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    電科專業(yè)在前沿科普項目開發(fā)中的探索與實踐

    2017-10-31 11:05:29尹亮邵曉紅郎海濤祁欣侯志靈
    教育教學(xué)論壇 2017年42期
    關(guān)鍵詞:學(xué)科交叉無人機(jī)機(jī)器人

    尹亮+邵曉紅+郎海濤+祁欣+侯志靈

    摘要:基于北京化工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理科普基地“傳遞科學(xué)知識,弘揚科學(xué)精神,培育科學(xué)文化”的指導(dǎo)思想,開展針對公眾和學(xué)生的機(jī)器人、無人機(jī)科普裝置開發(fā):?;繁ìF(xiàn)場泄漏物成分協(xié)同檢測系統(tǒng),新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng),智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng)。該項目的實施將復(fù)雜的科學(xué)知識轉(zhuǎn)化為可見、可聞、通俗易懂的科普裝置,促進(jìn)科普文化氛圍營造,奉獻(xiàn)社會、服務(wù)社會。

    關(guān)鍵詞:科普裝置;學(xué)科交叉;無人機(jī);機(jī)器人

    中圖分類號:G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)42-0132-02

    一、引言

    習(xí)近平總書記在2016年全國科技創(chuàng)新大會上指出“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼,要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置”??蒲信c科普的關(guān)系是鳥之兩翼,車之兩輪,而二者的最佳狀態(tài)是兩翼齊飛,兩輪齊動。將前沿的科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為公眾易于學(xué)習(xí)了解的科普產(chǎn)品,是將科學(xué)研究的成果惠及社會與公眾的最直接方法。北京化工大學(xué)物理科普基地在科普工作中致力于為學(xué)生和公眾提供前沿、開放、研究型的科普平臺,充分發(fā)揮科普基地在科研、人才和資源方面的優(yōu)勢,開展前沿科普項目研究。本文介紹物理科普基地關(guān)于無人機(jī)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車等幾項前沿科技科普裝置的研究。

    1.?;繁ìF(xiàn)場泄漏物成分的無人機(jī)、機(jī)器人協(xié)同檢測裝置。利用無人機(jī)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等相關(guān)技術(shù),在火災(zāi)發(fā)生后快速確定現(xiàn)場內(nèi)部爆炸物成分,并將現(xiàn)場內(nèi)部信息及時傳輸?shù)酵饨缦乐笓]處,快速制定出救援滅火方案,防止進(jìn)一步的人員傷亡和財產(chǎn)損失?;诒倍沸l(wèi)星定位、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),面向?;繁ㄊ鹿尸F(xiàn)場的無人機(jī)、機(jī)器人協(xié)同監(jiān)測處理系統(tǒng),利用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù),將無人機(jī)與機(jī)器人關(guān)聯(lián),多方位對爆炸事故場地進(jìn)行有效快速監(jiān)測。該項目可以促進(jìn)學(xué)生和公眾學(xué)習(xí)和了解無人機(jī)、機(jī)器人火災(zāi)探測、救援方面的科學(xué)知識。

    2.基于電磁感應(yīng)的新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng)。針對新能源汽車?yán)m(xù)航里程短、充電時間長、充電不方便等問題,利用磁共振和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),研究新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng),包括電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)、無線充電系統(tǒng)與汽車信息交互、太陽能自動追光供電系統(tǒng)。利用磁共振技術(shù)對新能源汽車進(jìn)行充電;利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將多個汽車以及路燈、信號燈等公共設(shè)施自組網(wǎng)形成工作組,在新能源汽車與充電設(shè)備之間距離近時開啟無線充電,減少磁共振對周圍環(huán)境的影響,減少能源浪費;根據(jù)太陽能清潔無污染的特點,利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù),設(shè)計太陽能自動追光系統(tǒng),使太陽能利用率達(dá)到最大,以盡可能滿足日漸增長的汽車對能源的需求。該項目可以促進(jìn)學(xué)生和公眾學(xué)習(xí)和了解新能源汽車、無線充電方面的科學(xué)知識。

    3.基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng)。智能家居是以住宅為平臺,家居電器及家電設(shè)備為主要控制對象,利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行高效集成,構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的控制管理系統(tǒng),提升家居智能、安全、便利、舒適,并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的綜合智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺。智能家居控制系統(tǒng)是智能家居核心,是智能家居控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。結(jié)合智能家居的理念,研發(fā)基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng),搭建一個智能家居實驗平臺幫助學(xué)生和公眾對物聯(lián)網(wǎng)、智能家居技術(shù)的了解和學(xué)習(xí)。

    二、研究內(nèi)容

    本文針對無人機(jī)、機(jī)器人、新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)前沿科學(xué)技術(shù)的科學(xué)普及,開展相關(guān)科普產(chǎn)品的研制。

    1.?;繁ìF(xiàn)場泄漏物成分的無人機(jī)、機(jī)器人協(xié)同檢測系統(tǒng)。(1)GUI界面設(shè)計及人機(jī)交互軟件開發(fā):利用Python快速生成簡單的操控界面,首先調(diào)用串口,然后將串口數(shù)據(jù)分類、識別,把各個傳感器的數(shù)據(jù)、坐標(biāo)信息提取出來分別顯示到相應(yīng)的位置上,最后再將視頻信息通過USB或者WiFi采集到電腦上進(jìn)行實時顯示。(2)濾波器設(shè)計:在MATLAB上進(jìn)行濾波器設(shè)計,然后將設(shè)計好的濾波器轉(zhuǎn)換移植到控制器上。下一步改進(jìn)濾波器的種類,反復(fù)試驗,直到得到滿意的濾波效果。(3)在MATLAB上進(jìn)行圖像識別處理算法,利用邊緣檢測、分水嶺變換等手段讀取圖像數(shù)字信息的具體意義,輸出執(zhí)行相應(yīng)指令。地圖包API調(diào)用,使用百度地圖API接口使用,并同步設(shè)置上位機(jī)接口調(diào)用參數(shù)。高性能DSP的使用以及MATLAB圖像識別與處理算法向DSP系統(tǒng)的移植。

    2.基于電磁感應(yīng)的新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng)。

    (1)無線充電技術(shù)以磁共振為基礎(chǔ),設(shè)計發(fā)射板與接收板,發(fā)射板采用XKT801芯片作為供電模塊,XKT801芯片具有電路簡單、穩(wěn)定性高等特點。(2)通過高磁導(dǎo)率磁芯和高導(dǎo)電金屬材料對輻射磁場進(jìn)行屏蔽,避免在傳輸能量過程中對周邊環(huán)境及新能源汽車的控制系統(tǒng)可能產(chǎn)生影響。(3)基于ZigBee技術(shù)的信息傳輸系統(tǒng),小車以STC89C52RC單片機(jī)為主控制器,L298N模塊進(jìn)行驅(qū)動,小車與環(huán)境之間通過ZigBee模塊進(jìn)行信息交流,將產(chǎn)生的信息傳送給單片機(jī),單片機(jī)進(jìn)行快速的反應(yīng),控制無線充電的開關(guān),在一定距離內(nèi)發(fā)送信號,供電系統(tǒng)進(jìn)行供電。

    3.基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng)。

    (1)上位機(jī)主要由控制、顯示、監(jiān)控、實驗平臺設(shè)置、串口設(shè)置組成,主要對下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并顯示;通過采集回來的數(shù)據(jù),進(jìn)行分析處理后又可以控制下位機(jī)中的設(shè)備。(2)下位機(jī)主要由:輸入、發(fā)送、回路、設(shè)置等部分組成,輸入采集數(shù)字量、模擬量等,并將采集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上;發(fā)送將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī);回路相當(dāng)于輸出,通過將回路打開與關(guān)閉,可以控制對應(yīng)回路上的執(zhí)行器;設(shè)置可修改系統(tǒng)時間和ID號,主要用于修改ID號,使上位機(jī)和下位機(jī)能互相識別。(3)控制系統(tǒng)初始化:初始化GPIO時,需要配置RCC和GPIO。芯片的運行從GPIO體現(xiàn),時鐘RCC相當(dāng)于“能源”,例如要使用STM32的SPI,IIC,F(xiàn)SMC等,需要配置相應(yīng)的GPIO,RCC,以及SPI,IIC,F(xiàn)SMC等。endprint

    三、本文的特色與創(chuàng)新之處

    1.將復(fù)雜、深奧的前沿科技知識直觀、便捷地普及給公眾。本文研發(fā)的相關(guān)科普裝置,學(xué)生和公眾可以直接接觸,親身動手操作,使公眾能夠直觀、深入、便捷地了解前沿科技的原理、技術(shù)以及實際應(yīng)用。

    2.項目基于物理原理與學(xué)科交叉。學(xué)科交叉往往是科學(xué)問題新的生長點,且最有可能產(chǎn)生重大的科學(xué)突破。本文設(shè)置了與化學(xué)工程、化學(xué)和生物工程等應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的實踐類訓(xùn)練項目,可以提高學(xué)生和公眾對科學(xué)技術(shù)系統(tǒng)性、綜合性的認(rèn)識,促進(jìn)對學(xué)生和公眾交叉類前沿科學(xué)技術(shù)的普及。

    四、研發(fā)科普裝置的應(yīng)用

    1.開展中學(xué)科普授課活動。2014年以來物理科普基地基于研發(fā)的科普作品,編寫研究項目方案,在昌平二中、化大附中開展近百次豐富多彩的科技授課活動。

    2.研發(fā)科普裝置,參加相關(guān)競賽。(1)尹亮等,“地磁場環(huán)境中霍爾效應(yīng)電子遷移演示系統(tǒng)”,全國高校第十二屆物理演示實驗教學(xué)展示二等獎,2015年10月。(2)尹亮等,“聲音時域-頻域轉(zhuǎn)換將聲音頻譜可視化”,全國高校第十二屆物理演示實驗教學(xué)展示三等獎,教育部高等學(xué)校物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會,2015年10月。

    3.培養(yǎng)本科學(xué)生科普項目研發(fā)創(chuàng)新隊伍。物理科普基地培養(yǎng)本科學(xué)生開展物理類、電子類、機(jī)器人類科普項目學(xué)習(xí)研究,參加相關(guān)科技競賽活動。(1)“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控機(jī)器人組”獲得“2016年度全國大學(xué)生智能互聯(lián)創(chuàng)新大賽”華北賽區(qū)決賽一等獎,全國總決賽的三等獎(2016)。(2)“激光投影顯示屏”獲得“BOE未來顯示產(chǎn)品設(shè)計大賽”全國總決賽優(yōu)秀獎(2015)。

    參考文獻(xiàn):

    [1]Jun-Beom Song. Experimental study on cascaded attitude angle control of a multi-rotor unmanned aerial vehicle with the simple internal model control method [J].Journal of Mechanical Science and Technology. 2016(30):5167-5182.

    [2]孔慶艷,袁杰,郭俊輝.自主式追蹤機(jī)器人終端行為的Petri網(wǎng)建模[J].計算機(jī)應(yīng)用研究,2016,(11):37-38.

    [3]李志宏.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015,(5):24-27.endprint

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