機器人教育普及進行時

導語：隨著人工智慧時代的到來，機器人教育越來越被政府和社會各界所重視，未來機器人教育將進一步在中小學中普及，成為必修課程。人工智慧技術在教育領域的運用，將對人類的學習過程產生巨大的幫助。對於未來的教育行業來說，機器人不再是高端技術，而是必須的技能。

中國機器人產業發展迅猛，中國政府也高度重視該領域的發展。如此快速的增長和發展必然會產生大量的人才需求。本專題共分四部分，第一部分（機器人教育佔領未來人才高地）介紹了我國機器人教育相關政策，以及對個人發展的益處。第二部分（機器人等級考試和比賽）回顧了國內外機器人等級考試和比賽，包括：中國機器人運動等級考試全國青少年機器人技術等級考試、青少年機器人技術等級考評、中國教育機器人大賽、中國青少年機器人競賽、亞太青少年機器人競賽、中國機器人大賽、RoboCup（中國）、全國大學生機器人大賽、飛思卡爾智能車大賽、RoboMaster和全國大學生電子設計競賽、國際空中機器人大賽（亞太）和全國青少年無人機大賽。第三部分（詳解機器人基礎入門知識）總結了有關機器人相關知識，包括機器人機械結構、機器人動力驅動裝置、機器人傳感器、機器人通訊單元、機器人計算硬體平臺、機器人計算軟體平臺和機器人控制決策算法七部分。第四部分（機器人教育的分析和建議）對目前機器人教育提出四點建議，包括：（1）機器人教育的完整化和階段化；（2）等級考試和比賽混合制考核制；（3）考試和比賽實行互認機制；（4）標準化機器人教育組成元素。以期提高全社會對機器人教育的認識，為機器人教育的發展提供一個良好的環境。

從國家層面，隨著全球老齡化社會的到來以及國內人口紅利的逐漸消失，機器人替代人類繁重和重複性勞動成為必然趨勢。在2016年，為推進我國機器人產業快速健康可持續發展，工業和信息化部、國家發改委、財政部聯合印發了《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》。另外一方面，國務院於2017年印發《新一代人工智慧發展規劃》，多次提到機器人，更明確指出應實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智慧相關課程、逐步推廣編程教育。機器人作為人工智慧的外部延展形式，將發揮重要作用。同年，國務院印發國家教育事業發展「十三五」規劃，其中提到智慧機器人深刻改變著人類的思維、生產、生活和學習方式。因此，國家層面非常重視機器人的發展，而機器人發展離不開人，也就離不開教育。為此，不少中小學生開展了機器人教育。比如，上海編制的《中小學創新實驗室建設指南》將教育機器人實驗室作為重要的組成部分。從經濟方面，前瞻《中國教育機器人行業發展前景預測與投資規劃分析報告》預計，到2025年，教育機器人市場規模將達到3000億元，將成為全球最大的機器人市場。

從個人教育層面，機器人設計是一個系統性工程，它是指通過組裝、搭建、運行機器人，激發學生學習興趣、培養學生團隊協作能力、動手能力、空間建構能力、想像能力和知識運用能力等綜合能力。技術融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬體及人工智慧等眾多先進技術，為個人能力和素質的培養承載著新的使命。它也與目前的世界風行的STEAM教育息息相關。配合學校的常規教學，機器人教育讓學習不再枯燥，讓個人知道為什麼學習，並能從機器人教育發現自身的價值，樹立良好的學習觀念。

因此，無論從國家發展層面還是從個人發展層面，機器人教育都十分重要和必要，它可以改變國家和個人的命運。

人工智慧技術在教育領域的運用，將對人類的學習過程產生巨大的幫助。對於未來的教育行業來說，機器人不再是高端技術，而是必須的技能。既然機器人教育這麼重要，在操作層面離不開機器人等級考試和比賽。值得注意的是，機器人比賽歷史比較悠久，而機器人等級考試卻是近年來的新事物。這兩種類型的考核相輔相成，促進機器人教育在中國的發展。

機器人等級考試

目前我國機器人等級考試至少有三個，分別是：中國機器人運動等級考試、全國青少年機器人技術等級考試和青少年機器人技術等級考評。

中國機器人運動等級考試

（1）簡介

中國機器人運動等級考試是由國家體育總局中國機器人運動工作委員會與教育部全國學校體育聯盟機器人工作委員會共同指導，面向機器人運動專業人才以外的廣大機器人愛好者和機器人學員開展的機器人運動等級考試，自2017年7月1日起試行。

（2）考試形式

中國機器人運動等級考試共分為十級，一至二級：考生可根據自己學習情況，自行選擇相應級別報考；三至十級：考生需逐級考取（即欲報考四級需取得三級證書），通過並取得六級（含）以上的證書的學員經培訓後可依照中國機器人運動工作委員會制訂的《中國機器人運動專業人才評價工作實施辦法》申請專業資格培訓認證。考試分為筆試（或口試）與實操兩部分。筆試題型主要由單項選擇題、多項選擇題、判斷題、畫圖題、實驗題等題型組成；實操題型為命題式項目，包括搭建、調試、安裝、編程和展示等環節。

（3）考試大綱（表1）

 表1：中國機器人運動等級考試大綱

全國青少年機器人技術等級考試

（1）簡介

全國青少年機器人技術等級考試由中國電子協會主辦，國家教育信息化產業技術創新戰略聯盟承辦，於2015年推出並在社會公開試點，2016年在全國教育系統（中、小學校）推廣。

（2）考試形式

考試標準由低到高分為一級至六級。六級及以上與中國電子學會全國電子信息專業技術資格認證（QCEIT）銜接，進入電子信息工程師序列。

（3）考試標準（表2）

 

表2：全國青少年機器人技術等級考試標準

《中國專業人才庫》全國青少年機器人技術等級考試

（1）簡介

《中國專業人才庫》全國青少年技術等級考試由全國機器人技術考評管理中心人才庫專家委員統一審核。

（2）考試形式

考試共分為十級，基礎級（一級至五級）和專業級（一級至五級）、助理機器人設計師。每一級分為理論測評、實操測評、情感答辯三個考核方面。

（3）考試大綱（表3）

表3：《中國專業人才庫》全國強少年機器人技術等級考試大綱

機器人競賽

中國教育機器人大賽

（1）比賽簡介

中國教育機器人大賽，是由中國人工智慧學會主辦的科技類競賽，旨在推動教育機器人進課堂，促進機器人輔助工程創新實踐教育課程的普及和實施。2011年首屆大賽在深圳創辦，之後每年舉辦一次。2017年第七屆比賽中首次增設國際賽區。

（2）比賽項目

大賽分為大學本科組、大專高職組、中職中學組和小學組四個不同組別進行比賽。1）大學本科組、大專高職組競賽類比賽有：機器人智能搬運比賽、機器人擂臺對抗賽、機器人遊中國比賽、機器人搬運碼垛比賽、機器人滅火和救援比賽、小型物流機器人系統比賽、小型室內服務機器人系統比賽等七項比賽；評選類比賽有：機器人創意設計與製作、群機器人協作或者舞蹈兩項比賽。另外，2017年比賽規則中還有兩個新增比賽項目：無人機競速比賽和QT——資源爭霸賽。2）中小學組比賽項目有：共建家園（幼兒組 4-6歲親子合作賽）、小小軍迷 （幼兒小學組 5-7歲親子創意賽）、 翻山越嶺 （小學組）、 創意闖關——機關王 （小學組、中學中職組）、逆流而上（小學組、中學中職組）、心靈手巧（小學組、 中學中職組）、激清飛越——無人機競速 （小學組、 中學中職組）、機器人智能搬運 （中學中職組）、機器人擂臺對抗賽（中學中職組）、機器人遊中國比賽 （中學中職組）、機器人滅火比賽（中學中職組）、機器人創意設計與製作（小學組、 中學中職組）等12項比賽。

中國青少年機器人競賽

（1）比賽簡介

中國青少年機器人競賽創辦於2001年，由中國科協主辦，是面向全國中小學生開展的一項普及性科技教育活動。自2001年起，每年舉辦一屆。

（2）比賽項目

中國青少年機器人競賽有機器人綜合技能比賽、機器人創意比賽、FLL機器人工程挑戰賽（FLL全稱FIRST LEGO League，是FIRST機構與樂高集團組成的一個聯盟組織。比賽中使用LEGO MINDSTORMS 產品和LEGO積木）、VEX機器人工程挑戰賽（VEX是一款機器人製作組件）和WER工程創新賽（WER ，World Educational Robot Contest是一項面向全球4-18歲青少年的教育機器人比賽）五個競賽項目。1）機器人綜合技能比賽面向中小學生，要求參加比賽的代表隊在完全封閉的現場自行組裝機器人、編寫機器人運行程序、調試和操作機器人,完成在固定場地上設置的不同難度的任務。2）機器人創意比賽自由度比較高，每年設置一個比賽主題，比賽準備時間為6個月左右。學生可以在學校、家庭、校外機器人工作室或科技實驗室裡，以個人或小組的方式進行智慧機器人的創意、設計、編程與製作，最後完成自己的機器人創意作品參加大賽展示和評選。3）FLL機器人工程挑戰賽是一項青少年國際機器人比賽項目，整個競賽分為現場競技、技術問辯、課題研究幾個部分。比賽每年設置一個主題，圍繞主題設計十餘項任務，學生需設計機器人在固定場地內完成這些任務。4）VEX機器人工程挑戰賽也是一項國際青少年機器人比賽項目，每年設置一個主題並設計新的競技內容。比賽採用聯隊對抗形式進行，參賽青少年通過遙控器控制己方的兩個機器人獲得儘量多的分數，同時還要合理運用戰略防止對方得分。5）WER工程創新賽設置與年度主題有關的模擬場景任務，要求參賽隊在現場組裝機器人、編程、調試和操作機器人，完成比賽任務。

亞太青少年機器人競賽

（1）比賽簡介

APRC（亞太青少年機器人競賽）由中國亞太機器人發起，是由中國人自己制定競賽規則的開放式國際機器人賽事。APRC由中國教育在線、WTIO ( 世界科技創新組織）、APRC理事會等共同主辦。 

（2）比賽項目

比賽分為競賽類項目和創客項目。其中競賽類項目中中小學組有無人機競賽、人型機器人競賽、機器人綜合技能競賽、機器人障礙競賽、機器人投擲競賽、機器人三項全能聯賽、機器人墨攻挑戰賽、機器人籃球競賽、機器人創意競賽、機器人百米競賽、機器人3D創意設計競賽、機器人鐵甲鋼拳競賽（小學組）；幼兒組比賽有幼兒機器人創意競賽、垃圾回收機器人親子競賽（每隊參賽選手為一名3-5歲的幼兒及一位家長（爸爸或者媽媽）；大學組比賽有機器人墨攻挑戰賽。創客類比賽有APRC極晝創客（多元創客）（中小學）、APRC極致創客（單體創客）（中小學）、機器人鐵甲鋼拳競賽（小學組）、APRC創客大賽(大學組)、APRC極圈創客大賽（4-5歲的幼兒）。 

中國機器人大賽

（1）大賽簡介

中國自動化學會從1999年開始，相繼開展了FIRA、RoboCup、中國機器人大賽等競賽活動。從2016年開始，原中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽中RoboCup比賽項目和RoboCup青少年比賽項目合併在一起，舉辦RoboCup機器人世界盃中國賽。原中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽中非RoboCup項目繼續舉辦中國機器人大賽。

（2）比賽項目

2016年1月中國自動化學會機器人競賽與培訓部對原有的15個大項79個子項調整為17個大項39個子項目。調整後的項目為：1）籃球機器人自主機器人項目、仿真機器人項目；2）FIRA小型組5vs5項目、11vs11項目、仿真組5vs5項目、仿真組11vs11項目；3）服務機器人通用服務機器人項目、超市機器人項目、多人辨識項目、非限定項目、仿真項目；4）機器人旅遊探險遊項目、尋寶遊項目、循線越野遊項目、搶道越野遊項目；5）醫療機器人規定動作項目、骨科手術機器人項目；6）武術擂臺賽無差別1vs1項目、無差別2vs2項目、輕量組項目、重量組項目；7）舞蹈機器人多足異形項目、雙足人形項目；8）工程機器人光電車型搬運賽項目、攝像頭車型搬運賽項目、人型搬運賽項目；9）競技機器人競步窄足賽項目、競步交叉足賽項目、競步體操賽項目、競速標準賽項目；10）助老服務機器人助老生活服務項目、助老環境與安全服務項目；11）水下機器人機器人水下對抗項目、機器人水下作業項目、機器人水中巡遊項目；12）空中機器人無人機續航挑戰項目、無人機大戰水果項目；13）救援機器人環境自主建圖項目、越障與搜救項目；14）中型組仿真賽；15）機器人先進視覺賽；16）四足仿生機器人項目鐵人三項項目、協作搬運項目；17）自動分揀機器人賽。

機器人世界盃RoboCup

（1）比賽簡介

機器人世界盃RoboCup是世界機器人競賽領域影響力非常大、綜合技術水平高、參與範圍廣的專業機器人競賽，由加拿大大不列顛哥倫比亞大學教授 Alan Mackworth在1992年首次提出，從1997年開始進行比賽。機器人世界盃中國賽（RoboCup China Open）是機器人世界盃RoboCup的正式地區性賽事。

（2）比賽項目

機器人世界盃中國賽分為入門級比賽和國際標準項目。1）入門級比賽有Mini Maze現場賽、Mini Rescue、積木遙控足球、積木智控足球、幼兒組現場賽；2）國際標準項目有舞蹈小學組、舞蹈中學組、足球重量無組別、足球輕量小學組、足球輕量中學組、Rescue Line小學組、 Rescue Line中學組、Rescue Maze 無組別。 

亞太大學生機器人大賽（ABU Robocon）

（1）大賽簡介

「亞太大學生機器人大賽」的前身是日本廣播協會的機器人比賽，該項賽事從1988 年開始舉辦，於1989 年成為日本NHK每年的賽事，並被命名為「全日本機器人大賽」。1990年第一次邀請除日本之外的國外代表隊參賽，成為一項國際性比賽。全國大學生機器人電視大賽（Robocon）是由中央電視臺主辦的全國大學生科技活動，自2002年開始每年一屆，為「亞太大學生機器人大賽」選拔中國大學生的優秀代表隊，到目前為止已成功舉辦十六屆，每屆一個主題。2013年央視正式退出該項比賽，中國失去參與國際賽資格。2014年共青團中央成為該項賽事主辦方。該項賽事亦稱為「全國大學生機器人大賽」。

（2）比賽主題

近三年比賽主題：第十五屆主題——清潔能源，比賽規則的設計體現了儘可能減少能源消耗和利用清潔、可再生能源的意識；第十六屆主題——舞盤雅樂，靈感來自我國古代傳統禮儀和遊戲「投壺」；第十七屆主題——飛龍繡球。靈感來自我國廣西壯族人民的一項傳統體育遊戲「拋繡球」。

飛思卡爾智能車大賽

（1）大賽簡介

智能車競賽是從2006 開始，由教育部高等教育司委託高等學校自動化類教學指導委員會舉辦。比賽形式包括有競速比賽與創意比賽兩大類。競速比賽中包含不同的組別，難度適合本科不同階段學生參賽。在競速比賽基礎上，適當增加挑戰性，形成創意比賽的內容，適合部分有條件、能力強的本科生和研究生參加創意比賽。 

（2）比賽項目

比賽項目每年可能會有調整，以下為十二屆智能車比賽項目。1）光電類。該類別的車模允許採用光電、攝像頭等傳感器進行賽道檢測。完成單車賽道競速比賽。按照所使用的車模種類，分為兩個小組：a）光電四輪組：使用指定的四輪車模完成比賽；b)光電直立組：使用指定的兩輪車模完成比賽。2)電磁類。使用指定的四輪車模完成比賽。該類別的車模只允許採用普通的磁場傳感器，檢測賽道中作為引導信號的 20kHz 的交變磁場，完成單車賽道競速比賽。按照車模驅動電源分為兩個小組：a）電磁普通組：車模使用原車模配備的電池完成競速比賽，比賽成績只與車模運行時間有關；b）電磁節能組：車模使用超級電容儲能完成比賽，比賽成績由車模運行時間和電容存儲電能加權平均。該組別車模允許自行設計組裝特製的車模參加比賽。3)追逐類。參賽隊伍製作兩個車模完成賽道競速，比賽成績由車模運行時間與通過終點的時間差共同決定。如果在比賽過程中，於規定路段完成賽道超車，則會有相應的時間獎勵。按照賽道引導線形式分為兩個組別：a）光電追逐組：兩個車模採用光電競速類的傳感器完成賽道的檢測；b）電磁追逐組：兩個車模採用電磁類的傳感器實現賽道的檢測。4)創意類。要求比賽車模在布置有信標的場地內完成比賽。參賽車模允許安裝光電傳感器，識別場內信標的位置，完成信標的追逐。參賽車模根據任務分為以下兩個組別：a）雙車對抗組：參賽車模在預賽階段，完成單車的資格賽。參加決賽的車模，按照預賽成績分組進行對抗比賽，即兩個車模同時在場地內運行，按照熄滅信標的多少決出勝負。b）四旋翼導航組：參賽車模上不允許安裝攝像頭，但可以安裝普通的光電傳感器。參賽隊伍可以使用四旋翼飛機懸停在賽場內，飛機上可以安裝攝像頭和處理器，檢測車模與信標的位置，指揮車模完成信標追逐任務。

RoboMaster 

（1）大賽簡介

RoboMaster機甲大師賽由共青團中央、中華全國學生聯合會和深圳市人民政府主辦，深圳市大疆創新科技有限公司承辦。大賽以機器人對抗射擊為主題，鼓勵與機器人相關的機械、自動化和電子技術的發展。同時，RoboMaster機甲大師賽通過平衡比賽的技術難度和觀賞性，在全社會普及機器人知識和工程技術之美。

（2）比賽項目

2015首次發展成全國性比賽。RoboMaster 2015賽季在全球首次將機器人競賽和電競呈現方式有機結合，採用紅、藍雙方對抗的形式，參賽隊伍通過自行設計製造多種機器人進行射擊對抗，完成指定任務，由比賽裁判系統判定比賽勝負。RoboMaster2016賽季在充分吸取2015賽季所積累的成果，對比賽場地、規則、呈現方式都做了深入的改良和優化。增設了「空中機器人」，將戰鬥維度從原本的純地面對抗，改為空地立體對抗模式。RoboMaster2017賽季在2016賽季規則整體框架的基礎上增設具備機械抓取功能的機器人。

全國大學生電子設計競賽

（1）大賽簡介

全國大學生電子設計競賽是教育部和工業和信息化部共同發起的大學生學科競賽之一，是面向大學生的群眾性科技活動，目的在於推動高等學校促進信息與電子類學科課程體系和課程內容的改革。競賽的特點是與高等學校相關專業的課程體系和課程內容改革密切結合，以推動其課程教學、教學改革和實驗室建設工作。

（2）比賽項目

競賽採用全國統一命題、分賽區組織的方式，以「半封閉、相對集中」的組織方式進行。競賽期間學生可以查閱有關紙介或網絡技術資料，隊內學生可以集體商討設計思想，確定設計方案，分工負責、團結協作，以隊為基本單位獨立完成競賽任務；競賽期間不允許任何教師或其他人員進行任何形式的指導或引導；競賽期間參賽隊員不得與隊外任何人員討論商量。參賽學校應將參賽學生相對集中在實驗室內進行競賽，便於組織人員巡查。為保證競賽工作，競賽所需設備、元器件等均由各參賽學校負責提供。2017年比賽分：微電網模擬系統、滾球控制系統、四旋翼自主飛行器探測跟蹤系統、自適應濾波器、調幅信號處理實驗電路、遠程幅頻特性測試裝置、可見光室內定位裝置、單相用電器分析監測裝置等主題。

國際空中機器人大賽

（1）大賽簡介

國際空中機器人大賽是由美國喬治亞理工大學羅伯特教授倡導，美國無人機系統協會（AUVSI）資助的賽事。2012年，由中國航空學會制導、導航與控制分會引入國內，設立國際空中機器人大賽亞太賽區，與國外同步進行。該比賽主要面向高校大學生和研究生，目的不是重複先前已實現的技術，而是開闢空中機器人技術的新領域，推進空中機器人最先進技術的進步。目前，比賽還設置了青少年附加賽，通常是操控飛行器在室內完成相關任務。

（2）比賽項目

比賽每年都進行，提前發布任務。當年任務沒完成，來年繼續，直到基本完成，再進行下一個任務的發布。第一次任務（1991-1995年）是要求完全自主的飛行機器人將金屬光碟從舞臺的一側移動到另一側，驗證了全自主飛行能力和不依賴慣性系統導航能力以及兩點物體搬運能力。第二次任務（1995-1996年）是要求在無人幹預情況下，搜尋有毒廢料堆場，繪製部分埋入隨機排列的有毒廢料桶的位置，從在外部某處發現的危險標籤中識別每個鼓筒的內容，驗證了自主空中測繪、毫米級目標識別和目標獲取的能力。第三次任務（1998-2000年）是一個搜索和救援任務，要求全自動機器人起飛，飛往災區尋找倖存者和死者，驗證了自主搜索和營救的能力。

第四次任務（2001-2008）涉及三個需要相同自主行為的情景：人質救援、古墓尋寶和核電廠搶險，驗證長距離自主飛行的能力（3千米）、確定建築群的位置和綜合體內特定建築物的位置、確定該建築物的有效開口、通過空中機器人或攜帶傳感器的車輛進入建築物、將圖片從內部傳回3公裡外的發射點。第五次任務（2009年）是需要一個完全自主的飛行器（沒有全球定位導航輔助）進入包含走廊，小房間，障礙物和死路的室內，找到指定目標。第六次任務（2010-2013年）是需要空中機器人通過更加複雜場景的室內，發現並理解牆上的文字指引信息，進而找到放置指定物品的房間，取走該物放入替代品，並快速地退出建築物。第七次任務（2014-2017年）要求空中機器人能夠自主導航、避開移動障礙和識別地面移動機器人，以及通過設計頂層決策進行頻繁起降，將移動機器人趕出飛行區域。第八次任務涉及多個空中機器人和人的合作，目前已經發布。

全國青少年無人機大賽

（1）比賽簡介 

全國青少年無人機大賽創辦於 2017 年，中國科學技術協會、空軍招飛局、海軍招飛辦作為指導單位，由中國航空學會主辦，是面向全國中小學生開展的一項結合航空科普以及創意編程的無人機賽事。自 2017 年起，每年舉辦兩屆，每屆比賽有不同的賽事側重，一屆以動手組裝，飛行操作的飛手能力評定為主，另一屆以創意編程，以及團隊能力塑造和評定為主。賽事會在各省市地區先進行分站賽和地區選拔賽，並將優勝隊伍和個人輸送至全國賽。 

（2）比賽項目

全國青少年無人機大賽基於小學組、初中組、高中組三個不同組別的劃分，按照個人賽、團體賽、團體接力賽、創意賽等賽事形式，共涉及十餘項比賽項目。個人賽按照小學、初中、高中的不同年齡段分組，主要比拼參賽選手的飛行操作能力，根據預先設計的飛行賽道，要求選手在規定時間內完成整個飛行賽道的所有項目，並以用時的長短來判定比賽的優勝。團體賽是一種團體競技的比賽形式，每支隊伍要分成組裝組和飛行組，分別派選手參加比賽，並以組裝成績分數和飛行成績分數的累計總分判定優勝，這就要求每一名隊員都具備動手組裝和飛行操作的較高水平。團體接力賽是基於「小鳥飛飛」無人機教練功能的應用而設立的賽事，需要4名選手組成一個團隊，用2個遙控器輪流對同一架飛機進行遙控飛行，並依次完成比賽規定賽道，充分鍛鍊了選手間的團隊配合與協作能力。創意賽是最具觀賞性的賽事，包含空中足球賽和無人機創意舞蹈表演賽。空中足球賽是一種團隊賽的形式，每支隊伍由3名選手組成，每名選手分別控制一架無人機，進行3對3的對抗，旨在將特定的空中足球攻入對方大門獲得分數，並在比賽結束時以分數較高者為優勝，將足球這項大眾體育賽事，以無人機的形式，演化為一種基於三維空間的比賽形式，極具觀賞性。無人機創意舞蹈表演賽，是以預先提供的音樂為抓手，要求參賽隊伍基於對音樂的理解進行無人機的創意編程，並有效地配合音樂旋律進行無人機舞蹈的編排和設計，是對於STEAM教育中Art能力的一種訓練和培養，是非常有魅力的一項賽事。不同於個人賽及團體賽等賽事，創意無人機賽的比賽形式並不固定，會進行不斷的變化，配合編程創意的能力不斷創新和提高。

小結

表4總結了以上提到的考試和比賽，集中展示它們的負責單位、考試形式以及適應的人群。

表4：機器人等級考試和競賽的組織概況

從目前的比賽和考試看，機器分類方法很多。簡單地按所處空間，大體可以分為：空中機器人、攀爬機器人、地面機器人、地下（管道）機器人、水面機器人，以及水下機器人等。它們有不同的特點，比如,空中機器人比賽通常考察控制穩定性和感知能力,相比其他種類機器人，控制調試最有挑戰性，也最為吸引人；攀爬機器人、地面機器人和地下（管道）機器人比賽主要考察機械結構的設計；水面機器人和水下機器人比賽通常考察機械結構設計和控制，也考察感知能力。雖然側重不同，但有大量相關知識是相通的。根據機器人等級考試與比賽的要求以及一些實用的技能，我們總結收集以下有關機器人相關知識，包括機器人機械結構、機器人動力驅動裝置、機器人傳感器、機器人通訊單元、機器人計算硬體平臺、機器人計算軟體平臺和機器人控制決策算法等七部分。它們的關係見圖1。

 

圖1：機器人系統整體框圖

機器人機械結構

機器人機械連接零部件

（1）軸承。軸承一般分為滑動軸承和滾動軸承。滑動軸承是在滑動摩擦下工作的軸承。滾動軸承是將運轉的軸與軸座之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機械元件。

（2）聯軸器和離合器。聯軸器和離合器是機械傳動中常用的部件，主要用來連接軸與軸（或連接軸與其他迴轉零件），以傳遞運動與轉矩，有時也可用作安全裝置。不同之處在於，聯軸器用來把兩軸連接起來，機器運轉時兩軸不能分離，而離合器在機器運轉過程中隨時結合或分離。因此，離合器可用來操縱機器傳動系統的斷續，以便進行變速和換向。

（3）螺紋連接。螺紋連接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接，具有結構簡單、連接可靠、裝拆方便等優點。

（4）鍵連接。鍵連接是通過鍵實現軸和軸上零件間的周向固定以傳遞運動和轉矩。

機器人機械結構軟體設計工具

（1）AutoCAD。AutoCAD（Autodesk Computer Aided Design）可用於二維繪圖、詳細繪製、設計文檔和基本三維設計，現已經成為國際上廣為流行的繪圖工具。

（2）Pro/E。Pro/E是個全方位的3D產品開發軟體，它集成了零件設計、曲面設計、工程圖製作、產品裝配、模具開發、NC加工、管路設計、電路設計、鈑金設計、鑄造件設計、造型設計、逆向工程、同步工程、自動測量、應力分析、機構仿真、有限元分析和產品數據管理於一體。

（3）SolidWorks。SolidWorks主要有草圖繪製、零件設計、裝配模塊、工程圖模塊、鈑金設計、模具設計、運動仿真等功能。

機器人機械結構加工設備

（1）3D印表機。3D印表機又稱三維印表機（3DP），是一種累積製造、快速成形技術。它以數字模型文件為基礎，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過列印一層層的粘合材料來製造三維的物體。

（2）雷射雕刻機。雷射雕刻機是利用雷射對需要雕刻的材料進行雕刻的一種先進設備。雷射雕刻機的使用範圍廣泛，雕刻精度高，雕刻速度快捷。相對於傳統的手工雕刻方式，雷射雕刻也可以將雕刻效果做到很細膩。

（3）數控工具機。數控工具機是指可以通過事先編輯的精確指令進行自動加工的工具機。通過輸入數控系統的程序指令，計算機編譯計算後，通過位移控制系統，將信息傳至驅動器以驅動馬達來加工所設計的零件。

機器人動力驅動裝置

驅動器是給機器人提供動力源，主要包括電磁式、氣動式和液壓式。大多數競賽中使用的是電磁式和氣動式，而液壓式往往用於大型工業機器人。因此，下面主要簡要介紹下電磁式和氣動式驅動器，以及傳動件和基本的控制算法等。

驅動器

（1）電磁式。電磁式電動機能將電能轉換成機械能，競賽中一般用的是直流電動機。一般通過編程驅動匹配的電子電路，最終驅動直流電動機。1）直流電動機。根據是否配置有電刷-換向器可以將直流電動機分為兩類，包括有刷直流電動機和無刷直流電動機。2）步進電機。步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響。3）伺服電動機。伺服電機是高品質的直流電機和步進電機，它在直流電機和步進電機的基礎上配置了控制電子設備，可以採用閉環實現準確的位置控制，只要提供相應的電信號就可使其旋轉相應的角度。

（2）氣動式。氣壓傳動以壓縮空氣來實現能量的傳遞，傳遞動力的系統將壓縮氣體經由管道和控制閥輸送給氣動執行元件，把壓縮氣體的壓力能轉換為機械能而做功。比賽中常見的氣壓傳動裝置所用的高壓氣瓶一般用塑料瓶自製，使用氣體壓縮機從充氣口充氣後，由穩壓閥維持氣壓的穩定，並由單片機控制方向的電磁閥改變氣流進出氣動裝置的方向，達到控制氣動裝置運動方向的目的。

傳動裝置

（1）連杆傳動。連杆傳動機構是用鉸鏈、滑道方式，將構件相互聯接成的機構，用以實現運動變換和動力傳遞。

（2）齒輪傳動。齒輪傳動是指由齒輪副傳遞運動和動力的裝置，它的傳動比較準確，效率高，結構緊湊，工作可靠，壽命長。

（3）蝸杆傳動。蝸杆傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸杆傳動具有傳動比大、結構緊湊、傳動平穩、噪聲低的特點，通常用作減速裝置。

（4）帶傳動。帶傳動是利用帶輪和傳動帶間的摩擦或嚙合作用，將運動和動力傳遞出去的裝置。帶傳動具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉和緩衝吸振等特點。

（5）鏈傳動。鏈傳動通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動具有平均傳動比準確、傳動效率高的特點，且能在高溫和潮溼的環境中工作。

（6）凸輪傳動。凸輪傳動由凸輪機構實現，凸輪機構一般是由具有曲線輪廓或凹槽的凸輪，從動件和機架三個構件組成。只需設計適當的凸輪輪廓，便可從動件得到任意的預期運動。

機器人傳感器

感知單元提供環境和機器人系統的狀態信息，作為控制、決策以及與環境其他單元進行交互的基礎。

距離傳感器

（1）超聲波。超聲波測距原理是超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。通過超聲波在空氣中的傳播速度，根據計時器記錄的時間，就可以計算出發射點距障礙物的距離。

（2）雷射測距儀。雷射測距儀是利用調製雷射的某個參數實現對目標的距離測量的儀器，分為相位法測距儀和脈衝法測距儀。進一步，二維雷射掃描儀是通過旋轉的光學部件發射形成二維的掃描面，以實現區域掃描及輪廓測量功能。二維雷射掃描測距系統可以實現360°範圍內的雷射測距掃描，產生所在空間的平面點雲地圖信息用於地圖測繪、機器人定位導航、物體/環境建模等應用。二維雷射掃描儀在目前的掃地機器人上廣泛使用。

（3）紅外測距傳感器。紅外傳感器的測距原理與雷射相似，只是紅外傳感器是利用紅外線。

（4）毫米波雷達傳感器。與紅外、雷射、電視等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。一般用於室外。

 （5）氣壓計。這主要是測量高度。大氣壓隨高度的增加而減小，氣壓計正是通過測量大氣壓來估計高度。壓電式氣壓計將這種變化變成高度。

姿態角傳感器

姿態角是機器人坐標系相對於固定坐標系的角度，包括俯仰角、滾轉角和偏航角。

（1）加速度計。加速度計能夠測量物體的比力，即去掉重力後的整體加速度。比如，當加速度計保持靜止時，加速度計測量值為重力加速度，而整體加速度為零；在自由落體運動中，整體加速度為重力加速度，但是加速度測量值為零。通過這個原理，可以測量機器人的俯仰角和滾轉角等。

（2）傾角儀。它是加速度計的高級形式，根據工作原理的不同可分為「液體擺」式、「固體擺」式和「氣體擺」式三種，可以測量機器人的俯仰角和滾轉角等。

（3）磁力計。磁力計可用於測試磁場強度和方向，確定設備的方位。磁力計一般利用各向異性磁致電阻或者霍爾效應來檢測空間中的磁場強度。此外，基於洛倫茲力的磁力計也在發展。基於洛倫茲力原理，切割不同方向的磁場，產生不同大小的力，從而改變電容大小，被電子電路測量得到。該傳感器主要用來測量機器人的偏航角。

（4）陀螺儀。微機電系統（MEMS）陀螺儀利用科裡奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。因為科裡奧利力正比於角速度，所以由電容的變化可以計算出角速度。陀螺儀不能用於測量角度，但可以與以上傳感器融合得到更加準確的姿態角。

旋轉角和角速度傳感器

一個圓盤光柵固聯到旋轉軸上，它在不同旋轉過程中會產生明暗變化。光電旋轉編碼器將這種變化記錄下來，得到相應的旋轉角和角速度。這一般可用於測量輪式機器人的輪子的速度和前進的距離。

溫度傳感器

（1）紅外傳感器。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關係。光學系統匯集其視場內的目標紅外輻射能量，並轉變為相應的電信號。這比較適合非接觸式的測量。

（2）熱敏電阻。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現出不同的電阻值，這比較適合接觸式測量。

力傳感器

（1）壓電式傳感器。當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去後，晶體又恢復到不帶電的狀態。

（2）應變片。將應變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應變一起伸縮，相應電阻會隨之變化。

光敏傳感器

光敏電阻不受光照時的電阻成為暗電阻，此時流過的電流成為暗電流。在受到光照時的電阻成為亮電阻，此時電流稱為亮電流。暗電阻越大越好，亮電阻越小越好。實際應用時，暗電阻大約在兆歐級，亮電阻大約在幾千歐以下。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。利用光敏傳感器，可以進一步設計出巡線傳感器和避障傳感器。基本原理是通過主動打光和光敏傳感器接收反光，判別周圍情況。

定位傳感器

（1）GPS。全球定位系統GPS是一種全球導航衛星系統，利用衛星來定位授時。GPS接收機能接收多組衛星數據，並通過求解方程得到其準確位置。GPS的絕對精度一般是米級。差分GPS和RTK GPS的精度可以達釐米級。這些傳感器一般用於室外，但有時受到遮擋穩定性會不太好。

（2）室內光學定位系統。光學定位系統由多個相機、紅外LED燈、路由器、電腦、和反射標記點組成。工作原理：多個相機組成的捕捉空間，相機上的近紅外LED照射目標物上的反射標記點，相機對標記點進行紅外成像，提取標記點的二維信息，通過多個相機對同一標記點反饋的空間數據，計算出反射標記點的三維位置信息，最終能將機器人的位置和姿態計算出來。靜態定位精度可以達毫米級，姿態計算精度也很高，滿足大部分的室內需求。

（3）UWB定位。UWB，即超寬帶技術，定位原理和衛星導航定位原理很相似。靜態定位精度可以達分米級，比較適合室內外精度不高的局部定位。

視覺傳感器

人類獲取的信息70%-80%來自視覺，因此視覺傳感器作用非常大，它的潛力需要不斷開發。

（1）2D相機

目前越來越多的機器人採用2D相機作為傳感器，它通過成像透鏡將三維場景投影到攝像機二維像平面上。針對相對定位，可以利用類似於二維碼的Tag實現相對定位，如：AprilTag是一個由密西根州立大學的April實驗室開發的、免費開源的視覺定位系統，被廣泛應用於機器人、無人機定位導引等。除此之外，可以利用如OpenCV的開發包等或自行開發用於識別或定位。

（2）3D相機

目前，3D相機可以恢復局部區域的3D景象。成像原理一般分為ToF（Time of Flight）測量方法和結構光掃描法兩類。ToF成像原理是讓裝置發出脈衝光,並在發射處接受目標物的發射光，通過計算往返的時間差測量與目標物的距離。結構光掃描法的原理是首先將結構光投射到物體表面，再用攝像機接受該物體表面反射的結構光圖案，通過圖案在圖像上的位置和形變程度來計算物體表面的空間信息。目前常見的傳感器包括：微軟的Kinect和英特爾的Realsense。

小結

以上介紹的傳感器總結如表1所示。

除以上介紹的傳感器之外，還有不少類型傳感器就不一一介紹了，比如聲音傳感器等。不同傳感器在精度、測量範圍、適用範圍、重量、價格都有差異，因此需要進一步根據任務進行選擇。另外，可以通過組合傳感器，開發算法搭建新的傳感器。比如：多用幾個超聲波測距模塊可以設計新的避障傳感器。

表1：機器人傳感器類型

機器人通訊單元

有線通信

（1）串口。串口按位（bit）發送和接收字節。通信使用3根線完成，分別是地線、發送、接收。由於串口通信是異步的，埠能夠在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對於兩個進行通信的埠，這些參數必須匹配。

（2）I2C。I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接於總線上的器件之間傳送信息。連接到相同總線上的IC數量只受總線最大電容的限制，串行的8位雙向數據傳輸位速率在標準模式下可達100Kbit/s，快速模式下可達400Kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。

（3）SPI。SPI 是由摩託羅拉(Motorola)公司開發的全雙工同步串行總線，是微處理控制單元(MCU)和外圍設備之間進行通信的同步串行埠。SPI 總線可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接連接，一般使用4 條線：串行時鐘線SCK、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸人數據線MOSI 和低電平有效的從機選擇線SS。

（4）CAN。CAN是控制器區域網路(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，並最終成為國際標準（ISO 11898），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。

（5）I2S。I2S(Inter—IC Sound)總線, 又稱集成電路內置音頻總線，是飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，該總線專門用於音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用於各種多媒體系統。

（6）網絡通信。網絡通信模型常使用TCP/IP協議。TCP/IP提供點對點的連結機制，將數據應該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標準化。

無線通信

（1）藍牙。藍牙是一種無線技術標準，可實現固定設備、行動裝置和樓宇個人域網之間的短距離數據交換（使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）。

（2）WiFi。WiFi是一種允許電子設備連接到一個無線區域網（WLAN）的技術，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射頻頻段。連接到無線區域網通常是有密碼保護的；但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN範圍內的設備可以連接上。

（3）ZigBee。ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的低功耗區域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低複雜度、自組織、低功耗、低數據速率，主要適合用於自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

（4）紅外。紅外通訊就是通過紅外線傳輸數據。為了使各種紅外設備能夠互聯互通，1993年，由二十多個大廠商發起成立了紅外數據協會(IrDA)，統一了紅外通訊的標準，這就是目前被廣泛使用的IrDA紅外數據通訊協議及規範。

（5）3G。第三代移動通信技術，簡稱3G，是指支持高速數據傳輸的蜂窩網絡行動電話技術。3G服務能夠同時發送聲音（通話）及信息（電子郵件、即時通信等）。3G的代表特徵是提供高速數據業務，速率一般在幾百kbps以上。第四（五）代移動通信技術（4G，5G），是3G之後的延伸，意味著通信終端能做更多的事情，例如除語音通信之外的多媒體通信、遠端控制等。

機器人計算硬體平臺

處理器單元

（1）51單片機。51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱，是應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列。具有如下特點：8位CPU；擁有4kbytes程序存儲器(ROM) ，外部程序存儲器尋址空間為64Kb；128bytes的數據存儲器(RAM) ，外部數據存儲器尋址空間為64kB；2個可編程定時/計數器；5個中斷源；2個優先級。

（2）Arduino單片機。Arduino常見的型號有UNO、MEGA等。以ATMega2560為例，它是配置最高的8位Arduino控制器，有15個PWM引腳，16MHz時鐘頻率，256Kb Flash。

（3）STM32單片機。STM32系列單片機基於ARM Cortex-M內核。以比賽中經常使用的STM32F103系列為例，它有如下特點：32位CPU；最高72MHz工作頻率；從16K到512K字節的快閃記憶體程序存儲器；2個12位模數轉換器；2個DMA控制器，共12個DMA通道；支持定時器、ADC、SPI、USB、IIC、UART、CAN等外設；串行單線調試（SWD)和JTAG接口；8個定時器；2個看門狗定時器（獨立的和窗口型）；一個24位自減型系統時間定時器。

（4）樹莓派。樹莓派是一款基於Linux的單片機電腦，由英國的樹莓派基金會所開發。樹莓派面積只有一張信用卡大小，體積大概是一個火柴盒大小，可以運行進行1080p視頻的播放。作業系統採用開源的Linux系統：Debian、ArchLinux，自帶Iceweasel、KOffice等軟體，能夠滿足基本的網絡瀏覽、文字處理以及電腦學習的需要。樹莓派基金會於2016年2月發布的樹莓派3中首次加入了WiFi無線網絡及藍牙功能。

（5）FPGA。現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，縮寫為FPGA），它是在PAL、GAL、CPLD等可編程邏輯器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定製電路而出現的，既解決了全定製電路的不足，又克服了原有可編程邏輯器件門電路數有限的缺點。

電路設計工具

這裡舉例介紹一種。Altium Designer是原Protel軟體開發商Altium公司推出的一體化的電子產品開發系統。這套軟體通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪製編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕鬆進行設計，熟練使用這一軟體必將使電路設計的質量和效率大大提高。

機器人計算軟體平臺

作業系統

（1）FreeRTOS。FreeRTOS是一個迷你的實時作業系統內核。作為一個輕量級的作業系統，功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能、軟體定時器、協程等，可基本滿足較小系統的需要。RTOS需佔用一定的系統資源(尤其是RAM資源)，FreeRTOS是少數能在小RAM上運行的作業系統，相對μC/OS-II、embOS等商業作業系統，FreeRTOS作業系統是完全免費的作業系統，具有源碼公開、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點，可以方便地移植到單片機上運行。

（2）uC/OS-III。uC/OS-III(Micro C OS Three 微型的C 語言編寫的作業系統第3版)是一個可升級的，可固化的，基於優先級的實時內核。它對任務的個數無限制。uC/OS-III 是一個第3 代的系統內核，支持現代的實時內核所期待的大部分功能。例如資源管理、同步、任務間的通信等等。

（3）嵌入式Linux。嵌入式Linux 是將日益流行的Linux作業系統進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統上運行的一種作業系統。嵌入式Linux既繼承了Internet上無限的開放原始碼資源，又具有嵌入式作業系統的特性。典型的嵌入式Linux安裝大概需要2百萬字節（2M Byte）的系統內存。

（4）NuttX。NuttX 是一個實時作業系統（RTOS），強調標準兼容和小型封裝，具有從8位到32位微控制器環境的高度可擴展性。關鍵特徵：標準兼容，核心任務管理，圖形化配置工具，支持優先級繼承，類 POSIX/ANSI 的任務控制，類似VxWorks的任務管理和看門狗定時器，BSD 套接字接口，優先級管理的擴展，可選的具有地址環境的任務（進程），可繼承的「控制終端」和 I/O 重定向，可以構建為開放的、平面的嵌入式 RTOS，或單獨構建為具有系統調用接口的微內核，內建每線程 CPU 負載測量。開源飛控PX4中使用了NuttX實時作業系統。

（5）Windows Embedded Compact。Windows Embedded Compact（曾被稱為Microsoft Windows CE）是微軟研發的嵌入式作業系統，可以應用在各種嵌入式系統，或是硬體規格較低的電腦系統（例如很少的內存、較慢的中央處理器等）。Windows Embedded Compact允許使用組件化的實時作業系統開發佔用空間小的設備。Windows Embedded Compact 中的組件化功能已針對以下設備進行了優化：內存和處理資源有限的小設備、需要電源管理功能的行動裝置、需要豐富的聯網和通信標準的下一代設備或需要對中斷做出確定性響應的實時設備。可攜式導航設備和通信設備都屬於基於 Windows Embedded Compact 的設備。

（6）ROS機器人作業系統。ROS機器人作業系統是一個機器人軟體平臺，它能為異質計算機集群提供類似作業系統的功能。ROS提供一些標準作業系統服務，例如硬體抽象、底層設備控制、常用功能實現、進程間消息以及數據包管理。ROS是基於一種圖狀架構，從而不同節點的進程能接受、發布、聚合各種信息（例如傳感、控制、狀態、規劃等）。目前ROS主要支持Ubuntu作業系統。

ROS可以分成兩層，低層是上面描述的作業系統層，高層則是廣大用戶群貢獻的實現不同功能的各種軟體包，例如定位繪圖、行動規劃、感知、模擬等。

軟體開發工具

（1） Scratch。Scratch是一款由麻省理工學院（MIT） 設計開發的少兒編程工具。其特點是：使用者可以不認識英文單詞，也可以不會使用鍵盤。構成程序的命令和參數通過積木形狀的模塊來實現。用滑鼠拖動模塊到程序編輯欄就可以了。

（2）LabVIEW。LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研製開發，類似於C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是採用基於文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。

（3）米思齊（Mixly）。Mixly是北師大教育學部創客教育實驗室提供的免費工具 ，是一款圖形編程工具，並且可以生成相應的代碼。

（4）Keil。Keil提供了包括C編譯器、宏彙編、連結器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（μVision）將這些部分組合在一起。Keil C51版本可用於開發51系列單片機，Keil ARM版本可用於開發ARM7、ARM9、Cortex-M內核單片機。

（5）IAR。IAR Embedded Workbench是瑞典IAR Systems公司為微處理器開發的一個集成開發環境,支持ARM、AVR、MSP430等晶片內核平臺。

（6）Eclipse。Eclipse是著名的跨平臺的自由集成開發環境（IDE）。最初主要用來Java語言開發，通過安裝不同的插件Eclipse可以支持不同的計算機語言，比如C++和Python等開發工具。著名的PX4飛控和Ardupilot飛控就可以使用Eclipse來開發。

（7）MATLAB。商業數學軟體，用於算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

開發語言

（1）C語言。C語言具有高效、靈活、功能豐富、表達力強和較高的可移植性等特點。通過指針，C語言可以容易地對內存進行低級控制。

（2）C++。C++是一種廣泛使用的電腦程式設計語言。它是一種通用程序設計語言，靜態數據類型檢查，支持多重編程範式，例如過程化程序設計、數據抽象化、面向對象程序設計、泛型程序設計、基於原則設計等。

（3）Arduino語言。Arduino使用C/C++編寫程序。早期的Arduino核心庫使用C語言編寫，後來引進了面向對象的思想，目前最新的Arduino核心庫採用C與C++混合編寫而成。通常所說的Arduino語言，是指Arduino核心庫文件提供的各種應用程式編程接口（Application Programming Interface，簡稱API）的集合。這些API是對更底層的單片機支持庫進行二次封裝所形成的。

（4）Python。Python是一種廣泛使用的高級程式語言。作為一種解釋型語言，Python 的設計哲學強調代碼的可讀性和簡潔的語法（尤其是使用空格縮進劃分代碼塊，而非使用大括號或者關鍵詞）。相比於 C++ 或 Java，Python 讓開發者能夠用更少的代碼表達想法。

（5）MATLAB。MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C++數學庫、圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉換為獨立於MATLAB運行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C++語言程序。

機器人控制決策算法

信息融合算法

一些傳感器的信息需要做些處理，否則噪聲很大甚至不少野值。常用的方法可以加入低通濾波器或者做中值濾波等等。有不少傳感器測量的信息會出現冗餘。比如，超聲波測距模塊和氣壓計都能測量高度，加速度計也能提供高度方向上的加速度信息，這就需要設計的融合濾波。常用的濾波算法包括互補濾波和卡爾曼濾波等。另外，還需要根據備份的冗餘傳感器信息來判斷一些傳感器的健康程度，及時屏蔽壞的傳感器。

控制算法

驅動器連接傳動裝置形成的驅動系統需要完成一定的控制任務，因此離不開控制算法。控制一般分為開環控制和閉環控制。開環控制中開環系統中輸出既不被測量也不被反饋，必須建立準確的數學模型並且仔細校準控制系統才能達到很好的控制效果，在機器人身上極少被採用。在閉環系統中，輸出不斷地檢測，並且反饋回來。根據誤差，被操縱變量不斷地被調整，以達到期望目標。閉環系統的主要思想是基於反饋的控制。大多數閉環控制器都是基於誤差的，使用最廣泛的閉環控制器是PID控制器。這個控制器包含了比例、積分和微分控制器。使用數學表達式表達施加到對象控制器上的輸出為：

其中e(t)表示期望值與輸出值之間的誤差，Kp是比例增益，Ki是積分係數，Kd是微分係數。調整這三個參數之後，PID控制器的輸出c(t)就能被輸入到對象。

（1）比例控制反映「現在」的反饋作用。比例係數如果太小，同樣的誤差會讓整個系統感覺調節的力度不夠，使系統輸出量變化緩慢，調節所需的總時間過長。比例係數如果過大，調節力度太強，將造成調節過頭，超調量增大，振蕩次數增加，調節時間加長，動態性能變壞，比例係數太大甚至會使閉環系統不穩定。

（2）積分控制反映「過去」的反饋作用。它不允許穩態誤差，否則穩態誤差會一直積累，因此最終穩態誤差為零時，積分控制才罷休。積分係數如果太小，積累誤差消除緩慢。積分係數如果過大，將造成對過去的積分影響過於依賴，整個系統顯得遲緩。比如，即使現在誤差已經消除，但積分誤差不為零，系統仍然會震蕩。

（3）微分控制反映「將來」的反饋作用。這是因為通過微分，可以預測「將來」的變化。因此，通過微分控制可以改善輸出響應。然而，微分值基本包含著較大的噪聲。微分係數過大也會放大這些噪聲。

網上流傳一個PID調參口訣「參數整定找最佳，從小到大順序查，先是比例後積分，最後再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復慢，積分時間往下降，曲線波動周期長，積分時間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動差大來波動慢，微分時間應加長，理想曲線兩個波，前高后低4比1」。

決策算法

決策算法跟比賽任務息息相關。通常需要一些數據結構的知識和優化的知識。比如走迷宮問題，通常需要用「堆棧」的數據結構進行處理，優化方面可以參考一些搜索算法，比如深度優先或者圖論中的最短路徑算法等等。這裡就不一一贅述。更高級的形式是人工智慧算法方面，一般更偏實用的場景。

比賽、等級考試解讀

比賽和等級考試是機器教育成果的表現形式，它們有著共通的機器人基礎知識。

比賽解讀

以2017 第七屆中國教育機器人大賽暨首屆國際教育機器人邀請賽中搬運碼垛項目為例，我們來看該比賽包括哪些以上介紹的機器人基礎知識。

  （1）比賽規則簡介。在指定地圖中三個固定點放置三個碼垛，碼垛是從五種不同顏色物料中隨機選取的三種顏色不同的物料，並且每種顏色的物料個數都是3個。比賽要求機器人以最短的時間將三種顏色的物料放到地圖中相應的顏色區域中，放置的位置越精確得分越高。

  （2）機器人知識。1）機械結構及驅動器：比賽使用的雙輪差分驅動的機器人，每個輪子都帶有獨立的伺服電機，另外還有一個可旋轉從動輪，用於保持機器人的穩定。機器人配有機器手，機器手有四個自由度，由五個伺服電機控制。機器人整體結構比較簡單，動力傳輸基本由齒輪傳動完成。2）傳感器：①QTI（Quick Track  Infrared）傳感器是一種紅外傳感器，它利用光電接收管探測其所面對的表面反射光強度。比賽中使用QTI傳感器巡線，當傳感器探測到黑色物體時輸出高電平（+5V ），探測到白色物體時輸出低電平（0V）。②顏色傳感器：通過檢測某個顏色中三原色的比例來識別該顏色，用來識別物料的顏色，輔助決策。③超聲波傳感器：測量機器人與物料的距離，輔助機器人準確抓取物料。3）計算硬體平臺和開發工具：硬體平臺為Arduino和STM32。其中Arduino硬體平臺官方推薦的開發平臺是Eclipse，STM32可以使用Keil集成開發環境。4）決策：比賽中物料放置點可能會被堆放的物料擋住，所以需要設計合理的算法決定抓取物料的順序，物料是否可以直接放到放置點，以及合理選擇放置點的位置。

等級考試解讀

等級考試需要一級一級考取，符合知識循環漸進的過程。等級考試中涉及的知識面非常廣，同時注重理論和實踐。以全國青少年機器人技術等級考試為例，其涉及機器人基本結構、驅動器、電子電路基礎、傳感器使用、有線和無線通信、作業系統、程式語言（著重C++）、計算單元等知識。

當今，教育行業內每年都會舉辦眾多的機器人比賽，同時也出現了各種組織機構舉辦的機器人等級考試。對此，我們提出一些建議，希望中國的比賽和等級考試越辦越好。

檢驗機器人教育成功的標準應該在於：通過給定時間學習或比賽，學生們是否真正掌握機器人系統性知識，從而能夠解決實際生活中的問題。這個是學生、家長、授課老師和整個社會最為關心的問題。另外，大家還關心考試和比賽的含金量、通用性等問題。 

機器人教育的完整化和階段化

機器人教育的知識跨度很大，需要設計針對不同年齡段的教育目標。因此，建議單一年齡段的教育目標應該能夠包括完整的機器人系統，設計的機器人能夠完成特定的任務；多階段的教育目標應該先松後緊、相互遞進。

建議的第一部分目的是讓受教育者有個感性的認識，從而能夠對機器人產生興趣；第二部分建議的目的是初期吸引為主，後期打造含金量，打造可持續發展的教育體系。

等級考試和比賽混合制考核

從機器人目前考試和比賽情況來看，大部分考綱或者賽綱已經納入到機器人基礎知識中。因此，它們有很多相通和相互借鑑之處。但兩者是有區別的，同時也是相輔相成的。比賽時間集中，比如放在寒暑假進行。普及程度相對等級考試要低，但是含金量和展示度比較高。等級考試時間比較寬鬆，可以放在平時周末進行。由於分級比較細，普及程度會比較高，但把控不嚴會讓考試的含金量變低。因此，建議實行等級考試和比賽混合制考核，專業化不斷深化。比如，級分幾個階段，如基礎段、高級段和專業段，每個階段包含幾個等級，需要跨階段考試必須經過一次比賽，拿到相應名次。

如何更好設計等級考試和比賽，使等級考試和比賽無縫連接起來是需要考慮的細節問題。另外，每種機器人的特點和側重都不相同，在專業段時，建議落實在具體類型的機器人上。如前面提到的空中機器人，攀爬機器人，地面機器人、地下（管道）機器人、水面機器人以及水下機器人。

考試和比賽實行互認機制

我們目前有不少辦得很好的比賽和考試，如何將它們接口進行標準化，從而納入到整個機器人教育是更有挑戰的問題。因此，建議現有的或未來出現的考試和比賽實行互認機制，比如，某個比賽的幾等獎，對應用某個考試等級；某個考試等級往上進行，需要參加某個比賽，並拿到幾等獎。

標準化機器人教育組成元素

要到達互認機制，需要進一步規範好機器人教育組成元素：考綱（賽綱）、教材（指導書）、教具、培訓流程、教師、等級考試（比賽流程）等六個部分。但據我們所知，沒有規範化的指導標準。因此，我們建議標準化機器人教育組成元素：考綱（賽綱）、教材（指導書）、教具、培訓流程、教師、等級考試（比賽流程）。

這一點對整個教育產業非常重要。在考綱（賽綱）標準化框架下，比賽和等級考試互認機制才能成型；在教材（指導書）標準化框架下，才有可能組織更有力的科學規劃組織編寫，受教育者才能更加受益；在教具標準化的框架下，可以讓更專業的人做更專業的事情, 提高教具質量；在培訓流程標準化的框架下，可以使培訓更加透明有序；對於教師可流動性更強，激發他們的內在潛力。在標準化下，整個機器人教育產業的生態才能更好地建立起來，最終使整個國家受益。

致謝：感謝上海歌爾泰克機器人有限公司團隊，及北京圓夢天使通航科技有限公司胡強總經理及其團隊給予的建議。

原文來源：《機器人產業》2018年第3期，智能論壇，P52——P81