作为我们设备编程的主要工具。图三. QReal:机器人示意图示例QReal:Robots允许为机器人创建程序,作为由连接的块组成的图表。每个块代表机器人执行的基本命令。示例见图3。此时QReal:Robots已经在学校教育过程中进行了测试。目前,它可以与乐高Mindstorms NXT构建集一起使用,允许通过在计算机上解释程序并向机器人发送命令来执行程序。Interpreter使用NXT Direct Commands通过蓝牙或USB接口远程控制机器人。此外,该工具允许通过图表生成C代码,以便为nxtOSEK实时操作系统编译。然后,这些代码可以上传到机器人中并自主执行,而无需与计算机连接。nxtOSEK操作系统与默认Lego固件兼容,因此当机器人使用nxtOSEK闪存时,所有功能(如使用默认编程工具开发的NXT的直接命令或通用程序)都将可用。nxtOSEK是目前NXT最快的操作系统。在QReal中添加对新控制器的支持:机器人可以很容易地完成,因为它不需要更改图表编辑器或高级逻辑,所有需要做的就是为新控制器的工具集实现代码生成器,或者如果控制器支持某种直接命令接口,则实现某种直接命令接口。见图4。用于模拟的2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会435QReal:机器人是专门为教育而设计的,所以它有一些在教育过程中有用的功能,比如机器人的2D模型。程序可以在真实设备上执行,也可以在模拟器上执行,模拟器显示执行程序的机器人的自上而下的图像。用户可以在地板上添加墙壁和彩色线条来模拟世界,并为机器人添加传感器。它允许可视化程序,如徽标,即使没有真正的设备。示例参见图4。QReal:机器人还支持表达式,变量声明和从公式中访问传感器读数,允许解决相当复杂的任务。它也是跨平台、开源和免费的。QReal:Robots基于QReal MetaCASE系统,由圣彼得堡国立大学的一个研究小组开发。它也是一个积极发展的项目,并且已经支持其他可视化语言,比如UML 2.0的一个子集,或者用于创建分布式移动应用程序的技术,参见Bryksin等人。(2011年)。6. 结论硬件的广泛机会和易于使用的软件工具并不是问题的完整解决方案。解决方案的一个重要组成部分是复杂的教育计划的存在。此外,如上所示,基于模型的设计和新的硬件功能为编程,数学,控制理论和工程教学提供了清晰和可能性。通过稍微增加解决方案的理论,我们可以尽可能提高到学生的水平。另一方面,控制论结构集为在最短时间内实现创造性或研究人员的技术项目提供了最大的能力。因此,它可以作为一个步骤,以工业原型。显然,该构造集可以为诸如机器人足球运动员自主控制的价值系统的创建、无人机的多智能体网络等大学和学校项目提供基础。这类项目不仅有助于技术创新的发展,而且也是人工智能、计算机科学和信息技术研究的良好平台。引用Benedettelli,D.; Casini,M.; Garulli,A.; Giannitrapani,A.; Vicino,A.(2009年)。多智能体系统的乐高头脑风暴实验装置// Proc. IEEE Conf.控制应用,&智能控制,IEEE,1230 -1235。布莱克斯·T Litvinov Y.,奥诺索夫斯基五世,捷列霍夫河N.(2011年)。Ubiq Mobile + QReal分布式移动服务开发技术//开放式创新协会FRUCT第十届会议和第二届芬兰-俄罗斯移动Linux峰会:会议记录,由国立航空航天仪器大学(SUAI)印刷。232页,27比35CONSTRUCTOPEDIA NXT Kit 9797,(2008)。测试版2.1.塔夫茨大学工程教育推广中心,.2012年,第十届会议。//WIKIPEDIA.ORG.Filippov S.A.(2010年a)。机器人为孩子和父母圣彼得堡:科学Filippov S.A.,弗拉德科夫河L.(2010年b)。乐高机器人在机电一体化和自动化培训的学校和大学。//第七届科 学 技 术 会 议 。 “ 机 电 一 体 化 , 自 动 化 , 控 制 ”(MAC-2010),SSCRFJSC“Concern”CRI“Electrodevice”,圣彼得堡,.第49-52页。Isogawa Yoshihito(2007). LEGO Technic Tora no Maki.版本1.00IsogawaStudio,Inc. .02 The Dog(2012)//维基百科,自由的百科全书.Lehrstuhl für Bildverarbeitung ( 2012 ) . MATLAB 会 议LEGOMindstormshttp://www.mindstorms.rwth-aachen.de>帕普特(1996年)。互联家庭:弥合数字代沟。帕普特(1992年)。《孩子的机器:计算机时代的学校反思》帕普特(1980年)。头脑风暴:儿童,计算机和强大的想法。基本书籍。QReal(2012)http://se.math.spbu.ru/SE/qreal>.捷列霍夫河N.,布莱克斯河A,Litvinov Y.等人(2009).可视化建模环境QReal的体系结构。//系统编程四号。圣彼得堡。圣彼得堡国立大学。pp.171-196.Valera,A.,Valles,M.,Fernandez,A.,Albertos,P.(2009年)。基于LEGO Mindstorms NXT机器人的机电一体化实际工作开发平台//控制应用智能控制,IEEE,pp.1224-1229。Yakubovich V. A.(1969年出版)。关于一个问题的自我训练,以权宜的行为//自动化和远程控制。2008年,119
下载后可阅读完整内容,剩余1页未读,立即下载
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
![](https://csdnimg.cn/download_wenku/file_type_ask_c1.png)
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
![](https://csdnimg.cn/release/wenkucmsfe/public/img/green-success.6a4acb44.png)