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輕鬆控制機器人
─第九屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽─

【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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有人說學習全球化的語言,現在不只是要學英文,程式語言其實更是未來的趨勢,於是許許多多針對兒童打造的編碼玩具映入我們的眼簾,如同本作品,能讓小朋友透過排列代表方向的積木,來操控玩具車的行走路徑,藉此訓練編碼的邏輯能力。


本作品使用微處理器HT32F1765作為教具盒的運算核心,搭配藍牙模組將不同積木的電阻值傳送至嵌入式系統開發平台NUC140VE3CN,來控制輪車執行相對應的動作(前、左、右、function),再藉由事先設計的關卡,觀察兒童每次完成任務的積木排列順序,從中學習到程式設計的基礎邏輯能力,以及解決事情的方法。


前言

動機

在資訊科技發達的社會,相信每個人都擁有智慧型手機或平板電腦,就連小孩也不例外。雖然科技帶給人們方便的生活,但也導致許多的後遺症,其中低頭族的平均年齡逐年下降正是一個需要各位家長重視的問題。


與其讓您的孩子從小當低頭族得近視眼,為什麼不在他最適合進行邏輯訓練的年齡培養他的思考能力呢?亦可以從此教具中學會最初步的程式觀念,例如程式中循序的概念,透過放置積木的方式,一步一步逐一執行。另外還有程式中事件觸發的概念,藉由放置特殊積木的方法,可以先執行特定的動作在跳回原本的程式順序中。


如果您不希望讓你的小孩從小就生活在虛幻的世界裡,每天面對著小小的螢幕在傻笑,您真的應該試試真的可以看的到,也摸的到,還可以幫助小孩邏輯思考,提升小孩對程式的興趣,激發幼童的創意!


目的

市面上販售的兒童教具總類繁多,但多數的教具都過於生硬,只是死板的讓孩童做學習,對於年紀較小的兒童來說,輕易的便會失去耐心,而無法達到預計的學習效益。


因此,我們設計了這套可以實機操作的教具,放置不同的積木,控制車子的移動方向、距離,搭配事前設定的關卡地圖,家長可以觀察孩童每次破解關卡的程序,提升學童的邏輯思考能力。


創新與實用性

本作品有別於市面上的傳統教具,具有優良的人機介面,提供使用者容易的操作模式,放置積木後按下按鈕開關,即可看到車子的移動,比起一般紙本教具的紙上談兵,更可引發小孩的注意。


同時,可以在玩的過程中學到最基礎的電腦程式循序概念;透過控制輪車閃避障礙物或達到特定目的,讓孩子學著如何解決問題;更可以藉由家長自行設計關卡,給小孩闖關,進而增進親子間的感情。


工作原理

本作品利用兩個Android嵌入式平台透過藍牙模組互相連接,傳輸不同電阻值的元件訊號,達成控制輪車的動作。


嵌入式作業系統

嵌入式作業系統為支援嵌入式平台運作的主要系統軟體,在嵌入式系統組成中,佔極重要的角色,嵌入式作業系統繼承一般通用作業系統的基本特點,例如有效管理複雜系統資源、行程管理、儲存管理、處理器資源調度、設備資源管理與中斷事件處理等任務。


一般嵌入式作業系統著重於如何建立與硬體底層的驅動軟體,並建立系統核心,結合相關設備驅動介面、通信協定、圖形化介面、標準化瀏覽器等軟體模組。因此,嵌入式作業系統透過硬體虛擬化,使系統開發人員可避免執行複雜的驅動程式移植及維護。而與一般作業系統相比較,嵌入式作業系統在系統即時性、硬體的相關相依性、軟體固化以及應用的專用性等方面具有突出的特點。


Android系統開發分析

在本作品中,Android 應用程式用於觀測兒童的操作行為,並紀錄及分析,是給監護者或父母使用的軟體,因此不會對兒童的操作有任何的影響。由於Android系統本身的功能目前仍在逐漸增加和調整,因此Android系統的開發也是一個重要的技術方向。這種類型的開發涉及Android軟體系統的各個層級。


Android系統開發的一個比較典型的範例,就是當系統需要某種功能時,為了提供呼叫的介面給Java層級的應用程式,需要從底層到上層的整體開發,其步驟如下:


(1) 增加C或C++的本機函式庫。


(2) 定義Java層級所需要的類別(系統API)。


(3) 將所需要的程式碼封裝成JNI(Java Native Interface)。


(4) 結合Java類別和JNI。


(5) 應用程式呼叫Java類別。


如果涉及Android系統API的修改,則一定要慎重處理。因為系統API的修改可能涉及Android應用程式的不相容問題。然而,在更多的時候,Android系統開發只是在不改變系統API的情況下,僅修正系統的缺陷,並增加系統的穩定性而已。


HT32F1765核心功能

本作品中共使用了兩塊HT32F1765為控制板,分別為教具盒以及輪車的核心控制板。


作品結構

本作品分為兩大部分:教具盒以及輪車,接著我們將就這兩個部分的硬體架構與軟體流程作詳細的介紹。


教具盒部分使用盛群的HT32F1765為核心控制板,再將信號藉由Arduino MEGA 2560的I/O,透過HC-05藍牙模組將指令傳輸給輪車。


教具盒硬體架構(圖1)


圖1 : 教具盒硬體架構圖
圖1 : 教具盒硬體架構圖

輪車硬體架構(圖2)

輪車部分仍以HT32F1765為核心控制板,藉由HC-06藍牙模組所收到的訊號,傳送相對應的數值給L298N馬達驅動板,以控制輪車的行動。



圖2 : 輪車硬體架構圖
圖2 : 輪車硬體架構圖

作品操作流程圖

本作品的操作流程詳見(圖3)。



圖3 : 作品操作流程圖
圖3 : 作品操作流程圖

軟體流程圖

本作品的軟體流程圖詳見(圖4)。


圖4 : 軟體流程圖
圖4 : 軟體流程圖

測試方法

以下我們將針對設計這項作品時,進行的各項實驗與測試項目。


教具盒測試

教具盒線路配置完成後,使用三用電表量測各插槽是否確認導通,待所有位置都確認接收電阻值正確,即可將盒蓋固定。


元件測試

圖5 : 元件測試流程圖
圖5 : 元件測試流程圖

(本文作者陳國益1、陳凱威2、盧柏安3、張竣惟4、陳韋皓5為國立虎尾科技大學資訊工程系1教授與2-5學生)


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