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消防移动机器人与跨学科设计的比较研究
Daniel J. Pack, Senior Member, IEEE, Robert Avanzato, Member, IEEE, David J. Ahlgren, Member, IEEE, and
Igor M. Verner
摘要:本文的目的是说明自主消防机器人设计竞赛作为本科教育的有效工具的好处。本文介绍了与美国空军学院（科罗拉多州）;宾夕法尼亚州立大学阿宾顿分校;三一学院（康涅狄格州）；以及以色列理工学院（海法）合作进行的竞赛调查的结果。这个设计项目的主要目标是制作一个自主移动机器人，它可以在迷宫中导航，寻找火源(由燃烧的蜡烛模拟)，检测蜡烛的火焰，并熄灭火焰，然后返回迷宫中指定的起始位置。消防设计比赛提倡跨学科设计和团队合作。为了达到规定的的目标，学生必须综合从工程设计、电路、控制、信号与系统、计算机编程、数学和工程力学等课程中获得的知识。在这三所大学内，竞赛已成功地成为为了很多教育的基础目标。这些活动包括新生设计、机器人课程、K-12拓展、高级设计项目和本科生研究。
索引 - 设计项目，教育成果，消防机器人竞赛，跨学科课程，移动机器人，K-12拓展。
I.简介
培养工科学生综合运用跨学科概念的能力是工科教育的一个重要目标。另一个目标是帮助学生获得跨学科团队合作的能力，这在注重结果的工程技术认证委员会 (ABET)的制定的标准中得到了强调，该标准要求工程项目应包括高级设计练习[1]。除了这两个目标之外，工程教育工作者还希望为一年级和二年级的学生提供机会，以解决现实世界中的问题，引入基本的工程概念，以达到激励的目的。
本文介绍了如何在三一学院消防竞赛中设计一种自主灭火机器人。
家庭机器人竞赛(TCFFHRC)鼓励学生将所学知识应用于整个工程课程中，为所有学生提供跨学科工程设计团队成员的机会，并向大一大二学生介绍工程概念。
许多机器人竞赛,包括在[2]和[3]中调查的机器人比赛,目前可以参加并为不同层次的参赛者提供各种工程作业设计项目,从高中竞争FIRST[4]到高级研究项目,如机器人足球(RoboCup),运动机器人十项全能竞赛[5],和城市搜索和救援(USAR)倡议[2],[6]。由国际自动化无人驾驶汽车系统协会(www.auvsi.org)主办的国际航空机器人竞赛、学生无人机竞赛、智能地面车辆竞赛、水下竞赛等比赛难度高，对本科生和研究生都是一个挑战。从教育的角度来看，机器人项目中的活动可以通过竞赛导向的课程来组织。这样的课程基于“线程化”方法[7]，其中研究范围的分配被作为课程的总体目标。这样的目的是将知识和技能通过在合适的课程中教授的各种学科串联起来，创建一个有目的的、基于项目的学习过程。
与其他机器人竞赛相比，TCFFHRC的独特之处在于，它提供了一个可以由各个年龄层和技能水平的学生和专业人士来解决的设计挑战。参赛作品可以在四组(初中、高中、高中、高级和专家)中进行竞争，参赛的机器人可以具有适合初中和高中学生的简单设计，或者高度复杂，这将对大学生、研究生和机器人专家构成挑战。
TCFFHRC向学生和专业人士开放，通过在以色列特拉维夫等城市举办的地区性比赛，吸引了来自五大洲的参赛者；蒙大拿州；科罗拉多州；中国，北京；卡尔加里,加拿大;费城,宾夕法尼亚州，还有阿根廷的布宜诺斯艾利斯。2001年的比赛吸引了133个机器人和400多名队员。来自60多个学院和大学的代表队参加了比赛。2002年，IEEE投票决定成为TCFFHRC的主办方之一。
这个比赛的目的是开发一个能够在正方形迷宫中导航的自主运动机器人，并在最短的时间内找到并熄灭一根点燃的蜡烛。其中一项要求是，机器人必须在火焰熄灭前导航到蜡烛30厘米内。迷宫由四个房间和连接走廊组成。在专家组中，机器人避开障碍物，在没有航迹推算的情况下航行，并从任意位置出发。完整的比赛规则可以在TCFFHRC的网页http://www.trincoll.edu/events/robot上找到。对于有兴趣构建自己的机器人的读者，请参考[8]-[12]。
本文贯穿三个主题。
- 消防机器人项目促进跨学科团队教育。
- 学生从竞赛中受益。
- 消防机器人设计促进ABET教育成果的实现。
两个最重要的教益成果是:1)在跨学科团队中工作的能力;2)定义、构建和解决具有挑战性的现实问题的能力。
机器人设计的四个子模块——运动控制、传感器、电源开发和灭火机制——对这两个重要结果都有很大贡献。
本文的重点是比较来自三个差异很大的院校的参赛者的观点，这与参考资料列出的作者以前的工作有所不同。美国空军学院是一所规模庞大、竞争激烈的军事学院;三一学院是一所设有工程系的规模小、选拔性强的文理学院;宾夕法尼亚州立大学阿宾顿分校(Penn State Abington)刚提供工程项目两年。这种比较可以从三个不同的角度来评价机器人比赛的重要性。
考虑到可供选择的设计方案的范围和大学生的聪明才智，由不同大学和学院团队参与的设计存在显著差异。一些团队购买了商业组件，而另一些团队则设计了子系统。许多人用乐高积木制作机器人，缩短了开发时间，让学生专注于传感器和软件。
在本文接下来的章节中，我们将介绍美国空军学院、三一学院和宾夕法尼亚州立大学阿宾顿分校工程专业学生在消防机器人设计方面的经验。第三节给出了支持消防机器人项目价值的调查结果。对研究结果的论证阐述了该项目作为教育工具的不同使用方式。结论讨论了参与的学生的收获和经验教训。
II. 三种不同的经历
A.美国空军学院
在美国空军学院，高等课程(电气工程464，高级设计)的目标是为学员提供使用硬件和软件技能设计、构建和测试具有挑战性的项目的机会。由两名电气工程专业的学生组成的两个实习小组，在课程的最后选择了消防机器人项目。
为了设计和建造每个机器人，学员必须结合他们在机械工程课程中学到的技能，在电气工程课程中学到的电子电路理论，在计算机中学到的编程技能，工程相关课程，以及从数学和物理课程中获得的基础知识。
图1. 弗雷德的照片
学员们还必须作为一个团队来解决“现实世界”的工程问题。例如，学员必须适当地平均分配项目任务，团队中的每个成员必须完成分配的任务，以保证项目的整体成功。学院的两个消防机器人之一，名为“弗雷德”，如图1所示。随后，简要介绍了两支青年队的经验。
两支青年队都选择了铝制的圆形机器人框架。选择圆形的车身形状是为了减少每个机器人与周围障碍物碰撞的机会。圆形平台也提供了足够的空间容纳电机和电子元件。每个机器人都配有一对由直流电机驱动的轮子，以及前后两个转轮。轮子是从业余爱好商店买的，或者是从玩具汽车上取来的。在决定使用直流电动机之前，找到具有所需尺寸，扭矩和功耗的合适的电机并非易事，而且这也是学生构建和解决不明确问题的一个很好的例子。在灭火子模块中的选择中，两个学员团队都选择了一个基于风扇的系统。
一旦机械部件完成，机器人传感器系统就完成了。由于传感器为机器人提供了与周围环境进行良好交互的手段，因此传感器模块的准确设计对于消防机器人的导航和控制至关重要。对于消防机器人来说，这种互动包括在机器人穿过迷宫时探测障碍物、墙壁和火焰。一个小组设计的传感器可以同时检测墙壁和障碍物(传感器的位置符合要求)，而另一个小组设计了一组单独的传感器用于障碍物/墙壁的检测。团队合作能力对传感器系统设计的达成起着至关重要的作用。
机器人的整体控制由Motorola 68HC11单片机完成。对于实际的电机控制方案，读者应该看到[13]。由于传感器所需要的电压与单片机所需要的电压相同，学员们只需要为他们的机器人提供两个独立的电源:一个用于电机，另一个用于所有的电子电路。对于实际控制算法的实现，学员发现使用68HC11汇编编程语言在处理时间关键任务时非常有用，例如在期望的时间间隔内对接近的墙壁作出反应。学员们还使用C语言交叉编译器进行了C语言的实验。
在一个典型的学期课程中，42个课程分为如下：两个系统要求课程，七个初级设计课程，九个初级设计课程，六个子系统组装和测试课程，六个软件开发课程，三个课程 系统集合，三个关于测试和优化的课程，以及无管理的任务，例如正式演示和讨论会。 该项目教职员的典型工作时间约为每周2小时; 每个学员平均花费9小时/周。
B.三一学院
TCFFHRC为三一机器人研究团队(RST)的新一届工程设计课程(ENGR 120)和15个以上的高级设计项目提供了一个主题。
新课程《工程师120:工程设计概论-移动机器人》的主要目标如下:
- 向学生介绍工程领域;
- 鼓励学生选择工程专业;
- 发展实验室技能;
- 讲授计算机程序设计、实验室仪器、计算机辅助设计(CAD)软件包的应用;
- 在12个每周一小时的工作坊中介绍机器人的基本概念(电机控制、嵌入式系统和传感器)。
课程的内容和时间安排使得消防机器人能够在学期结束前开发出来，正好赶上 正式比赛的时间。工作室主题包括C语言编程、红外(IR)测距传感器、火焰传感器、电机控制、迷宫导航和系统集成。参考资料[14]更详细地描述了ENGR120。
RST专注于更高层次的本科研究和设计。第一学期每学期招收10 - 15名学生进行自主学习。会员包括一、二、三、四年级学生。每个学生加入一个学科小组(电子、机械、软件或传感器)，为团队提供专业知识。高级成员担任特定项目的首席工程师。 RST参加了TCFFHRC和AUVSI国际地面车辆竞赛（IGVC）[15]。 RST机器人在几个比赛中排名第一或第二（1997年，1998年，2000年 - 中东区域竞赛; 2001年 - 科罗拉多地区竞赛;以及2001年 - 专家组）。 RST的机器人ALVIN在2001年的IGVC中排名第八。
图2.三一学院消防机器人迷你鲍勃
目前的首批项目包括:
- 基于模糊的迷宫导航算法的改进
- 红外和超声传感器的改进
- 新型IGVC机器人ALVIN III的研制
- 步行机器人的研制
- 电机控制器的研制;
- 微型“智能”相机的开发。
首先，学生将接触到电子和机械设计、团队合作和并行工程方法的CAD工具。机器人迷你鲍勃(图2)在2001年的专家组排名第二，它是第一次设计的一个例子。机器人MiniBob（图2）在2001年专家部门中排名第二，作为RST设计的一个例子。 MiniBob采用六个红外测距传感器（夏普型号GP2D12）和一个Hammamatsu紫外线（UV）火焰探测器，驱动模糊逻辑导航系统，使用摩托罗拉MC68HC332微处理器。 MiniBob的模糊逻辑控制系统允许机器人从任意起始位置搜索火焰，同时避开障碍物和穿越坡道。
在TCFFHRC提出的设计挑战的激励下，超过15名工科学生完成了与机器人相关的开放式高级设计项目。这些设备包括电容式接近传感器、单片机到数字信号处理接口、直流电机控制器、移动机器人视觉系统、超声波测距系统和自主陆地车辆ALVIN。
C.宾州大学阿宾顿分校
自1995年以来，宾夕法尼亚州立大学阿宾顿校区工程专业的一、二年级学生组成的团队一直致力于自主移动机器人的设计，参加三一学院消防机器人大赛。到目前为止，该校本科生已经为一年一度的比赛建造了40多个消防机器人。宾西法尼亚州立大学阿宾顿分校成功地将消防机器人的设计融入机器人课程、大一工程设计课程和本科生研究项目[16][17]。宾夕法尼亚州立大学的阿宾顿K-12拓展项目，服务于宾夕法尼亚州费城地区，也融入了消防机器人的设计。除了参加三一学院的机器人竞赛，宾夕法尼亚州阿宾顿分校每年春天还会举办一场区域性的消防机器人竞赛。该区域活动提高了设计竞赛的可实现性，并为三一学院的主要活动提高了机器人的准备能力。来自宾西法尼亚州阿宾顿和当地高中的学生和老师每年乘公共汽车去三一学院参加周末的比赛。参加机器人竞赛活动的一个好处是可以接触到新技术和其他参与者，他们代表着不同的文化和教育背景。
该机器人课程的主要目标是设计和建造一个自主机器人，该机器人将参加区域和三一学院的消防机器人竞赛,这一课程包括实时编程技术，传感器，微控制器接口，机器人导航。学生们以三到四人的小组形式学习。大多数机器人由乐高材料制成，由一个基于6811的HandyBoard控制器[18]控制，并使用C语言编程。本课程是以项目为基础的学习，强调团队合作、快速原型制作和创造性的问题解决。许多选择这门课的大一学生几乎没有或只有很少的编程经验、电子或建筑经验。基于机器人课程的成功，新生工程设计与图形学(EDG 100)进行了部分修改，并纳入了消防竞赛的移动机器人设计。本课程整合了CAD、实验方法和机器人设计元件。团队合作、沟通技巧和项目管理也很重要。
图3所示为宾夕法尼亚州阿宾顿移动机器人的实例。该机器人由乐高建筑材料制成，由一个手控板机器人控制器控制。导航的方法是航迹推算，通过使用光轴编码器技术实现。用于检测蜡烛火焰的传感器是一种廉价的红外光电晶体管，它安装在一个伺服电机上，并带有一个风扇，为蜡烛的熄灭提供了手段。这个机器人在1997年的三一学院高级组比赛中获得了第一名。
参与宾夕法尼亚州立大学阿宾顿学院本科生研究活动(ACURA)的学生从事基于模糊逻辑的导航和手持技术在移动机器人上的应用领域的研究。在ACURA计划中开发的研究原型已经参加了消防竞赛。
图3. 宾西法尼亚州立大学的阿宾顿乐高机器人
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资料编号：[6011]
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