英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

Andruino-A1：低成本的基于Android和Arduino教育移动机器人

摘要：这项工作提出了基于Android和Arduino以及局域网（LAN）和网络连接功能设计教育用的低成本(35欧元)、模块化的、可扩展的移动机器人，作为一种实验室和教室中的教育工具，用于提供信息和通讯技术（ICT）的职业培训，或在工程施工课程以及电子学习或大规模在线开放课程（MOOC）中作为虚拟实验室的替代或补充。第一步介绍的是我们称之为“BYOR：自带机器人”的教育政策，相当于计算机世界中的“BYOD：自带设备”。

关键字：教育机器人 机器人 分享服务机器人 BYOR 安卓 Arduino 远程学习

1.介绍

机器人渐渐成为一个受欢迎的教育工具[1-3]，在科技领域革命，在中小学和在一些地区的工程大学作为一个主动学习的方法，允许几门课程，如数学、计算机科学、机械、技术、电子、编程、人工智能、计算机视觉等，组合为一个有不同目标的单一主题。此外，机器人增加协作和工作小组的技能，并根据建构主义学习模式，帮助学生在实践的过程中建构自己的知识。这种教育机器人的增加在机器人比赛之后被加强[4-6]。

信息和通信技术（ICT）和成人职业教育（VET）的主要参与者，是完成了高中或中等职业教育来作为一个大学的替代品的成人学生，或者是那些为了获得新技能来回到劳动力市场的失业者。它们可以被划分到建立在程序性知识上的技术教学，主要由知识执行某些任务的性能,以获得程度中定义的功能。根据这一情况，机器人的设计和编程会成为一个过程集成几个ICT技能领域的任务，需要获得VET课程的要求，例如创造硬件，电脑编程，或网络和操作系统的配置和管理。

尽管本文首先关注的是VET学生，结果已经被应用和扩展工程课程和大学实验室，并将很容易应用在课堂和远程课程基础课程。

本文描述了分析、设计和实现Andruino-A1—一种低成本的基于智能手机的移动机器人的过程，网络连接，用于教育的目的，以及它的应用程序覆盖不同的学习目标和加强学生的技能。

本文的组织结构如下：第二部分描述的概念，我们称之为“BYOR：带着自己的机器人教育政策”和Andruino-A1为了达到这一目标所做的贡献。第三部分绍了为了获得一个开放的低成本机器人，使它能连接到网络从而实现BYOR政策所做的设计标准和选择。第四部分阐述了建造一个Andruino-A1机器人所需要的步骤，包括硬件和软件部分。第五部分致力于在教室里讨论的结果。最后，第六部分给出了结论和未来的工作。

2.BYOR：带着自己的机器人教育政策和Andruino-A1

到目前为止，教育机器人任务可以使用模拟环境执行，或在学术机构的实验室和教室使用真的机器人，这通常需要中等或较高的价格。

另一方面，现在流行的大规模在线开放课程（MOOC）平台，像Coursera[7]，EdX[8]和Udacity[9]已经改变了技术人员和工程师可以更新和扩大他们的知识的方式。所以，一些名牌大学提供机器人课程改变学生学习机器人的方式。通常，这些课程为录像类，并为学生提供一个远程软件平台，像Matlab或Python。但是，通常来说，他们缺乏实际机器人任务的实现。

因此，学习机器人的制造过程是很有必要的，无论是在课堂教学还是在网上教学，对于低成本教育用机器人来说，传感器和容易建造。

所以Andruino-A1的主要目标是使每个学生都能够拥有一个真正的低成本的移动机器人，具有网络连接功能（TCP/IP，3G，WIFI，Bluetooth）和传感器（相机，GPS，加速度计...）来执行任务、家庭作业和机器人项目。基于Andruino-A1，我们追求一个“BYOR:带上自己的机器人”的教育政策，相当于在计算机的世界的“BYOD:自备设备”。此外,随着学生构建和给Andruino - A1机器人编程，他们增加了他们在软件、硬件、编程、协议和网络的知识和技能。

教育机器人在教室和实验室的使用的增加很可能是由于低价或者中等价格的教育机器人外观套件的出现，这些在机械上是很容易制造的。所以有各种各样的机器人套件(见[10]-[2]和引用对教育机器人套件的回顾)。

在[10]中回顾了机器人机械结构和教育用品。同样地，表1的创建是为了对机器人机械结构和教育用品快速参考服务，但是除了与[10]一样专注于机电一体化，它有一个计算的观点，因为我们的课程是面向ICT职业培训。在这张表中，有一些技术参数，估计成本和教育水平的工具供我们使用。我们试图判定它是否是一个开放的平台，为了知道学生是否可以学习和研究系统的所有方面。

虽然在市场上有各种型号的模型可被选用，从关于教育机器人系统的研究的科学文献[11]来看，大多数作者使用的是乐高的头脑风暴。但通常情况下，由于成人职业教育学校的预算有限，每组的两到三个学生不可能获得这个机器人设备。另一方面，它们大多是非机器人套件，基于微控制器，有专有的编程语言，所以它们有了限制，为了计算机和工程课程所需要的技能的获得，例如硬件配置、操作系统管理、网络配置或高级编程等。

幸运的是，两个因素已经允许我们克服上述限制：

第一个是开发硬件和开放软件的增加，主要是基于Arduino项目[13]。Arduino是一个建立在单片机板易于使用的开放硬件和软件的制品，现在被很多学校用于在自动化课程和电子实验室对计算机编程课程的介绍。Arduino目前广泛用于创造机器人[14][15]和嵌入式系统教学[16]。

第二个是使用智能手机设备的增加，如[17]-[18]所示，设备可作为机械零件，而且他们大多数都有大量的可用于机器人项目的技术小配件，作为低成本传感器和技术参数：加速度计、光传感器、温度传感器、磁场传感器、陀螺仪定位、GPS、相机、微型手机、蓝牙通信、802.11通讯、TPC/IP实现、软电池等。此外,从计算的观点来看,智能手机是基于微处理器的系统，执行一个操作系统比像Arduino这样基于微型控制的系统有更多的可能性（CPU、记忆等）。

在智能手机所使用的所有操作系统中，基于Android的开放源码项目（AOSP）的Android已经成为使用最多的，特别是在年轻的人群中，所以很多接受职业教育的学生有一个这样的装置。因此，在课堂上使用Android设备在教育机器人几乎可以被视为“零成本”。在这种情况下，大多数学生已经是有安卓开放系统的智能手机的所有者，这些手机上有大量的传感器，不使用其他更强大的平台，基于低成本的微处理器如Raspberry PI，这也被认为是一种选择。

除了这个优势,在VET的机器人使用安卓智能手机让学生们从计算机教育的观点学习：

像Eclipse这样使用编程语言（Java、Python...）作为专业开发工具的移动设备，它们很可能在它们的工作生活中被暴露。

安卓操作系统管理（流程、命令行接口、日志、线程、套接口等)。

建立在技能手机强大的通信功能上，在机器人网络（合作机器人）中工作的能力：GPRS/3G，TCP/IP，WIFI和蓝牙。

3.设计标准和组件的选择

初步研究[19]后，被称为Andruino-A1的移动机器人设计和构造，遵循以下原则，即使是远程教学的学生都很容易在他们的学习过程中使用这个机器人：

1.简单性：它必须包含最小数量的硬件组件，使用一个简单的机械结构，拥有最小数量的行代码。因此，没有外部传感器将安装在硬件上，所有关于机器人位置、运动和周围坏境的数据将从智能手机上的传感器获得。

2.开放性：学生可以用一些容易找到的东西（从当地商店或流行的网店）构建它，必须是模块化和可扩展的。所有信息都应该发表，使学生们或者其他人可以很容易地重复和改善机器人的设计，使用开放的工具。另外，机器人可以使用常见的网络工具进行操作，如网页浏览器,或典型的管理员工具，例如telnet或ssh客户机。

1. 低成本：机器人必须尽可能便宜(考虑使用智能手机的学生),以便它可以在非洲机器人网络或类似的地方成为负担得起的教育机器人。

4.教育性：机器人的建造和学生们的改进必须在多个领域实现程序性知识（硬件、通信、编程、机器人、网络、社交技能和团队合作）。5.自主合作：机器人必须有足够的能力作为一个自主机器人[20]，然而有使用通信网络和互联网命令他人或与其他机器人（电脑）合作的能力。

为了创建出一个基于安卓系统的低成本的移动机器人，有必要使电话能够在某些机械平台上命令引擎。因此,有必要在不同层次上定义组件：

1. 一个机器人平台必须开放、容易访问、容易构造。在分析了一些选项和产品之后，一个花费10欧元的轮式玩具平台被选中。它包括两个直流电机和符合上述设计要求的齿轮。其他相似的商业平台，甚至是手工制作的，也可以使用。
2. 低水平的控制机器人。控制汽车基本移动(正向、反向、左转和右转)的电子技术在Arduino中通常使用H-桥电路解决，实现单一集成电路L239D，满足设计要求的。所以，低级控制在Arduino中得以实现。
3. Android和Arduino之间的通信，即从Android向 Arduino发送命令。在分析了安卓智能手机的几种通信可能，并且根据上面提到的设计标准，选择安卓音频输出，使用单纯形和异步通信在低比特率与频移键控调制(移频键控),而不是使用双音多频编码[16]。SB OTG是一个伟大的替代Arduino和安卓之间的通信，它将用于未来，但在项目启动时只有少数手机满足OTG协议。这些手机更加昂贵，因此不符合设计标准。同样,使用蓝牙屏蔽Arduino(如[22])增加成本。因此,通过使用移频键控,最便宜的Arduino UNO可以选择。Arduino 加电子元件的总成本(包括直流电机控制和移频键控接口)大约是25欧元。
4. 机器人与其他设备（PC或其他机器人）的通信。为了使移动机器人能与其他代理沟通合作，选择了无线TCP/IP，这样安卓必须从客户端服务器回复命令或质询（电脑或机器人）。

因此，根据上述标准和选择，Andruino-A1是一个有两行轮子放在两边的模块化的微分机器人，由两个独立的驱动直流电机，使其可能向前、向后、保持静止和旋转。

1. 构建Andruino-A1移动机器人和学习目标

4.1硬件

为了确保Andruino-A1电路板可以很容易地插入Arduino电路板，它被设计为一个“Arduino盾”，使用一个通用地带——板构造(一个焊接端),这样,原型可以由stu -凹陷的没有经验的电子原型。

在电路中有两个主要的区域：一个是为H桥集成电路控制直流电机，另一个区域则是致力于音频移频键控接口，由一个电容分压器和两个过滤器组成。

在电路板的制造过程中，有些建议必须被考虑到：

为了使移频键控解调的Arduino单片机正常工作，电位计需要使用万用表设置为电源电压的一半，作为Arduino微控制器的模拟比较器的参考。

在Arduino电路板中，踩针不匹配,所以将销钉焊接在电路板上的过程中必须特别注意，目的是使它完全契合电路板。

针对每个手机制造商的四极迷你插座引出线不同,因此建议参考手机的技术信息来验证针的位置接地和音频输出连接器。

对于电路设计来说，弗里茨工具[23]是被学生使用的，它允许对电路的设计,从试验板设计,然后扩展到电路图和印刷电路板制造业。

学生的电路实现涵盖了以下学习目标：

1. 基本电子技能，如焊接、万用表的使用、电子元件识别和使用、电阻的颜色代码和引出线IC认证。
2. 电子原型构造，主要是Arduino盾牌。
3. 使用H桥控制直流电机的知识。
4. Arduino开放硬件构造的知识以及通过盾牌与它的许多硬件可伸缩性选项。
5. 技术技能在计算机辅助电子设计和CAD/CAE方面的使用。

4.2 Arduino软件

Arduino的基本程序，用程序编写并使用Arduino IDE（版本0023）,执行两个任务：

音频信号解调（移频键控指令）生成的Android设备,使用SoftModem0044库作为Arduino- 0023的数据传递，以630个基点的速率。这个库使用模拟比较器(片上模拟比较器)Arduino 3285单片机接口。

产生PWM信号控制直流电机通过H桥，根据移频键控解调技术命令。

开发的应用程序包括以下学习目标：

1. 脉冲宽度调制（PWM）的知识，来控制直流电机的旋转速度和方向，通过中断或在主循环来实现。
2. 移频键控(移频键控)调制和解调过程的知识，以及它如何可以在单片机中实现。
3. 用程序编程，像C语言编程处理来执行低级任务。使用Arduino的编程和调试环境。从电脑到Arduino加载和运行程序。
4. 创建一个由学生定义的通信协议，服务于Android和Arduino使用移频键控之间的沟通。

4.3 安卓软件

安卓程序执行一些任务:

1. 阅读智能手机的传感器和无线网络的物理参数，从而得到运动、环境和位置数据，用于控制算法，然后通过网络将它们传输到其他节点。
2. 实现一个服务器从任何网络设备使用套接字接收命令（前进、后退、停止、左、右），如个人电脑或平板电脑根据定义的协议使用telnet客户机应用程序。然后,将收到的网络命令转换为命令Arduino移频键控调制信号。
3. 实现一个服务器使用套接字传输的传感器数据,如GPS坐标、方位或水平的最近的接入点。
4. 实现一个简单

   剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

   ---

   资料编号：[150295]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word