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轻松控制机器人
─第九届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛─

【作者: 陳國益、陳凱威、盧柏安等】2016年04月20日 星期三

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有人说学习全球化的语言,现在不只是要学英文,程式语言其实更是未来的趋势,于是许许多多针对儿童打造的编码玩具映入我们的眼帘,如同本作品,能让小朋友透过排列代表方向的积木,来操控玩具车的行走路径,借此训练编码的逻辑能力。


本作品使用微处理器HT32F1765作为教具盒的运算核心,搭配蓝牙模组将不同积木的电阻值传送至嵌入式系统开发平台NUC140VE3CN,来控制轮车执行相对应的动作(前、左、右、function ),再藉由事先设计的关卡,观察儿童每次完成任务的积木排列顺序,从中学习到程式设计的基础逻辑能力,以及解决事情的方法。


前言

动机

在资讯科技发达的社会,相信每个人都拥有智慧型手机或平板电脑,就连小孩也不例外。虽然科技带给人们方便的生活,但也导致许多的后遗症,其中低头族的平均年龄逐年下降正是一个需要各位家长重视的问题。


与其让您的孩子从小当低头族的近视眼,为什么不在他最适合进行逻辑训练的年龄培养他的思考能力呢?亦可以从此教具中学会最初步的程式观念,例如程式中循序的概念,透过放置积木的方式,一步一步逐一执行。另外还有程式中事件触发的概念,藉由放置特殊积木的方法,可以先执行特定的动作在跳回原本的程式顺序中。


如果您不希望让你的小孩从小就生活在虚幻的世界里,每天面对着小小的萤幕在傻笑,您真的应该试试真的可以看的到,也摸的到,还可以帮助小孩逻辑思考,提升小孩对程式的兴趣,激发幼童的创意!


目的

市面上贩售的儿童教具种类繁多,但多数的教具都过于生硬,只是死板的让孩童做学习,对于年纪较小的儿童来说,轻易的便会失去耐心,而无法达到预计的学习效益。


因此,我们设计了这套可以实机操作的教具,放置不同的积木,控制车子的移动方向、距离,搭配事前设定的关卡地图,家长可以观察孩童每次破解关卡的程序,提升学童的逻辑思考能力。


创新与实用性

本作品有别于市面上的传统教具,具有优良的人机介面,提供使用者容易的操作模式,放置积木后按下按钮开关,即可看到车子的移动,比起一般纸本教具的纸上谈兵,更可引发小孩的注意。


同时,可以在玩的过程中学到最基础的电脑程式循序概念;透过控制轮车闪避障碍物或达到特定目的,让孩子学着如何解决问题;更可以藉由家长自行设计关卡​​,给小孩闯关,进而增进亲子间的感情。


工作原理

本作品利用两个Android嵌入式平台透过蓝牙模组互相连接,传输不同电阻值的元件讯号,达成控制轮车的动作。


嵌入式作业系统

嵌入式作业系统为支援嵌入式平台运作的主要系统软体,在嵌入式系统组成中,占极重要的角色,嵌入式作业系统继承一般通用作业系统的基本特点,例如有效管理复杂系统资源、行程管理、储存管理、处理器资源调度、设备资源管​​理与中断事件处理等任务。


一般嵌入式作业系统着重于如何建立与硬体底层的驱动软体,并建立系统核心,结合相关设备驱动介面、通信协定、图形化介面、标准化浏览器等软体模组。因此,嵌入式作业系统透过硬体虚拟化,使系统开发人员可避免执行复杂的驱动程式移植及维护。而与一般作业系统相比较,嵌入式作业系统在系统即时性、硬体的相关相依性、软体固化以及应用的专用性等方面具有突出的特点。


Android系统开发分析

在本作品中,Android 应用程式用于观测儿童的操作行为,并纪录及分析,是给监护者或父母使用的软体​​,因此不会对儿童的操作有任何的影响。由于Android系统本身的功能目前仍在逐渐增加和调整,因此Android系统的开发也是一个重要的技术方向。这种类型的开发涉及Android软体系统的各个层级。


Android系统开发的一个比较典型的范例,就是当系统需要某种功能时,为了提供呼叫的介面给Java层级的应用程式,需要从底层到上层的整体开发,其步骤如下:


(1) 增加C或C++的本机函式库。


(2) 定义Java层级所需要的类别(系统API)。


(3) 将所需要的程式码封装成JNI(Java Native Interface)。


(4) 结合Java类别和JNI。


(5) 应用程式呼叫Java类别。


如果涉及Android系统API的修改,则一​​定要慎重处理。因为系统API的修改可能涉及Android应用程式的不相容问题。然而,在更多的时候,Android系统开发只是在不改变系统API的情况下,仅修正系统的缺陷,并增加系统的稳定性而已。


HT32F1765核心功能

本作品中共使用了两块HT32F1765为控制板,分别为教具盒以及轮车的核心控制板。


作品结构

本作品分为两大部分:教具盒以及轮车,接着我们将就这两个部分的硬体架构与软体流程作详细的介绍。


教具盒部分使用盛群的HT32F1765为核心控制板,再将信号藉由Arduino MEGA 2560的I/O,透过HC-05蓝牙模组将指令传输给轮车。


教具盒硬体架构(图1)


图1 : 教具盒硬体架构图
图1 : 教具盒硬体架构图

轮车硬体架构(图2)

轮车部分仍以HT32F1765为核心控制板,藉由HC-06蓝牙模组所收到的讯号,传送相对应的数值给L298N马达驱动板,以控制轮车的行动。



图2 : 轮车硬体架构图
图2 : 轮车硬体架构图

作品操作流程图

本作品的操作流程详见(图3)。



图3 : 作品操作流程图
图3 : 作品操作流程图

软体流程图

本作品的软体流程图详见(图4)。


图4 : 软体流程图
图4 : 软体流程图

测试方法

以下我们将针对设计这项作品时,进行的各项实验与测试项目。


教具盒测试

教具盒线路配置完成后,使用三用电表量测各插槽是否确认导通,待所有位置都确认接收电阻值正确,即可将盒盖固定。


元件测试

图5 : 元件测试流程图
图5 : 元件测试流程图

(本文作者陈国益1、陈凯威2、卢柏安3、张竣惟4、陈韦皓5为国立虎尾科技大学资讯工程系1教授与2-5学生)


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