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实验题目：全自动智能排爆机器人

课程简要信息

课程名称：《嵌入式系统及应用课程设计》

课程学时：课内32学时，课外32学时（集中性实践环节，必修）

适用专业：机器人工程、电气工程及其自动化

学生年级：大三年级、第五学期

实验内容与任务

（1）嵌入式系统及应用课程设计的“痛点”分析与创新教学设计

在嵌入式系统及应用课程设计课程教学与实施过程中，存在着“四大痛点”：

**痛点1：**学生解决复杂系统问题能力不足；
**痛点2：**设计任务与工程实际需求和学科竞赛密切度不高；
**痛点3：**课程思政与实践教学存在“两张皮”的问题；
**痛点4：**项目验收后作品功能再提升的动力不足；

针对以上四大痛点，从项目设计、实践教学模式、课程思政与实践教学融合、学生竞赛牵引提升学生创新能力等四个方面全方位创新设计实验项目。

(2)“思政教育、工程项目、学科竞赛”共同驱动下的“目标问题导向式”设计实验内容

思政教育：因排雷失去双眼和双手的90后排雷英雄杜富国，被评为“时代楷模”、“全国优秀共产党员”和“八一勋章”。教育学生向杜富国学习，要不畏艰苦和不惧生死考验，积极把个人理想融入国家和民族的事业之中，脚踏实地为祖国和人民多做贡献。

图1 排雷英雄杜富国图2 部队排爆机器人

**工程项目：**为了保护排爆人员的安全，部队亟需设计全自动智能移动排爆机器人代替排爆人员，排爆机器人可适应户外复杂地形进行自主寻迹、越障和移动，自动设别爆炸物，并自动引爆爆炸物。

**学科竞赛：**根据中国机器人及人工智能的竞赛项目“全地形自适应机器人设计”，该比赛涵盖了底盘机器人、机械臂、驱动系统设计、机器人感知系统设计、机器人运动路规划等知识内容，可以锻炼学生的对机器人整体设计能力。

**基于思政教育、工程项目背景和学科竞赛的项目要求，提炼“共性关键技术”，综合设计实验项目：**同学们结合自己的专业和所学专业课程，设计一款全自动智能排爆机器人，实现复杂地形的自主寻迹、越障和移动，实现爆炸物的自动识别和自动排爆。

全自动智能排爆机器人的基本功能：

1）自动寻迹：按照项目设计的排爆机器人复杂路径规划运动，实现排爆机器人复杂地形的自动寻迹功能。

2）自动越障：按照复杂地形所设置的障碍物，排爆机器人具有自动通过窄桥、楼梯和管道等障碍物功能。

3）自动识别：通过视觉或其他传感器，排爆机器人能够自动识别爆炸物。

4）自动排爆：排爆机器人能够自动寻找爆炸物并自动定位，设计引爆装置并自动引爆爆炸物。

全自动智能排爆机器人的创新功能：

充分调动学生的主动性和创造性设计创新功能，比如：手机APP、无线通讯、远程控制、视频通话等。

图3 排爆机器人的复杂地形测试场地

实验过程及要求

嵌入式系统及应用课程设计过程贯彻需求分析、资料检索、方案论证、方案反馈、器件选型、系统设计、功能测试、优化迭代、项目验收、功能提升、学生竞赛，具有完整的综合系统项目设计开发流程和项目管理规范。

$D:\2022年度\2022-4 电工电子设计比赛\绘图1.emf$

图4 嵌入式系统及应用课程设计项目实施流程

（1）需求分析

按照全自动智能排爆机器人的自动寻迹、自动越障和自动识别与引爆的需求，明确设计全自动智能排爆机器人的基本功能和创新功能，进行任务分解，制定详细工作计划。

（2）资料检索

根据全自动智能排爆机器人的设计功能，查询国内外电子期刊数据库、专业网站、电子器件公司网站参考设计资源，下载、收集并整理参考资料文档，根据设计内容和要求，提出全自动智能排爆机器人的初步设计方案。

（3）方案论证

根据小组设计的全自动智能排爆机器人功能设计方案和性能指标，给指导老师汇报方案并组内深入论证。

（4）方案反馈

小组汇报并与指导老师进行沟通交流，讨论设计方案和技术实施方案的可行性，针对方案存在的问题和指导老师提出的修改意见，整体优化设计方案。

（5）器件选型

根据全自动智能排爆机器人的设计方案和功能要求，对嵌入式控制器、近红外传感器、灰度传感器、颜色识别传感器、运动底盘、舵机、电机驱动模块等核心部件进行选型设计。

（5）系统设计

根据全自动智能排爆机器人的技术实施方案，对系统的各个模块、传感器进行集成设计，并编写嵌入式系统的软件代码。

（6）功能测试

各小组按照指导老师提供的排爆机器人复杂地形的测试场地，各小组根据功能测试方案，顺序测试系统的功能和技术指标，并详细记录。

（7）优化迭代

各小组根据测试结果，逐条对照设计内容和要求，优化软件程序和调整系统参数，进一步优化提升系统的整体性能。

（8）项目验收

各小组现场演示设计的全自动智能排爆机器人，并做项目PPT汇报，在校友邦实践教学管理平台提交项目设计报告、软件程序源代码、测试数据、参考资料等。

（9）功能提升

各小组项目验收后，根据指导老师提出的建议，再提升系统功能、优化系统结构、美化系统外观，让学生准备参加竞赛。

（10）学生竞赛

以优化后的课程设计作品为基础，组织学生参加科技竞赛，提高学生创新创业能力和提升嵌入式系统及应用课程设计的学习成效。

教学目标与目的

基于“思政教育、工程项目、学科竞赛”共同驱动下的“目标问题导向式”的设计实验内容，设计“全自动智能排爆机器人”设计过程中，学生可以有效从知识目标、技能目标、素质目标、思政目标四个方面全面提升综合能力和素质。

知识目标	技能目标	素质目标	思政目标
理解单片机的原理掌握颜色识别原理理解运动控制原理掌握系统集成原理	掌握硬件设计开发掌握嵌入式软件开发掌握运动控制开发熟练应用仪器与设备	提高自主学习能力提高团结协作能力提高表达沟通能力提高集成创新能力	培养勇于担当精神培养大国工匠精神弘扬创新创业精神激发高度社会责任

教学设计与实施进程

本实验项目设计了课前任务准备、课中任务实施和课后任务拓展三个阶段，在每个阶段都有相应的问题设置、教学设计与引导。

课前-实验任务准备阶段
实验环节	教学设计与引导
线上教学课程自主学习	在智慧树教学平台建设完成《嵌入式Linux操作系统》、《计算机技术基础（C）》、《计算机技术基础（python）》和《智能图像处理与机器视觉》线上课程，让学生提前线下自主学习，为本项目实施提供理论技术支撑。
思政教育	利用“校友邦实践教学平台”下发“排雷英雄”杜富国思政教育课件和视频资料，让学生深入思考基于自己专业和所学课程，如何设计全自动智能排爆机器人，培养学生的责任担当和创新精神。
线上实践平台下发实验任务	利用“校友邦实践教学平台”下发任务书及任务要求；明确任务具体内容、过程管理要求（在平台提交日志和周志）及验收要求；安排学生分组，3-4人一组，分解实验任务，制定详细的实施计划；
资料收集引导学生学习	要求学生搜集现有全自动智能排爆机器人的结构和功能; 在现有产品功能基础上，引导学生思考创新设计系统结构及功能；引导学生熟悉嵌入式控制器、近红外传感器、灰度传感器、颜色识别传感器、运动底盘、舵机、电机驱动模块；
课中-实验任务实施阶段
实验环节	教学设计与引导
线下任务讲解	在实验室详细讲解全自动智能排爆机器人的任务要求及实现的基本功能和创新功能，可供选择的设计方案，特别是共性的技术难点重点讲解，鼓励学生创新功能设计。
思政教育	全过程引入课程思政教学内容，选型典型的教学案例，培养学生的责任担当、大国工匠精神和创新创业精神，引导学生树立科技强国理想信念。
方案设计与优化	小组制定全自动智能排爆机器人方案；小组汇报方案，指导老师提修改指导意见；根据方案反馈，优化设计系统方案；
硬件设计开发	组织学生学习嵌入式控制器、近红外传感器、灰度传感器、颜色识别传感器、运动底盘、舵机、电机驱动模块的运行原理和电路知识、讨论定型系统结构、模块电路结构及相关元件参数；引导学生设计系统的整体结构，并完成系统的原理图设计；在设计过程中，利用“校友邦实践教学平台”发送电气设计规范指导书和教学视频让学生学习并参考，在硬件设计过程出现的问题进行一对一指导；批阅学生在“校友邦实践教学平台”提交的日志、周志，并根据学生在硬件设计过程中出现的问题一对一针对性指导。
软件程序开发	讲解系统的功能及实现思路；引导学生完成系统控制程序流程图的绘制；讲解嵌入式控制器、近红外传感器、灰度传感器、颜色识别传感器、运动底盘、舵机、电机驱动模块等模块的使用方法及编程方法；推送各模块的例程给学生并讲解关键参数的修改办法；根据例程和系统功能开发应用程序，对程序编写、编译、调试过程中出现的问题进行指导；批阅学生在“校友邦实践教学平台”提交的日志、周志，并根据学生在软件开发过程中遇到的技术问题一对一针对性指导。
硬件装配与功能调试	指导学生按照设计原理和模块、传感器的接口方式、参数要求、电气特性进行硬件的装配；引导学生完成元器件的引脚辨识、类型判断和性能测试；按照工艺要求完成实物焊接和走线，时刻提醒学生注意安全；按照先局部到系统的流程调试各个模块功能，最后系统综合功能调试，调试过程中进行巡回指导。
项目汇报验收与资料报告整理	组织学生以小组为单位进行功能演示与PPT汇报，交流设计的经验教训；归纳总结在设计开发过程中存在的典型技术问题；整理技术资料：原理图、元器件报表、流程图、源程序、模块说明书等；在“校友邦实践教学平台”提交资料和嵌入式系统及应用课程设计报告。
课后-任务功能完善与总结阶段
实验环节	教学设计与引导
思政教育	培养学生精益求精的工匠精神，培养永不放弃的拼搏精神和奋斗精神；
功能优化	指导学生完成系统的硬件结构优化与美化；指导学生进行系统功能的优化与完善；指导学生选择系统外壳材料，完成系统组装与调试。
竞赛准备	指导学生如何写报告和PPT，并完善报告和PPT进行完善；组织学生参加科技竞赛。

实验原理及方案

本实验项目提供“全自动智能排爆机器人”的基本硬件架构和软件功能和工作流程，提供一个参考设计方案，鼓励学生发挥创新精神，采用不同的硬件方案，实现设计方案的多样性和软件功能的创新性。

$D:\2023年度\2023-4 电工电子设计比赛\系统结构图.emf$

图5全自动智能排爆机器人控制系统参考结构图

本实验项目“全自动智能排爆机器人”主要包括：嵌入式控制器、近红外传感器、灰度传感器、颜色识别传感器、运动底盘、舵机、电机驱动模块等模块。复杂地形自适应排爆机器人可实现自动寻迹、自动越障、自动识别爆炸物和自动引爆爆炸物等功能。其系统结构参考如图3所示。

（1）主控模块选型设计：可选用STM32或Basra控制器模块。Basra主CPU采用AVR ATMEGA328型控制芯片，支持C语言编程方式，包括：电源电路、串口通信电路、MCU 基本电路、烧写接口、显示模块、AD/DA转换模块、输入模块、IIC存储模块等。

图6控制器选型模块

（2）运动底盘机械设计：可采用双轴直流电机设计机器人的轮式运动底盘，也可采用履带设计为机器人的履带式运动底盘。

图7 排爆机器人运动底盘机械结构参考方案

（3）颜色识别模块选型设计：可选用TCS3200全彩颜色识别模块，集成红外阻挡滤光片，可最大限度地减少入射光的红外光谱成分，并可精确地进行颜色测量，通过IIC接口通讯，传感器提供红色、绿色、蓝色（RGB）和清晰光感应值的数字输出。也可选用Opencv摄像头模块或OpenMV摄像头模块实现颜色识别。

图8 TCS3200模块图9 Opencv摄像头图10 OpenMV摄像头

（4）寻迹传感器选项设计：可选用C33黑标或C04白标灰度传感器，在0.5-3.2cm 的有效距离范围内利用不同颜色对光的反射程度不同的原理，对所处的环境进行颜色深浅检测，从而实现寻迹的效果。也可选用OpenMV摄像头模块实现自动寻迹。

图11 C04黑标灰度传感器图12 C33白标灰度传感器图13 OpenMV摄像头

（5）引爆装置选型设计：可以使用舵机制作排爆机器人的引爆机械臂的驱动装置，利用控制器的可变宽度的脉冲（PWM）控制舵机的角度位置，选用在机械臂的末端安装合适的工具引爆爆炸物。

（6）电源模块选型设计：电源模块可选用9 V、5000MAH的航模锂电池进行电源供电，可保证对控制器控制板正常、安全的供电，同时该型号航模锂电池工作温度范围较大、动力强劲、足容足量高倍率，可保证电源的使用寿命和减少环境因素的影响。

（7）可选扩展模块：蓝牙通讯模块、WIFi通讯模块、Zigbee模块等通讯模块，可以实现排爆机器人的远程控制。

$D:\2023年度\2023-4 电工电子设计比赛\流程图.emf$

图14全自动智能排爆机器人的工作流程图

实验报告要求

全自动智能排爆机器人的实验报告要求包含以下内容：

(1)**项目背景及需求分析：**全自动智能排爆机器人设计背景，系统功能、技术指标、应用场景的需求分析。

**(2)方案论证与优化过程：**全自动智能排爆机器人设计方案的对比和论证，给出机器人系统结构图，并详述系统方案优化的过程。

**(3)系统整体方案设计：**详细阐述全自动智能排爆机器人的整体方案，设计系统模块硬件组成、器件选型、绘制系统的整体工作流程图等；

**(4)系统硬件设计:**详细阐述全自动智能排爆机器人采用的嵌入式控制器、近红外传感器、灰度传感器、颜色识别传感器、运动底盘、舵机、电机驱动模块的集成方案，并测试各硬件模块功能；

**(5)系统软件设计：**要详细阐述全自动智能排爆机器人的嵌入式系统软件设计、运动底盘软件设计、颜色识别软件和自动寻迹软件设计等；

**(6)系统测试：**要详细阐述全自动智能排爆机器人系统测试的方案和测试环境条件，要有详细的测试数据记录，并认真分析数据；

**(7)项目总结：**指出本项目存在的不足，测试过程中出现的问题和解决方法，思考项目下一步功能优化提升的具体措施等。

考核要求与方法

全自动智能排爆机器人项目的考核采用多元化、多角度的过程性考核（40%）和结果性考核（60%）相结合的方法。

序号	考核方式	考核内容	分值
1	过程性考核（40分）	校友邦实践教学管理平台的考勤、日志、周志、资料上传等	15
		学生线上教学资源的自主学习情况	10
		学生的工作态度、创新精神和团队协作能力等	15
2	结果性考核（60分）	全自动智能排爆机器人功能测试，设计合理性和规范性	25
		全自动智能排爆机器人的自主创新功能设计	15
		全自动智能排爆机器人设计报告写作的规范性和完整性	10
		现场答辩准确性和流畅性、PPT质量及项目总结	10

项目特色或创新

**创新优化设计综合实训项目：**基于“思政教育、工程项目、学科竞赛”共同驱动下设计实验内容，突出项目的系统性、复杂性和实现方案的多样性，充分调动学生的积极性和创造性，项目驱动式教学法培养学生解决复杂工程问题能力。
**课程思政与实践教学深度融合：**将课程思政贯穿实践教学的全过程，课程思政引导下的“目标问题导向式”设计实验内容，设计过程融入课程思政，提高学生的工匠精神、创新精神和担当精神，解决“课程思政”与实践教学存在“两张皮”的问题。
**线上线下混合式实践教学模式：**在智慧树教学平台建设与嵌入式系统及应用课程相关的线上教学课程，让学生自主线上学习，为项目实施提供理论技术支撑。线下现场指导和校友邦实践教学管理平台线上指导相结合，真正实现线上线下混合式实践教学。
学生竞赛牵引提升学生创新能力：以学生竞赛为牵引，拓展学生综合实践育人平台，提高学生的创新能力，真正实现“以赛促学、以赛促教、以赛促改”，并获多项国家级学生竞赛获奖，全方位提升嵌入式系统及应用课程设计的学习效果。

11.支撑与佐证材料

(1)佐证材料一：“嵌入式系统及应用课程设计” 实践课程教学大纲

(2)佐证材料二：校友邦实践教学平台记录、学生设计、调试、测试现场图

(3)佐证材料三：实验项目极大提升学生创新能力，学生竞赛成果丰硕

(4)佐证材料四：总结实验实施经验发表课堂教学改革和课程思政设计教研论文

（1）佐证材料一：“嵌入式系统及应用课程设计”教学大纲

课程名称	嵌入式系统及应用课程设计
英文名称	Embedded Systems and Application curriculum Design
课程编号	0800187		开课学期	五
课程性质	实践课		课程属性	必修课
课程学分	2		课程周数	2
适用专业	电气工程及其自动化、机器人工程
开课单位	信息科学与电气工程学院
先修课程	课程名称	对先修课应知应会具体要求
	嵌入式系统及应用	微处理器结构与基本编程方法，嵌入式系统的概念，任务与调度，消息与队列编程
	电路设计与制版	识图与电路设计，PCB识图与设计
后续课程	竞赛机器人设计与实践
课程目标及与毕业要求的对应关系	课程目标				毕业要求
	课程目标				4	7	8	9	11
	1.通过实践锻炼，对单片机系统实现的功能有深入的了解，学会根据测试数据和现象，分析和评价系统逻辑功能。				0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
	2.通过实践锻炼，能正确从环境保护和可持续发展的角度进行单片机系统设计，尽可能避免对人类和环境产生不利影响。				0.2	0.2	0.2	0.1	0.2
	3.通过实践锻炼，能在工程实践中诚实面对实验数据和测试结果，实事求是地分析和解决问题。				0.3	0.2	0.2	0.2	0.1
	4.通过实践锻炼，培养自身的团队合作意识，学会与团队成员的沟通和交流，能从团队中获取有利的建议和意见。				0.1	0.1	0.1	0.2	0.1
	5.通过实践锻炼，了解单片机系统的设计流程，理解系统设计中的成本管理。				0.1	0.2	0.2	0.2	0.3
	6.在解决问题的实践过程中，通过总结解决问题的思路、方法的方式，引导学生树立“工匠精神”，进而专业、敬业。				0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
课程概述	本课程设计是根据电气工程及其自动化、机器人工程专业学生动手能力和实践能力的培养要求而设置的一项重要的实践必修课。通过实际应用项目锻炼，力求理论和实践相结合，培养学生解决电气工程及机器人工程实际问题和综合应用的能力。课程设计过程中，会综合运用当前所学的模拟/数字电子技术、电路设计与制版、嵌入式系统及应用等课程所学知识，并应用到嵌入式系统设计中，使学生在学习完后，能真正从事嵌入式系统的软硬件开发工作。
课程应知应会具体内容要求	任务一：嵌入式系统设计应知应会（目标2，目标5）知识要点：嵌入式系统功能分析，嵌入式系统方案设计，嵌入式系统硬件选型。学习目标：通过锻炼，能根据系统需求，设计出嵌入式系统的组成结构和硬件实现方案，并根据设计方案合理选择器件实现所需功能。任务二：嵌入式系统硬件电路设计与实现（目标2，目标5）知识要点：常见数字电路设计方法，原理图绘制。学习目标：能根据系统方案和所选器件设计出电路原理图，了解嵌入式系统硬件设计过程中的常见注意事项。任务三：嵌入式系统软件编程与调试（目标1，目标3）知识要点：嵌入式系统软件编程思路，嵌入式系统软件调试方法和技巧。学习目标：能根据所设计的电路，编程实现系统所需功能，学会分析问题的方法，解决调试过程中遇到的问题任务四：课程设计答辩与撰写报告（目标1，目标2，目标3，目标4，目标5）知识要点：课程设计报告及科技报告的组成结构，科技报告PPT的设计技巧。学习目标：理解课程设计报告和科研报告的一般结构，能设计PPT参加答辩，并正确撰写课程设计报告。任务五：团队合作（目标4）知识要点：团队分工的原则，团队合作的方法与技巧，团队成员之间交流技巧。学习目标：团队成员合理分工，能有效交流所遇到的问题，互相协作解决所遇到问题。
场所设施设备要求	1.有试验台或桌椅，能摆放电脑、嵌入式系统开发板和其他电子模块，有交直流电源，有学生调试作品的空间。 2.2~3人一组，实验室桌椅布局便于展开小组讨论。
师资标准	1.具有机器人工程或相关专业的硕士研究生及以上学历，具有讲师及以上技术职称； 2.具有高校教师资格证书； 3.具备双师素质，“双师型”教师优先考虑。有扎实的机器人理论基础和丰富的工程实践经验，关注本学科的发展趋势，能将机器人专业相关的新工艺、新材料、新技术、新方法和新理论补充进课程； 4.熟悉高等教育规律，有一定的教学经验，具备一定专业建设能力，能遵循应用型本科的教学规律，正确分析、设计、实施及评价课程； 5.校外兼职教师，具有机器人工程专业或相关专业本科及以上学历；机器人或相关行业的一线技术骨干，具有一定的理论基础，熟悉本行业的国家标准、行业规范等，有较好的语言表达能力。
教材选用标准	1.必须依据本学习目标和学习成果要求标准编写或选用教材； 2.教材应充分体现任务驱动、实践导向的教学思路； 3.教材以完成典型工作任务来驱动，通过视频、典型应用或实际案例和课后拓展作业等多程手段，使学生在各种教学活动任务中学习思考问题和解决问题的一般思路和方法； 4.教材应突出实用性、开放性和专业定向性，同时要具有前瞻性，把握本专业领域的发展趋势； 5.教材应以学生为本，文字表述要简明扼要，突出重点，重在提高学生学习的主动性和积极性； 6.教材中的工作任务设计要具有可操作性。