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[讨论] 智能车如何在创客教育中占有一席之地

智能车如何在创客教育中占有一席之地

## 第一章创客教育与智能车

本人接触过的智能小车并不算太多，个人做过一些以及一些成品小车都有过接触，大概是有这样一些玩家分类。图中只是大致列举，相关比赛以及含金量类比对号入座就好。

大学时有接触一些与智能车有关的比赛，例如飞思卡尔智能车比赛，分为几个大类别，例如通过光电、电磁、摄像头等多种技术基础来不断突破小车在规定地图上行进的速度，其中技术只是基础，而其中的关键在于如何利用更优秀的算法，来一次次的刷新记录，实现速度的最优化。全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高为获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。

不仅仅这种专业的智能车竞赛，就在去年全国的大学生电子设计竞赛中，也有一个令我印象深刻的小车，比赛要求小车不能有电池，但可以通过电子元件中的电容（一种储电元件）来临时储存电能，小车需要沿着一圈前进，其中有四个无线发射线圈，最终比拼的是看小车的前进距离决定成绩。较为考验电路设计以及方案设计。（2019电赛A题）

除了一些非常专业的智能车比赛，那么有没有业余爱好者呢？答案是肯定的，在我大一时接触过一段时间航模，其中就有一部分同学就是车模的爱好者，通过航模遥控器来遥控大马力的车模，可以完成漂移之类的动作。除了简单的驾驶，还可以通过搭载图传摄像头，通过第一人称的视角（FPV）来驾驶自己的车模，除了自己的热爱，也需要一定的技术与耐心。

可以这样讲，一个智能车就可以理解为一个简单的机器人系统，它有一个核心处理器（CPU）、传感器输入设备（传感器、遥控器）、执行机构（转向舵机、动力马达、灯光）。一台小车，可以作为一个学习硬件编程、电子技术道路中制作的属于自己的第一个小作品。搭配不同的传感器，以及不同的控制策略（程序），我们即可得到完全不一样的智能车。

总的来说，传感器只决定了小车与外界交互的方式，执行器决定了动作功能，程序的控制策略才决定了小车的智能程度，以及能否完美的完成我们想要的任务。

例如让一个小车在一段迷宫中前进，找到出口并记录下每次转弯的位置，当第二次从起点放下小车时，小车则会找到最优解，离开迷宫，其中就包括了记录赛道的程序。

比如我们想实现一个双轮自动平衡的小车，那么就需要加速度倾角传感器实时检测，并且通过PID算法不停的调整姿态，实现自平衡。

随着近几年的发展，技术已经不再是很大的壁垒，至少说门槛已经不再是大学里电子控制类专业的学生才可以接触学习，创客教育由国外STEAM教育引进至国内，我们可以将我们的程序模块化，电子电路模块化。只需要简单的拼接以及编程，就可以实现一些基础的功能，配合一些简单而具有个性化的外观，就可以完成一件属于自己的作品。这样易于实现功能、可以快速造物的场景下，产生了创客教育。

## 第二章 Scratch与micro:bit

目前创客教育国内使用的软件工具有很多，追根溯源大致可以从Scratch和micro:bit两条脉络出发，Scratch是目前国内用的较为多的图形化编程工具，主要并不在于编程多么复杂，而是一个想法的实现，例如让角色在舞台中按照程序的顺序移动。至于硬件为什么没有Arduino、掌控板、虚谷号之类，一是我认为硬件也是创作的工具，应是一同百通，目前来讲micro:bit更适合低年龄段。二是后面这几种更适合有过一定基础，用以技术提高阶段的学生使用，比如实现高阶物联网、人工智能等功能。对于2~3年级或者刚刚接触硬件图形化编程的学生来说，micro:bit目前来讲可以说是一个不错的选择。

Scratch目前根据孩子玩这个软件的情况来看，孩子自己学会使用这个软件是有困难的，需要身边老师和家长的指导。在有人指导的情况下，6岁的孩子基本上就可以照着例子完整的“拼”出一个能运行的程序。这个过程并不需要孩子认识英文或汉字。建立程序的过程，用到涂鸦，录音，找图片这些有趣的过程。孩子的成品可以通过软件直接发布到官方网站上。官方网站给每个注册用户开通了一个个人空间，放置发布的程序。

学生做好自己的作品可以在官网进行发布，发布的程序在官网可以找到。制作中的程序只能在软件环境下运行，发布后的程序则是在网页内运行的。就是说，孩子们的作品可以通过网络被无数人看到。官方网站具有交友和评论的功能。国内亦有类似官网发布程序后在网页内运行的网站，方便国内爱好者和孩子们对作品进行交流。

micro:bit是英国BBC出品的针对于低年龄孩子接触入门而产生的一块集成板卡，采用金手指的设计，用来插接在各种外接拓展板上，上面集成了很多的功能以及一些传感器，并带有一个5x5的点阵屏，用来显示一些简单的表情或者一串数字或者英文。并且自带了一个无线通讯，可以很快速的实现两块micro:bit之间的无线通讯。并且集成了一个模拟U盘的功能，不需要安装任何驱动，直接将编译好的程序文件直接拖拽到名为micro:bit的U盘就可以下载好程序了。

用于给micro:bit编程的软件有这么几个，第一个是微软的MakeCode，有离线版和安装版两个不同的版本。

除了给micro:bit编程，MakeCode也集成了一些其他平台的编程工具，比如乐高出品EV3机器人。甚至可以在Minecraft中为3D的场景进行编程。

国内比较常用的目前是Mind+，基于Scratch开发，融合了多种硬件开发板的选项，包括micro:bit、arduino、掌控板等等。并且集成了Scratch模式下的实时在线模式，通过串口与核心板进行通讯，可以做很多非常有意思的创意作品。例如点击屏幕上的台灯开关，连接在电脑上的小灯就或亮起来。左右倾斜主控板，可以控制电脑屏幕中的一辆小车左右转弯。

Scratch与micro:bit为青少年量身打造，降低难度而又锻炼逻辑，配合硬件电路以及一部分外观，即可发挥自己创意，制作一个属于自己的创客作品。

## 第三章柴火创客教育小车初试

这次参与了一次智能小车的测试活动，来自创客教育能量站柴火能量站，所出现的是两块micro:bit无线通讯实现的智能小车，除了图中的小车，还有一个很迷你的遥控器。

首先是开箱，分别为小车Bitcar和遥控器Bitplayer，还有所需要的两块主控板micro:bit，与此同时，也附送了一个装着小车资料的U盘，可以说是很贴心了。

首先将所有的零件进行清点，小车大部分都已经焊接完成，电机也已经安装好，只需要简单的拼装即可下载程序进行试玩了。

首先安装的是小车的外壳部分，采用的是磨砂面的亚克力材料，激光切割完成，是非常常见的外壳方案。这里有一个很长的铜柱贯穿两边，固定住两个侧面板，通过这个来卡住小车底盘以及前后各一小块的结构件。

小车动力部分由两个N20减速电机组成，轮子带有橡胶圈进行防滑。除了在小车的前方有一个万向轮以外，在其后面也有一个加长的万向轮。按照官方的设计，此处用来当小车直立行驶时，用来进行支撑的作用。具体操作方法是需要满速前进，靠着惯性将车头抬起。

安装好后面的万向轮以后，就可以安装电池盒了，供电使用的是3节7号电池，也可以使用3.7v的锂电池，就是没有集成充电模块，充电有一些麻烦。安装方式采用的是两个M3双面胶贴纸，将电池盒固定在两个电机座上面。

小车安装好以后，在插上micro:bit和前方的超声波模块，小车就差不多已经安装好了，大约20分钟左右就可以安装完成。

小车上的主控板插槽部分设计属于一点小改变，采用的是PCB挖空，让插座有一定的角度。这样主控板上屏幕的角度会让人看起来更舒服一些。小车主板部分集成了电机驱动、蜂鸣器、红外接收器，如果不使用micro:bit也可以使用红外遥控的方式控制小车。前方安装的超声波模块部分插头并不能兼容市面上的HC-05超声波模块，应该是已经定制好的，输出是一个模拟信号管脚。而且超声波模块的管脚有点短，插不牢固，注意改进。

小车的背面有两路巡线传感器和四颗ws2812RGB灯珠，小车前进时，可以有不同的颜色指示，也叫做氛围灯。值得一提的是，在我们经常使用小车时，我们不可能每次打开编程软件，还要再同时打开一个产品介绍资料，在小车和遥控器上的白色加重标识丝印，清晰的标出了每个地方所对应的的管脚号，这样不管是什么情况下，对于调试程序都有着极大的帮助。另外还拓展了两路接口，一路是4pin的传感器信号口，一边是I2C信号口，兼容的是柴火自家的Grove传感器系列。可以适当进行一些功能拓展，例如附带一个颜色传感器，让RGB灯实时显示检测到的颜色值，制作一个‘吃颜色’的小车。

遥控器部分带有一个两方向的摇杆，以及四颗独立的按键和前方两个LR按键。并自带蜂鸣器和振动马达，可以制作多车对战等游戏，当遇到危险时可以震动提醒。

遥控器拓展板除了进行无线通讯控制小车以外，单一个遥控器也是可以完成很多任务的，例如我们想在点阵屏上控制一个点的上下左右移动，如果用板载的按键，除了AB键就算是把A+B一起按也算上也仅仅三个按键，拓展出来的遥控器模块刚刚好满足了这部分的需求。

如果开展学校的社团课程来学习micro:bit遥控小车的话，柴火教育的这套遥控小车应该足够学习整个学期了，就是全部都是7号电池供电，如果单一更换会比较的浪费，建议采取可充电的方案，这样也许会更节约能源。

在柴火教育的官网，可以找到整个小车及课程设计以及全套的资料，提供了教师与学生用书，老师上课的PPT以及所需要的程序。

官网列举了一套自己研发的课程体系，适合开展创客社团课的老师们学习，快速掌握遥控小车的编程方法。适合在学校内的场景下大班授课的普及科技社团课程。

谈起智能车，就算是行业外的家长或老师一听，其实也见怪不怪了。第一印象会觉得其实没什么难度，就好比一个玩具一样可以很轻松的解决，但其实并非如此，智能车是一个完整的、具有代表性的项目，除了简单的拼搭编程，更是可以拓展很多的传感器与执行器进行完成各种多功能的任务。

例如利用两个巡线传感器进行巡线，利用超声波传感器进行避障，甚至是利用精妙的算法来实现非常复杂的功能，比如自动走迷宫的机器人，自动搬运任务等等，智能小车的定位我认为大概在初步接触智能硬件编程后，初步制作自己的第一个项目时，是非常合适的一个项目，系统学习过智能硬件与传感器的编程，又对于一个项目有了一个初步的认知以后，就可以熟悉多种传感器，通过观察生活，发现生活中的问题，提出自己解决问题的独到方法，做属于自己的创客作品。

## 第四章写在最后

创客教育目前在国内已经发展了近十年，得益于硬件技术的发展以及门槛的降低，在这十年里，各式硬件也出现在了大众眼前，有各式各样的传感器与执行器可以通过图形化编程的方式简单的使用，大多数时间只需要考虑具体的功能，而不需要深究内部的电路原理以及代码库，可以让孩子们自由发挥自己的想象力，动手制作自己的创客作品。这其实和很多人的一起努力是离不开的，国内有着一群优秀的老师和企业共同努力着，我们需要更多的老师愿意投身到创客教育中去。令我的一些大学同学不敢相信的是，现在的小学生居然都会编程、物联网了？真是一件很神奇的事情。

创客教育不仅仅是编程，还包括更多的技术需要探索，是一个相对综合的学科。例如基础的编程，用来告诉机器实现什么功能；3D建模技术，用来制作零件模型来3D打印；电子电路，用来自己制作一些简单的电路；平面制图，用来绘制草图或使用激光切割快速制作外壳；机械结构，用来为自己的作品设计一些预设的行程；五金工具，用来加工外形，固定结构等等。但这仅仅是技术，技术是创新的基础，还需要对生活有着一定的想法，才能有改变世界的冲动。

创客教育不仅仅是一门科学课、一门手工课，更是一门更综合的课程，他更贴近实际，更追求技术，更要求有足够的创意和耐心。在过程中，我们培养孩子对生活的感知力，对事物的求知心，对生活的饱满热情，对问题的发现与解决能力。创客教育更偏向于未来教育，是一种以人为本的探索式教育，培养真正能够独挡一面的创新型人才。