低成本平台在控制工程教育中的应用：案例研究和进展

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德控制教育中使用的低成本平台：教育案例研究E. Irigoyen*，a，E.拉尔萨瓦尔河普列戈 ** 巴斯克地区大学自动化与工程系统系（DISA），a计算智能研究小组，ETSI，西班牙毕尔巴鄂（电子邮件：eloy. ehu.es）翻译后摘要：通过使用高功能和低成本的平台，教育方法不断提高控制课程。本文简要介绍了最广泛使用的平台，以及如何选择它们纳入大学科目，特别是控制工程教育。根据我们的经验，这样的选择必须基于两个标准：教师特别关注在课程和科目中包含更多的教学内容，以及学生在每一个低成本平台上不断增长的经验。我们在此介绍LEGO（R）MINDSTORM（R）NXT和Arduino平台的案例研究。关键词：低成本平台，控制工程教育，教育方法。1. 介绍在过去的几年中，在世界各地的大多数大学中，特别是那些提供工程学位的大学中，低成本平台已经被用于改善若干学科的教学经验，特别是与机器人技术相关的那些 学 科 （ 参 见 例 如 Mataric 等 人 ， 2007; Miller ， 2008;Balogh ， 2008 ， Kim ， 2011; Cruz-Martín 等 人 ， 2012;Wyffels等人，2012年）。正如一些作者所提到的（Cruz-Martín等人，2012年），这些平台不仅可以用于驱动移动机器人，还可以用于开发其他类型的应用程序，重点是数据处理，先进的测量和通信等可能性。此外，这些低成本平台具有很高的能力，甚至可以用于某些研究开发，如García-Saura和González-Gómez所述（2012年）。这些研究在原型设计中获得了非常成功的解决方案，从而产生了实时应用中的解决方案（参见例如Bradley等人，2012年）。最初，所有这些新的教学建议都来自教师对向学生提供新工具的关注，这些工具包含了足够吸引人的功能，以鼓励学生使用它们，从大学预科课程到研究生课程（参见例如 van Lith ，2007; Weinberg和 Yu，2003; Blank 等人 ， 2003; Chiou ， 2004; Alers 和 Hu ， 2009; Carter 和Coupland，2010）。最近，我们发现越来越多的人对使用设备来开发和实施个人和特定的解决方案，以技术上解决大学学生社区中的不同工程问题感兴趣。学生们倾向于选择价格和开发应用程序都容易获得的设备，考虑到网络社区、在线论坛或开源库的支持，如NI LabVIEWfor LEGO（R）MINDSTORMS（R）（2013），K12lab（2013），element14社区（2013），OpenNI（2013）和可扩展表（2013）。事实上，在学生进行的编程方法中发现了新的趋势，主要基于子解决方案的集成，来自以前的开源实现（参见例如ROS（2013）; EJS1; GCC2）。学生们也非常欣赏使用这些低成本平台开发新设计的可能性，使他们能够快速轻松地达到最终原型。这是由于他们选择的平台对额外的组件和外围设备（执行器，传感器和通信）具有很高的可访问性，从而提高了设备的性 能 。 这 类 平 台 的 一 些 例 子 是 ： LEGO （ R ）MINDSTORM （ R ） NXT3 ， Arduino4 ， Kinect5 和RasberryPi6。因此，这些低成本的平台最近已被纳入各种课程，主要是由于教师的关注，以改善控制领域的教学方法，并根据学生使用这些设备所获得的经验。使用这些平台的一些主题包括：机器人技术，工业感知和实时系统等。学生参与控制课程中使用的这些低成本平台所执行的工作与包括它们之前进行的实践和实验室活动相比大大增加。1http://fem.um.es/Ejs/2http://gcc.gnu.org/3http://mindstorms.lego.com/en-us/whatisnxt/default.aspx/4http://www.arduino.cc/en/5http://www.xbox.com/en-US/kinect/6http://www.raspberrypi.org/© IFAC 256 10.3182/20130828-3-UK-2039.00064第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲257目前，在UPV/EHU的系统工程和自动化（DISA）系，除了开发教育最终项目外，这些平台还用于工程最后两年提供的课程。作为一种新的编程技术，讲师们正在将各种开源社区中的代码搜索以及随后集成到更强大的解决方案中纳入他们的工作方法。除了学生对这些新的工作方法越来越感兴趣之外，我们还发现了学习的显着增长，反映在他们的最终成绩中。此外，所有这些低成本的平台方法已经扩展到新的机构环境，如“工程演示日”，“UPV/EHU科学周”和“智能控制竞赛”，学生的参与同样重要。下一节将介绍过去几年DISA使用的开发学生作品的低成本平台。在此之后，在DISA进行的教学方法进行了详细说明。随后提出了两个教育案例研究，包括从这些适应教育方法获得的结果。最后，将给出从我们的教育经验中提取的结论和为未来提出的新的工作路线。2. 低成本平台2.1 乐高NXTNXT单元是由LEGO（R）企业开发的可编程装配套件。最初，这个工具包是为大学框架之外的用户设计的。它是为年轻人创造的，但由于其高度的多功能性而达到了普通大众。后来，由于其巨大的潜力，这个平台被纳入大学课程。现在NXT是在这样的环境中非常流行的工作工具。它还得到了大型工程软件公司的支持，如前面提到的National Instruments，为LEGO（R）MINDSTORMS（R）添加了LabVIEW库。Fig. 1. LEGO-NXT EV3和NXT 2.0：带执行器和传感器的CPU模块。该平台最重要的功能可以在几个网站上找到78.最后一款EV3型号的具体特点是：32位ARM9微处理器;嵌入式167Lego NXT：功能限制http://cs.uwindsor.ca/~malovicd/499football/features_limitations.pdf89797乐高头脑风暴教育用户指南http://cache.lego.com/downloads/education/9797_LME_UserGuide_US_low.pdfMbytes FLASH存储器; 64 MB RAM + SD扩展插槽; USB2.0端口; WIFI-USB和蓝牙无线通信; 4个输入和4个输出端口。这个平台对大学生来说有一个非常有趣的功能。它有各种各样的编程语言，可用于实现控制解决方案。一些最常见的语言是：NXT-G（LEGO（R）的图形编程环境）;National Instruments LabVIEW; leJOS（包括Java虚拟机的固件替代品）; MathWorks的Matlab/Simulink;和Ada。LEGO-NXT平台有各种各样的元件可以作为外围设备连接。作为传感器，可以使用公司自己创建的元件。待测量的变量包括：压力、光/颜色、声音、超声波和温度等。此外，其他制造商已经创建了更多的传感器，例如加速度计9、罗盘、陀螺仪，甚至用于连接其他传感器的USB适配器，参见例如游标10。作为致动器，存在伺服马达和线性马达11。与此同时，已经创建了一系列气动致动器12以补充电动致动器。2.2 ArduinoArduino是一家提供一套开源电子原型平台的企业，其设计紧凑、小巧且易于使用。Arduino板的主要组件是微控制器。此外，还免费提供开放的开发环境。创建了不同可用模型的所有特性，以便它们可以用于任何开发的应用程序13。在最受欢迎的开发板中，有两种可以被标记为：Arduino Uno14，使用最广泛; Arduino Mega15，具有最高的处理能力和最多的输入/输出端口。图二. Arduino Uno和Arduino Mega。下表显示了Arduino Uno和Arduino Mega这两个板之间最相关的特性。9http://www.hitechnic.com/products10http://www.vernier.com/products/interfaces/bta-nxwww.example.com/11http://www.firgelli.com/products.php? ID=4312http：//ro-botica.com/img/NXT/neumatica/9641_Robotica_Neumatica_TN.pdf13http://arduino.cc/en/Main/Products14http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno15http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲258表1. Arduino平台以太网板载网络; 8 × GPIO、I²C和SPI总线。虽然Arduino企业提供自己的编程开发环境，但可以从各种环境中实现解决方案16。这是因为Arduino库是用C代码编写的。微控制器编程可以从引导加载程序执行。此外，如果需要，可以连接编程设备以实现您的代码。Arduino是最常用的平台之一，因为它在库和硬件设备中提供了高水平的支持。这是这个环境的主要特点。此外，作为补充硬件，存在提供极大可扩展性的各种各样的屏蔽。其中最常用的屏蔽是1718：以太网通信;电机驱动控制;射频通信（Xbee）; R/W SD卡;和USB Master。此外，还存在机器人形状的某些类型的结构，以及一些设计为由Arduino19直接控制的设备。2.3 Raspberry PiRaspberry Pi平台是一款低成本、小尺寸的计算机，其目的是激发用户在编程和计算机科学方面的兴趣。最初，它旨在鼓励学习Python，Tiny BASIC，C和Perl等语言。这并不意味着其适用性仅限于这些活动。由于其价格低廉和良好的规格，它已被用于执行大量不同的项目。Raspberry Pi-GPU、视频和音频输出; SD板载存储; 10/10016http://playground.arduino.cc/Main/DevelopmentTools17http://shieldlist.org/18http://playground.arduino.cc/Main/SimilarBoards19http://www.robotshop.com/dfrobotshop-rover-arduino-compatible-kits.htm20http://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi图三. Raspberry Pi此外，由于Raspberry Pi的巨大影响，已经创建了大量新的操作系统。其中，社区中支持和使用最多的是2122：Raspbian“wheezy”; Soft-float Debian“wheezy”; Arch LinuxARM;和RISC OS。开源软件并不是Raspberry Pi创造的唯一发展。为了扩展主板的功能，还设计了大量的硬件，如扩展屏蔽。在其他屏蔽中，最重要的是23个：模拟输入;电机控制;里程计;和内部通信板。2.4 KinectKinect是一个多感官平台，最初由微软为Xbox视频游戏机开发。该平台具有定义数量的传感器：RGB摄像头;深度传感器（红外投影仪+单色CMOS传感器）;和麦克风。此外，通过单色传感器和深度传感器的组合，可以创建低成本LIDAR传感器。见图4。Kinect及其组件。2011年2月，微软为微软Windows系统开发了SDK24。与此同时，开源社区开始为其他操作系统开发库和API，如GNU/Linux2526或ROS27。Kinect的规格为垂直28：43°，水平57°21http://www.raspberrypi.org/downloads22http://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi#Operating_systems23http://elinux.org/RPi_Expansion_Boards24http://msdn.microsoft.com/en-us/library/hh855347.aspx25http://openkinect.org/wiki/Main_Page26http://www.openni.org/27http://www.ros.org/wiki/kinect28http://msdn.microsoft.com/en-us/library/jj131033.aspxArduino UnoArduino Mega单片机ATmega328ATmega 2560操作员电压5V5V数字I/O引脚14个（其中6个提供PWM输出）54个（其中15个提供PWM输出）AI引脚616闪存32 KB（ATmega328）引导加载程序使用的0.5 KB256 KB，其中8KB用于引导加载程序SRAM2 KB（ATmega328）8 KBEEPROM1 KB（ATmega328）4 KB时钟速度16 MHz16 MHz第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲259视角; ±27°垂直倾斜范围; 30 fps的深度和色彩流; 16kHz、24位单声道PCM音频格式; 2G/4G/8 G加速度计，精度上限为1°。如今，基于深度传感器的各种有前途的技术项目在世界各地的大学中进行。该传感器具有0.7至6米的范围，用于跟踪人员。2.5 平台之间的比较关系在我们的大学环境中选择这四个平台有两个主要原因，以期将它们纳入几个学科课程：- 其中，这些平台就是研究组的装备。此外，教师一直在使用这些平台，并对它们的表现有着完美的了解。- 这些学科的学生要求使用这些平台，因为他们已经在大学环境之外的空闲时间使用它们，因为他们对新技术的发展感兴趣。使用这四个选定的平台的目的是利用每个平台的潜在内在特性来解决特定的工程问题。除了这些平台的编程之外，如导言部分所述，还有几个领域需要进行实验性测试。下表比较了所有平台之间最相关的特性。本表列出了为任何类型的发展建立解决方案的可用性、可及性和可用性等特点，以强调各种变量。表2. 平台特点2.6 其他平台和工具除了上面介绍的平台之外，仍然存在使用低成本平台进行教学的各种可能性。这些器械包含在本小节中。与以前的不同之处在于：它们在大学集体中不太受欢迎;它们被设计用于更多具体应用;重点支助社区的活动较少。其中一些替代方案是：- Skybot29：具有两个驱动轮和室内传感的移动机器人。- Boe-Bot30：一个带有BASIC Stamp 2微控制器大脑的滚动机器人。- ProtoBot31：一个基于OOML开发的基本原型机器人。- Dwengo Board32：适合初学者爱好者或更有经验的电子技术人员的实验板。另一方面，在网络上找到提供软件工具的社区也很常见，通过论坛提供支持，并使用所有这些平台开发新的解决方案。其中一些社区是：LabVIEW- Hacker33，K12lab （ K12 lab ， 2013 ） ， element 14 COMMUNITY（ element 14 COMMUNITY ， 2013 ） 或 ROS （ ROS ，2013）。3. 教学方法，包括低成本平台一旦研究和选择了最合适的平台，调整课程计划的问题就出现了。在以前的教育经验中，当真实的设备被用于实验室中的一个或一组学生的实验时，尽管使用了新的工作方法，但在这种经验中获得的结果不如预期的那么有希望。第一个目标是在实验室和教室中达到高水平的使用，但没有实现。课程中的这种方法上的改变对学生来说没有足够的吸引力。为了改进这些科目的教学方法，讲师们考虑了新的教学策略。保持在主题的背景下，一个竞争性的框架被选中。在这种新的背景下，学生必须满足两个标准。一方面，可以对学生所做的工作进行评价。另一方面，他们有机会在比赛中相遇，在那里他们需要相互竞争。无论他们获得多少评价，这种竞争的竞争性显著增加了他们的参与，并根据以往的经验，在团体之间产生了高度的合作。在下一节中，将介绍两个具有不同学习目标的案例研究。第一个案例发生在一个课程的背景下，学生们被邀请参加当地的比赛。第二个项目提出了一个挑战：解决不同低成本平台的整合问题，以便在稍后针对大学预科学生的学术会议上提出。29http://www.iearobotics.com/wiki/index.php?标题=Skybot30http://www.parallax.com/go/boebot31http://www.thingiverse.com/thing:1826432http://www.dwengo.org/products/dwengo-board33http://www.labviewhacker.com/doku.php平台奖处理器外围接入软件乐高MindstormNXT160 €-300€ARM73 O / 4 I蓝牙USB专有、开源Arduino20-60 €ATmega328DIO，AI，PWM，PWM，I 2CC开源图书馆RaspberryPi35美元ARM11USB，RJ45，USB，GPIO，I2 C，AV输出开源Kinect150 €的容量计算机加速计，IR，音频专有，开源第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲260目标起点终点4. 案例研究和结果在本节中，对UPV/EHU的DISA进行的两项不同的教育实验进行了说明。这些是由攻读工业工程学位的学生和攻读自动化和工业电子学位的学生进行的。4.1 LEGO-NXT和感知系统课程这个实验是在处理工业中的感知系统的主题的背景下进行的。在课程中，学生将学习工业仪器的基础知识，工业中不同类型的先进传感器（如超声波和光传感器，激光设备和GPS），处理来自工厂的测量信号，以及将这些测量与现实世界联系起来的方法。在本课程中，学生被分成小组，每个小组都必须使用LEGO（R）MINDSTORM（R）NXT 2.0平台和几个外围设备（如引擎、触摸、超声波、光和麦克风传感器）开发一个特定的作品（见图1）。建议的工作的主要目标是：实现一个合适的调整线跟踪控制的控制器，检测前方的障碍物，并保持一个更平滑的行动线识别，始终考虑到NXT 2.0的处理器的限制。为了实现更高的参与和学生在这个项目中的参与，提出了一个组之间的竞争，独立于开发项目的评价。比赛以手帕游戏为基础。创建的机器人必须在带有白线（1厘米宽）的黑色正方形表面（1x1米）上行驶，如图5所示。这条线是机器人到达目标（圆柱体）然后返回的路径。所有机器人都必须由学生设计和创建，没有老师的任何帮助。图五.手帕面。除了8547 LEGO（R）MINDSTORMS（R）NXT 2.0套装中提供的基本配件外，每个团队/团体都有一个NXT 2.0单元。为了追踪白线，学生们必须使用乐高光传感器。一旦达到目标，学生必须处理乐高超声波传感器提供的信息。此时，机器人必须计算到目标的距离并激活捕获任务。由于自由设计，创建了不同的机器人结构。如图6所示，创建了巧妙的解决方案。见图6。一套巧妙的机器人解决方案。结果：由于知觉系统主题的这一新挑战的创建和建议，学生的参与程度显着增加，与以前的版本相比。参加课程工作的学生结束了较高的等级相比，谁没有选择进行工作的学生，并始终高于前几年。通过这个低成本的平台，学生可以从多个学科领域进行实验和学习大量的基础知识，即使是在独立于课程的主题中。编程是一个需要由学生解决的问题，以及：正确检测黑色表面上的白线的照明;根据赛道的不同，在行动必须不同的线路上行驶;或者例如，超声波传感器范围用于检测前方目标的正确定位。一个非常积极的方面是，为了改善实施的解决方案，学生使用他们在学位课程的其他科目获得的知识。下一个链接显示了在比赛中进行的测试之一：http://youtu.be/TlcvtBaVg_c。4.2 Kinect和Arduino for Robotics（人形机器人）该实验旨在设计一种视觉上吸引人的人形机器人，它集成了不同的低成本平台。这些平台是从目前在大学提供的课程中使用的一组设备中选择的。开发的解决方案是在UPV/EHU组织的研讨会/会议的背景下提出的，以便向公众展示教师和学生正在工作的一些领域。该会议每年在毕尔巴鄂举行，由大学管理办公室选择一组特定的部门来展示他们的工作。该学生的工作重点是整合DISA中使用的几个平台，以便设计一个向公众展示的机器人演示。第一个想法是创造一个人形机器人，模仿人的动作，直立，如图7所示。见图7。整合多个低成本平台。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲261由低成本平台组成的集成系统由设计人形机器人的同一批学生向参观DISA展台的人展示。一旦这个系统建立起来，准备就绪，学生邀请公众玩它，同时解释它与大学提供的课程内容的关系。结果：参与学生开展的工作使用DISA提供的几个低成本平台产生了一个综合解决方案。该方案的设计主要由学生承担。教师为学生提供了足够的自由来选择平台，选择通信系统，组装结构和编程代码，尽可能避免任何推论。这个实验清楚地表明，工程专业的学生通过使用这些低成本的平台获得新的知识。从这种教育方法中得出的最重要的结论之一是学生对技术的兴趣日益增长。此外，他们的大学作品的生产力也大大提高。下一个链接显示了这项工作的一个例子：http://youtu.be/UrYv1lArDJs。5. 结论和未来路线本文简要介绍了在大学环境中使用的低成本平台的技术现 状 。 根 据 巴 斯 克 地 区 大 学 自 动 化 与 系 统 工 程 系（DISA）的经验，我们选择并建议了四个用于加强控制教 育 科 目 的 平 台 ： LEGO （ R ） MINDSTORM （ R ）NXT，Arduino，Kinect和RasberryPi。最近，迪砂将这些平台整合到工业工程、自动化和工业电子工程的多个学科中。具体来说，这些科目是在这些课程的最后几年教授的。我们发现，一些学生的技术兴趣与低成本平台的工作线非常接近。因此，很多学生选择这些活动来加强工程基础知识，在过去几年中增加了参与。目前，编程方法也发生了变化，引入了新的方法来支持和集成以前由其他程序员开发的应用程序（APP）。最后实施的解决方案的效率和在这一方案拟订过程中节省的时间都大大提高。从这个角度来看，下一步将是提出新的挑战，让学生在每门课程中整合不同的低成本平台，以教授所有与控制教育相关的科目。这个想法允许在连续的课程中使用相同的多平台，从而为不同的概念提供学习框架。确认这项工作得到了西班牙创新和科学部DPI 2012 -32882项目的支持。这项工作也得到了教育，大学和研究的资助巴斯克政府部（GV/EJ）BFI-2011- 251-AE研究奖学金。感谢Paul D。感谢Reyburn在撰写本文时提供的帮助。此外，作者希望感谢DISA和GICI（http://gici.drupalgardens.com/）的支持。引用Alers，S.，和Hu，J.（2009）. 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