基于智能小车及多旋翼飞行器设计的电子信息类项目式教学研究.pdf

1、基于智能小车及多旋翼飞行器设计的电子信息类项目式教学研究打开文本图片集【摘 要】本文研究项目式教学，研究智能小车及多旋翼飞行器设计融合到电子信息类的项目式教学，详细阐述了智能小车、多旋翼飞行器的设计原理方案，项目分类等关键问题，对拓展实践教学有较大的参考价值。【关键词】项目式教学；智能小车；多旋翼飞行器；单片机；嵌入式系统一、项目式教学简述“项目式教学法”是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动，是行为引导型教学方法中的一种。在整个教学过程中既发挥了教师的主导作用又体现了学生的主体作用。由于项目教学法整个过程活动都是真实的，以及学生的全程参与，它能大幅度的提高课堂教学的效果。项目教

2、学法起源于美国，盛行于德国，尤其适合于职业技术教育。它是指将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个教学项目，围绕着项目组织和展开教学，使学生直接参与项目全过程的一种教学方法。其核心追求是：不再把教师掌握的现成知识技能传递给学生作为追求的目标，或者说不是简单的让学生按照教师的安排和讲授去得到一个结果，而是在教师的指导下，学生去寻找得到这个结果的途径，最终得到这个结果，并进行展示和自我评价，学习的重点在学习过程而非学习结果，他们在这个过程中锻炼各种能力。所以在运用项目教学法进行教学设计的时候，学生是认知的主体，是知识意义的主动建构者。教师已经不是教学中的主导地位，成为学生学习过程中的引导者、指导者

3、和监督者，学生具有 90%的积极性。二、基于智能小车及多旋翼飞行器设计的项目式教学的背景和意义“智能小车”是在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。“多旋翼飞行器”是一种非共轴多旋翼飞行器，与旋翼直升机相比具有结构紧凑、效率高和机动性强灵活操控等特点。随着微机电技术（MEMS）、微惯导技术（MIMU）以及飞行控制技术的进步，多旋翼飞行器的研究和应用得到迅速发展，其低廉成本、卓越性能和独特飞行控制方式使其成为国际研究热点。该课题选择的两个教学项目“智能小车”及“多旋翼飞行器”，即符合电子

4、信息类专业的特点，同时符合国家战略新兴产业关于高性能集成电路工程、物联网和云计算工程、智能制造装备工程、新能源汽车工程的发展方向要求，对提升学生专业知识和实践能力有非常好的作用。目前中高等职业学校电子专业学生普遍感到电子信息类课程的理论知识较抽象，电路原理难懂。电子信息类专业项目式教学研究在此背景下提出。对提升电子信息类专业的学生学习兴趣和效率，培养独立思考能力，积累专业设计和实践动手能力具有非常积极的价值。三、智能小车的设计原理“智能小车”是智能车辆的实验室模型，智能车辆也叫无人车辆是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、

5、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。研究内容为教学项目即“智能小车”涉及的电子信息类专业知识和技能的项目式教学研究。项目本身的电路设计及整体设计制作方案简单示意如下图“智能小车”电路结构设计参考。四、智能小车详细设计方案如下：（一）基于嵌入式 ARM 处理器 S3C2440 芯片部分的硬件方案：智能小车在设计时要充分考虑如何实现控制信号、图像采集、声音采集和 WiFi 无线通信数据传输，具体需要要在 S3C2440 芯片的方案中实现智能小车摄像头驱动的安装，同时实现内部串口通信；在考虑 ARM 处理器的设计方案中，可以选用 S3C2440 芯片的 mini2440 开发板作为开发研究的主板

6、，负责图像采集和小车控制台数据处理，配以 WiFi 天线将图像通过 WiFi 通信方式发送给远端的 PC 机或智能手机等。（二）单片机主控模块及显示电路：由于智能小车的要求不是很高，主要都是一些简单的控制，选用 Atmel 公司的单片机 at89c52 作为主控模块，at89c52 是许多教科书常讲解的型号，且价格便宜容易购买。本设计中用 LCD 显示小车运行的时间、运行的路程及小车运行的速度。（三）避障传感器模块：使用红外线光电对管探测，可以考虑在小车的左前和右前装有探测管后，发射的红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。根据二个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物，一般情况下

7、平均探测距离为 3cm。（四）电机驱动模块：使用 L298N 芯片设计驱动电路。一片 L298N 芯片可控制两个二相电机或者一个四相电机，控制端口的输出电压最高可达 50V，可直接通过来调节电源输出电压来调节直流电机的工作状态。L298N 芯片可以直接用单片机的 IO 口提供控制信号，且带有使能端，从而可以实现 PWM 调速。其它具体电路设计还可以根据项目式教学的实践要求不断丰富电子信息类的教学研究内容。五、多旋转翼飞行器的设计原理“多旋翼飞行器”一般指四旋翼直升机，国外又称 Quadrotor，Four-rotor，4rotors helicopter，X4-flyer 等等，是一种具有四个

8、螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。（一）四旋翼飞行器动力学模型设计的小型四旋翼飞行器适用于室内低速飞行，因此忽略空气阻力的影响。因此，简化后的飞行器动力学模型为（二）总体硬件电路设计与实现系统以单片机为核心，主要包括电源模块、电机驱动模块、飞行控制模块、传感器检测等功能模块，该系统硬件结构框图如图 2 所示。（三）PID 控制算法结构分析在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。算法结构如图 B

9、-1 所示。使用经典 PID 控制算法实现位置控制回路和姿态控制回路。PID 算法简单可靠，理论体系完备，而且在长期的应用过程中积攒了大量的使用经验，在飞行器位置和姿态控制应用中具有良好的控制效果和较强的鲁棒性，能提供控制量的较优解。（四）飞行控制电路设计飞行控制模块是控制系统的核心部分。它在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和飞行器的姿态信息，完成 PID 控制的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的控制信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行。（五）传感器检测模块传感器模块是为四旋翼飞行器的飞行控制提供各种飞行参数的装置，包括测量机身三轴角

10、速率的陀螺仪、测量机身三轴线加速度的加速度传感器、测量机身航向及姿态信息的罗盘，电机转速检测的测速传感器、飞行高度传感器和黑线检测传感器。其中角度传感器和陀螺仪电路图如图 4 和图 5 所示。六、基于智能小车及多旋翼飞行器的项目式教学的初步设计项目式教学的设计研究重点是为弥补目前讲授式教学的不足之处，提出一套激发学生的学习兴趣的教学方法，尽可能少讲深奥的电路理论，多讲实用电路，多给学生提供电路制作的动手机会。有些学生基础差，学习理论比较吃力，但他们对自己制作电子电路普遍有很高热情和兴趣。教师在教学中要因势利导，扬长避短，精心设计教学内容，改进教学方法，加强学生动手能力培养。本课题涉及的电子信息

11、类专业的技术路线囊括从芯片选型、电路设计、PCB 设计与制作、底成驱动、单片机与嵌入式系统软件开发、智能应用等过程，也涉及到智能终端，智能机器人和控制等主流信息产业的技术发展方向。技术路线方面考虑“智能小车”项目式教学细分为若干子项目：七、项目式教学实施步骤（一）项目技术究阶段：分部完成“智能小车”、“多旋翼飞行器”项目的设计，电路原理设计、综合调试、实物制作的指导书。各个老师分工合作，同时参考有关文献，共同完成。（二）研究将“智能小车”、“多旋翼飞行器”项目分解为若干子项目，如遥控模块、动力驱动模块、串口模块、视频图像处理模块等等。鼓励参与者积极研究，为后续项目教学积累丰富的实践素材。（三）

12、综合上述设计，结合学生实际，通过电子兴趣协会、电子设计大赛培训小组等形式成立开放式的小范围教学组织形式，组织课题参与的老师对我院自愿参加课余学习的学生进行电子信息类项目式教学。（四）通过教学项目研究设立、项目式教学实践、教学质量反馈的步骤环节，实现将两个教学项目即“智能小车”、“多旋翼飞行器”涉及的电子信息类专业知识和技能寓教于乐的传授给学生。（五）以学生动手实践能力的提升程度，来检验该课题的实施效果，并持续的改进项目式教学的内容和方式。最后提出一套适合在中高职院校推广的电子信息类项目式教学的实例及通用教学参考方案。八、课题研究综述本课题是基于智能小车及多旋翼飞行器设计的电子信息类项目式教学研究，前述已经详细论述了项目式教学内容及具体实施的简要步骤，该项目式教学有较大的教学参考意义。同时。研究不足之处，请有关注该课题的同仁赐教。【参考文献】1滕泓虬.基于 OpenWrt 的移动机器人系统设计J.单片机与嵌入式系统应用，2012，（1）：54-56；2朱向庆，陈志雄.一种语音控制的自主寻迹与避障智能小车设计J.计算机测量与控制，2011，（7）：100-102；3李玉斌.基于嵌入式 OpenWrt 系统的蓝牙及 WiFi 远程监控移动机器人D.深圳大学，2014.