1、3.4.3人工智能与机器人创新实验室一、 实验室简介工程教育作为教育的一个重要组成部分，随着科学技术的发展越来越具有其特殊性，创新工程教育已经成为时代主题。从教学课程体系而言，就是要将工程学科各个专业的专业基础课和专业课的教学和实验放到某个具体的、典型的工程对象中进行，而不是分割教学、分割实践，而人工智能与机器人作为一个典型的工程对象和系统，涵盖了计算机、电子、单片机、通信、机械等各个学科的知识内容。能够使学生理解各个学科、专业、课程之间的内在联系，整体和部分之间联系。国泰安从创新教学实验长远角度考虑，将人工智能与机器人创新综合实验室进行功能模块划分，采用循序渐进的方式。真正达到从基础认知，单
2、元技术，系统集成乃至创新的实验拓展规划。国泰安从教学、研究和竞赛三个方面，按照由低到高、由浅入深的配置思路，首先从教学兼顾竞赛型机器人平台入手，由入门简单、不乏深度的竞赛活动推动创新教学，由创新教学促进实验研究，进而开展更为高级的机器人竞赛活动，使教学、研究、竞赛层层递进，良性循环，把技术创新推向国内同等院校一流水平。本方案兼顾了基础的机器人知识，及机器人的技术前沿，使学生从基础，传统的知识架构引申到先进的设备应用之中，在实验实训过程中掌握到知识。二、 人工智能与机器人创新实验室功能创新实训是当前本专科院校进行创新人才培养最有成效的尝试，学校在此基础上构建具有工程专业本科人才培养体系，培养具有
3、较强实践能力和创新精神，具有团队协作能力和快速学习能力，适应国家新型经济社会发展模式的高素质应用型人才。国泰安人工智能与机器人创新实验室的功能具体体现在以下三个方面： 为专业课程提供实验环境机器人是一种综合性实验设备，能够单独为 C 语言、电路分析、模拟电子、数字电路、信号与分析、单片机原理与应用、电子系统设计技术、自动控制原理、传感与检测技术、电源技术、机器人控制等理工科及物联网基础课程及专业课程提供具有趣味性的实验平台。机器人综合了编程、机电、自动控制、信息工程等多方面学科的课程知识，能够为高年级学生提供毕业设计、综合课程设计平台。在此平台基础上，进行多学科知识综合运用，实现理论知识的融会
4、贯通、综合运用的培养目标。 使用机器人开展创新实训教学机器人作为一种典型机电一体化系统，涉及到制造、机械、电子、传感器、自动控制、计算机软件硬件等学科，因其科技含量高、实践创新性强、探索性强和综合性强的特点，成为培养创新型人才的一条有效途径，是进行创新实践、工程训练及各种竞赛的理想平台。以机器人为平台，学生能逐步自主建构广域的工科知识，激活和强化多方面的能力，了解自己的能力结构，能激发学习兴趣。 通过机器人竞赛调动学生积极性机器人竞赛是机器人技术应用的热点。可以很好地锻炼学生的动手能力、组织能力、协调能力、临场应变和突发问题处理能力等重要的工程素养。同时，机器人竞赛由于其技术性、竞技性，可以很
5、好地吸引学生参加，在学校塑造良好的工程实践教育氛围，引导更多的学生学习。比如全国 RoboCup 机器人大赛武术擂台赛、机器人游中国、CCTV 亚太大学生机器人大赛等。创意之星套件还能够支持学生参加机械创新设计大赛、电子设计大赛等全国性大型比赛。三、 实训项目及研究内容 实训项目实验室可围绕三个中心开展实训教学：1. 以基础课程、专业课程为中心开展实训教学序号 课程 实验内容 说明流程图编程实践使用流程图编程软件，编写程序逻辑流程图，软件自动转化为 C 代码，编译运行，验证流程图编写能力LED 跑马灯实验 学习 C 语言编程，学习位操作、循环等 C 语言知识点1、 C 语言程序设计C 语言综合
6、实验 使用 C 编写一个程序，让小车能够避障。全面验证 C 语言掌握程度。演示实验 展示机器人构型，以机器人控制器为主，展示数字电路实际运用。逻辑门电路实验阅读控制器、传感器原理图，了解二极管、三极管等逻辑门电路工作原理。2、数字电路与逻辑设计AD/DA 实验采集 AD 型机器人传感器的 AD 值，控制指示灯的亮度。学习 AD/DA 的转换工作原理。演示 wifi 通信 演示 wifi 通信，通过 wifi 实现数据传输、图像传输。3、 通信原理 演示 232 通信 通过控制数字舵机，演示串行数字通讯原理。演示实验 展示机器人构型，为学生展示单片机在机器人控制领域的运用。跑马灯实验 通过跑马灯
7、实验，学习掌握单片机IO 口使用，学习 C 语言编程。4、单片机原理及运用IO 传感器输入 使用 IO 量传感器作为输入信号，当传感器触发之后，让机器人执行某一行为，比如左眼亮起。学习掌握单片机数据采集，单片机端口控制。中断实验将 IO 量传感器接到中断接口上，当机器人碰到障碍物，中断触发，让机器人执行不同的运动，比如后退。AD/DA 实验采集 AD 型机器人传感器的 AD 值，控制指示灯的亮度。学习 AD/DA 的转换工作原理。PWM 脉冲实验 用 PWM 脉冲控制指示灯，使得指示灯能够根据输入的 AD 值，改变亮度。点阵式 LCD 液晶屏实验 在 LCD 上显示“五邑大学”的字样，学习 L
8、CD 屏的使用。综合实验搭建一个四轮小车，在单片机控制器上接入 IO 传感器、AD 传感器、指示灯等，做一个自主避障小车。综合检查单片机各知识点的掌握情况。演示实验通过演示高级版创意之星搭建的追球机器人。展示嵌入式系统在机器人上的运用。编程控制 4 轮小车 了解嵌入式系统编程过程。5、嵌入式系统与应用搭建语音控制的 6 足爬虫学习和掌握 PXA270 嵌入式处理器以及嵌入式系统编程。演示实验 演示自平衡机器人，展示 PID 控制理论的实际运用。6、 自动控制原理 设计自平衡机器人 学习和掌握自动控制经典理论在实际工程项目上的运用。演示实验演示带有 IOAD 量传感器的机器人构型，初步了解开关量
9、、模拟量、电阻式、电容式、压电式等传感器的概念，了解传感器的分类和特性。避碰小车 学习开关传感器的使用，了解开关量传感器的特性。寻光机器人 学习光敏传感器的使用，了解 AD传感器的概念和运用。超声跟踪实验搭建一个四轮小车，使用一个超声波传感器，让小车能够跟着人走。学习和掌握超声波传感器。7、 传感与检测技术综合实验搭建一个四轮小车，在单片机控制器上接入 IO 传感器、AD 传感器、指示灯等，做一个自主避障小车。综合检查各种传感器的掌握和运用能力。设计擂台赛机器人设计爬楼梯机器人8、单片机原理课程设计综合电子系统设计 设计工业 AGV 自主导引机器人以综合性的机器人项目，验证学生C 语言、单片机
10、、自动控制等等学科的知识掌握程度。考察学生解决实际工程问题的能力和思路。毕业设计 其它实验内容2. 以实践为中心的项目式实训教学序号 阶段 课程设置 知识点 培养目标演示性实验（5 课时） 4 足爬虫 6 足爬虫 机器蛇 机器狗 声控机器人 避障机器人 追求小乌龟 书法机器人了解机器人技术，了解 C 语言、单片机、自动控制等等学科的实际运用 激发学习兴趣构型搭建实验（5 课时） 简易机械臂 4 轮小车 全向小车 6 自由度机械臂 履带机器人 蛇形机器人 4 足爬虫 6 足爬虫 机器狗使用创意之星零件、控制器、传感器，学习机器人构型搭建。 动手实践能力 团体协作能力 创新思维能力1、导入阶段（大
11、一）流程图编程实验（10） 流程图编程基础 4 轮小车运动控制 基于红外传感器的避障小车 具有种行为的避障小车 学习流程图自动生成的 C代码 使用 C 语言编程，控制避障小车基础课程：C语言通过避障小车这个完整项目，逐步了解流程图编程，培养编程逻辑；通过对照学习流程图及其自动生成的 C代码，学习 C 语言编程。 C 语言编程能力 自主学习能力 动手实践能力 团队协作能力2、基础项目（大二、大三） 多彩霓虹灯 数字信号介绍 单片机 IO 操作 循环、延迟、移位等 C 语言编程 跑马灯编程 单片机开发环境及程序调试 自主避障机器人 舵机控制基础课程： C 语言 数字电路 模拟电路 单片机 数字信号
12、处理 计算机组成原理通过深入学习传感器、舵机、直流电机、单片机控 C 语言编程 单片机运用 模拟电路运用 数字电路运用 动手实践能力 团队协作能力 自主学习能力 知识关联能力 应用实践能力 直流电机驱动控制 AD 传感器 IO 传感器 超声波传感器 迷宫算法 避障机器人程序实现 4 足仿生机器人 仿生机器人动作规划 仿生机器人步态分析 光敏传感器 追踪光源的 4 足爬虫算法实现制器的内部原理、使用方式，巩固并融会贯通数字电路、模拟电路、单片机、数字信号、计算机组成原理等学科的知识；通过编写单片机程序，控制机器人，巩固加深单片机、C 语言知识。3、深入项目及比赛项目（大三下、大四上） 两轮自平衡
13、机器人 两轮自平衡机器人搭建 舵机控制 红外测距传感器使用 数字式 PID 算法实现 自平衡算法实现 现场展示、项目答辩 武术擂台赛无差别组 比赛规则分析 结构设计 传感器布置 基本比赛算法调试 对抗程序调试 参与比赛、项目答辩 擂台赛仿人组 比赛规则分析 搭建机器人 编程实现比赛功能 调试比赛算法 参与比赛、项目答辩 技术挑战赛 比赛规则分析 搭建机器人 编程实现比赛功能 调试比赛算法 参与比赛、项目答辩基础课程： C 语言 数字电路 模拟电路 单片机 数字信号处理 计算机组成原理 自动控制原理通过复杂完整的项目锻炼学生各学科知识的运用能力；通过项目展示、项目答辩总结项目过程中学习的知识，项
14、目设计经验和感悟；通过比赛项目锻炼学生，组件比赛团队和技术协会，选拔优秀的学生参加国内大型机器人赛事。 C 语言编程 单片机运用 模拟电路运用 数字电路运用 自动控制运用 动手实践能力 团队协作能力 自主学习能力 知识关联能力 应用实践能力 创新实验能力 系统调试能力 表达能力 民主管理能力 调整和恢复能力4、课题项目（大四）单片机课程设计、综合电子系统设计、毕业设计等。 写书法机器人 弹钢琴机器人 16 关节的仿生机器狗 禽卵自动采集机器人基础课程： 公共基础课 专业平台课 专业基础课 专业选修课 C 语言编程 单片机运用 模拟电路运用 数字电路运用 自动控制运用 动手实践能力 团队协作能力
15、 服务机器人 垃圾分拣机器人 搜救机器人模块化方案设计 多方位可调机械手 自动捡网球机器车 自动叠衣机器人 清洁机器人为学生毕业设计、课程设计、综合设计、电子设计大赛等提供实现平台。 自主学习能力 知识关联能力 应用实践能力 创新实验能力 系统调试能力 表达能力 民主管理能力 调整和恢复能力3. 以竞赛与创新实训为中心的同步实训教学赛事 介绍 优缺点CCTV 机器人电视大赛全国大学生机器人电视大赛是中央电视台主办，教育部和科技部协办，全国各本科、专科、高职院校广泛参与的机器人竞技盛事。影响大，水平高资金投入大，需每年持续投资，受益面窄，竞争激烈中国机器人大赛中国机器人大赛由中国自动化学会机器人
16、竞赛工作委员会、科技部高技术研究发展中心等主办，包括 50 余项赛事，涵盖了 RoboCup 中国大赛和 Fira足球机器人比赛，是国内参与面最广的机器人赛事。CCTV 同样直播每年赛事。影响大，水平高赛种多，受益面广，且资金投入可大可小飞斯卡尔智能车大赛Freescale 公司主办的智能小车大赛，参与面比较广。影响尚可参与较容易，受益面广，资金投入小，但只侧重锻炼学生的编程能力机器人灭火/走迷宫大赛已有 10 多年历史的机器人竞赛，国内的中学、大学参与面比较广。影响较大，难度较低，受益面广，但水平一般，较适合中学生综合考虑本实验室的建设目的，需要达到“受益面广、比赛影响力大、教学竞赛互相促进
17、”的目的，选择“中国机器人大赛”作为重点考虑赛事。该赛事包含 50 多个赛种，综合考虑各种因素，选择“中国机器人大赛”的以下赛种作为实验室的重点支持：赛种 介绍 难度 受益面 优缺点 备注机器人武术擂台赛这几项竞赛均是“中国机器人大赛”的赛种。大赛每年一次，11 月份，中国机器人大赛竞赛委员会提前下发通知。大赛委员会通低-中 广影响大，门槛低，国泰安能够获得组织单位的大力支持本赛种是全国 ROBOCUP 机器人大赛最具影响力竞赛赛种之一，每年大赛委员会委托自动化委员会委员、大赛评委会总负责王野先生制定竞赛规则，公司支持力度大，获奖几率高，面广。此赛事影响力大，入门较低，学院参赛团队 2-3 个
18、月就可以完成参赛准备。赛前，统一组织集中培训，提供现场指导和服务，提供备用件。颁发全国机器人大赛获奖证书和奖杯。RoboCup 中型组足球机器人大赛知各参赛队伍报名及资格审核等事宜。中 广影响大，是Robocup 世界杯的中国选拔赛，Robocup 中学术水平最高的竞赛之一中型组足球比赛同属ROBOCUP 赛种之一，每年一次国内选拔赛和国际赛。国内和国际影响力最大的赛事。 研究内容通过实验室可开展以下研究项目：1）机器人传感与感知技术传感器主要包括：声纳、红外传感器、电子罗盘、陀螺仪、GPS、编码器、语音、视觉等多种传感器，可完成的实验研究包括：基于声纳和红外传感器的环境建模，以及电子地图绘制
19、基于声纳和红外传感器的机器人路径规划基于 GPS 和电子罗盘的机器人大尺度区域导航定位研究基于 MEMS 惯性器件的机器人导航技术研究多传感器融合技术的机器人精确定位研究移动机器人系统中传感器扩展技术研究2）智能系统及其控制方法基于自适应 PID 控制的机器人运动控制研究基于行为的机器人控制策略/行为机器人学移动机器人的动力学、运动学模型研究 开放式、分布式、总线架构机器人控制理论研究 移动机器人神经网络控制研究 机器人系统中的嵌入式控制器研究（基于 32 位 ARM 处理器） 基于遗传算法的移动机器人的智能控制和路径规划研究3）机器视觉技术自主导航机器人标准配置的二自由度云台摄像机和可选配全
20、景视觉系统，以及可选配的双目立体视觉系统，可开展与计算机视觉相关的大量研究：ROBOCUP 足球机器人的视觉定位方法研究图像视频的格式转换、颜色空间转换、压缩、解码及处理基于机器视觉的视觉导航系统研究 视觉伺服技术及其控制系统研究图像特征及模版匹配技术研究 人脸识别技术及其在移动机器人中的应用 双目立体视觉定位技术研究基于双目视觉的三维环境重建研究4）网络机器人及群体机器人技术导航机器人配备高速无线以太网，并提供包含主要网络功能 UP-BNRS 软件包，可进行相关的网络互联机器人研究。UP-BNRS 软件包还提供基于“行为”的机器人控制体系。视频网络传输及其在移动机器人系统中的应用 基于 Mu
21、lti Agent 的多机器人协作研究基于网络的移动机器人直接控制系统研究 监督式网络控制结构及其在移动机器人中的应用 移动机器人中视觉临场感遥控系统的研究 基于网络的移动机器人分布式控制系统研究多移动机器人系统合作与协调 多机器人任意队形分布式控制研究 5）人机交互技术人机交互是智能机器人的重要研究方向。通过标准配置的语音和视觉传感器，以及 UP-BNRS 软件包的相关功能，用户可和机器人进行友好的交互。语音识别技术及其在移动机器人系统中应用多模态人机交互及其在移动机器人系统中人物/表情识别及其在移动机器人系统中的应用特定/非特定的自然语言识别和理解技术6）机器人系统与设计全自主移动机器人系
22、统设计移动机器人系统的可靠性设计四、 系统组成五、 产品组成及配置1. 创意之星标准版创新项目机器人采用 AVR 控制器，控制器上传感器接口众多，可同时将红外、温度、光强、声音、碰撞等传感器同时插在控制器上（不使用产品本身以外的设备） ，并顺利运行。另外，图形化机器人集成开发环境支持基于流程图的图形化编程和 ANSI C 语言混合编程；程序为交叉编译执行，非解释执行，支持所有 ANSI C 的特性，如指针、数组、结构体、位操作等，是程序编写、编译、下载、调试一体的集成开发环境，具备 3D 仿真环境，可对机器人进行运动学仿真，也可用于可视化动作编辑。具备实时数据监控，可以监测传感器信号和机器人发
23、回的数据。序号 产品名称 数量1 AVR 控制器 1套2 总线式机器人舵机 14 个3 红外接近传感器 1个4 碰撞传感器 1个5 灰度传感器 1个6 光强传感器 1个7 声音传感器 1个8 姿态传感器 1个9 红外测距传感器 1个10 配套资源（组装指南和实验指导书，以及开放的结构 3D 模型和 C 语言源程序）1套2. 创意之星高级版创新项目机器人采用 32 位 ARM10 控制器，控制器上传感器接口众多，可同时将红外、温度、光强、声音、碰撞等传感器同时插在控制器上（不使用产品本身以外的设备） ，并顺利运行。控制器能直接做本地视觉处理，无须接插笔记本、电脑等其他设备即可正常运行。另外，图形
24、化机器人集成开发环境支持基于流程图的图形化编程和 ANSI C 语言混合编程，程序为交叉编译执行，支持所有 ANSI C 的特性，如指针、数组、结构体、位操作等，是程序编写、编译、下载、调试一体的集成开发环境；具备 3D 仿真环境，可对机器人进行运动学仿真，也可用于可视化动作编程。序号 产品名称 数量1 32 位 ARM10 控制器 1套2 总线式机器人舵机 14 个3 红外接近传感器 1个4 碰撞传感器 1个5 灰度传感器 1个6 光强传感器 1个7 声音传感器 1个8 姿态传感器 1个9 红外测距传感器 1个10 温度传感器 1个11 霍尔接近传感器 1个12 彩色 CCD 摄像头 1个1
25、3 立体声麦克风 1个14 超声测距传感器 1个15 六自由度并联机器人套件一套 1套16 配套资源（组装指南和实验指导书，以及开放的结构 3D 模型和 C 语言源程序）1套3. 机器人竞赛组件包配合高级版，可组织参加校内、省市、全国机器人大赛、机械创新设计大赛、电子设计大赛等。序号 产品名称 数量1 22.2V 锂电池组 1个2 24V 锂电池充电器 1 个3 协议转发器 1个4 BDMC2803 4个5 2342 电机（含编码器） 4个4. 自主移动机器人标准研究版教学研究平台，决策、传感、驱动及运动模块分别独立，可根据研究需要组合。平台扩展性强，适合二次开发，公司可以和学校联合开发，比如
26、迎宾机器人、巡检机器人、自主导航机器人等。序号 产品名称 数量1 自主移动机器人标准研究版 1套2 配套资源及工具 1套六、 实训效果图课堂教学 分组实践课堂教学 分组实践机器人大赛七、 人工智能与机器人创新实验室报价项目 设备名称 数量 单价（元） 总价（元）1创意之星高级版创新平台 8 ￥31,900.00 ￥255,200.002创意之星标准版创新平台 12 ￥18,900.00 ￥226,800.003机器人竞赛组件包（开环） 6 ￥4,000.00 ￥24,000.004机器人竞赛组件包（闭环） 4 ￥10,000.00 ￥40,000.005自主移动机器人标准研究版 1 ￥95,000.00 ￥95,000.00合计 ￥641,000.00本项目项目总报价金额为￥641,000.00 元整。本项目总价共计人民币：陆拾肆万壹仟圆整。注：学校可根据具体情况进行增减，总价格也会随之变化。
