第十六届山东大学生软件设计大赛命题

第十六届山东省大学生软件设计大赛命题

智能硬件与机械人

命题单位：青岛科技大学 青岛里奥机械人 欢迎加入该命题的QQ群：青科大智能硬件 5

联系方式：马兴录， 江守寰，

1命题背景

你可能听说过或见过机械人、智能车、无人机、智能手环等产品，这确实是当下流行的典型的智能硬件产品。

智能硬件是继智能电话以后的一个科技概念，通过软硬件结合的方式，对传统设备进行改造，进而让其拥有智能化的功能。智能化以后，硬件具有连接的能力，实现互联网效劳的加载，形成“云+端”的典型架构，具有了大数据等附加价值。

智能硬件是以嵌入式技术为基础，以物联网、云计算为扩展平台而形成的一类智能化软硬件结合的产品。智能硬件的底层技术确实是嵌入式系统。当前或以后的一些热点概念无不与嵌入式系统有关，像目前常见的电话、PDA、机顶盒、(HDTV)、路由器、、智能家电、医疗仪器、航天航空设备等等都是典型的嵌入式系统。以后将大力进展的如智能硬件、机械人、物联网、无人驾驶、增强虚拟现实AR等也都需要嵌入式技术的支持。

智能硬件的核心实际上是软件，正是软件给予了它“智能”。在当前“后PC”时期，运算机早已不是单一的个人电脑的形式了。电话、平板电脑、家电等内部都有运算机的存在。采纳单片机、ARM等嵌入式运算机的系统已经超级普遍了。有了嵌入式运算机的硬件以后，各类功能，专门是人工智能的实现都需要通过软件来完成。因此，智能硬件的设计核心仍是在软件的开发上。

随着5G通信技术的到来，物联网将取得迅猛进展，各类智能硬件将层出不穷。同时基于云计算的各类云效劳大大丰硕了互联网应用，也大大增强了各类智能硬件的计算能力。复杂的计算能够放在云效劳器上完成，而智能硬件本身能够只负责本地功能的实现。目前各知名网站都向外提供云效劳，如Google的各类云效劳、百度的云效劳、阿里云效劳等。利用这些云效劳，能够专门好地构建智能硬件上的复杂应用。

智能硬件中的机械人产业正处于迅猛进展的时期，对机械人相关技术人材的需求也在不断增加。由于机械人是多学科知识交叉融合的产物，对人材的需求也是多方面的。其中，软件作为机械人智能的表现，在机械人技术中占有超级重要的地位，因此，机械人产业对软件开发人材的需求量超级大。

日，工业和信息化部及国家发改委一起发布了《智能硬件产业创新进展专项行动（2016-2018）》，制定了我国近期智能硬件的进展方向。具体内容请参加附录。

2 智能硬件开源平台

犹如开源软件平台推动了软件的进展一样，智能硬件开源平台正在兴起进展中，正在推动着智能硬件的进展。开源硬件平台开放了硬件设计及相应的软件设计，关于迅速构建创意十足的智能硬件提供了便利的途径，也为初学者提供了快速入门的方式。若是你是智能硬件的初学者或全然不了解它，没关系，只要你会C语言程序设计，你就能够够着手进行智能硬件的学习了。

当前比较流行的开源智能硬件平台有Arduino、树莓派(Raspberry Pi)等。 Arduino 是一款便利灵活、方便上手的开源电子原型平台，包括硬件（各类型号的arduino板）和软件（arduino ).她适用于艺术家、设计师、爱好者和关于“互动”有爱好的朋友们。Arduino能通过各类各样的传感器来感知环境，通过操纵灯光、马达和其他的装置来反馈、阻碍环境。板子上的微操纵器能够通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微操纵器 对Arduino的编程是利用 Arduino编程语言 (基于 Wiring)和Arduino开发环境(based on Processing)来实现的。基于Arduino的项目，能够只包括Arduino，也能够包括Arduino和其他一些在上运行的软件，他们之间进行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)来实现。你能够自己自己动手制作，也能够购买成品套装;Arduino所利用到的软件都能够免费下载. 硬件参考设计 ( 文件)也是遵循availableopen-source协议, 你能够超级自由地依照你自己的要求去修改它们。

树莓派为学生运算机编程教育设计的一种卡片式电脑，基于ARM的微型电脑主板，以SD卡为内存硬盘，卡片主板周围有两个USB接口和一个网口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全数整合在一张仅比信誉卡稍大的主板上，具有所有PC的大体功能只需接通电视机和键盘，就能够执行如电子表格、文字处置、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。

相较之下，Arduino属于低端的操纵器，上手加倍容易；而树莓派那么是一台完整的电脑，有操作系统，是性能加倍壮大的计算平台。

3 智能机械人软件开发

智能机械人的软件种类很多，既包括底层操纵类的设备驱动程序，又包括机械人操作系统（Robot Operating System），还有各类基于ROS的支持包即开发工具，更包括应用层的各类应用程序。因此，智能机械人的软件开发范围普遍。其中应用层软件的开发大多数采纳专用的开发环境（如图形化编程工具），使得机械人编程变得比较简单。当软件功能超级复杂时，需要采纳通用编程语言（如C/C++，Java，Python等）去实现。

因此，机械人软件开发既能够从简单的图形化编程入手，也能够从基础的编程语言入手。既能够利用真实的机械人为平台，也能够利用虚拟化的机械人为运行平台。本命题的机械人方向综合考虑各类开发方式，制定了合理快捷的开发途径，可有效提高参赛者机械人软件开发的水平。

4 命题方向及设计要求

以下三个方向可任选其一： （1）智能硬件设计

参考《智能硬件产业创新进展专项行动（2016-2018）》（见附件），依照国家智能硬件产业进展方向，自行确信智能硬件的设计要求。

一个完整的产品，可能包括机械设计、外观设计、嵌入式硬件设计、软件设计等。关于智能硬件来讲，嵌入式系统的软硬件设计是其核心。只要你的设计实现了原型机的运行，就能够够拿来参加竞赛。本命题重点考察系统硬件的合理性及软件的各项功能。

建议利用Arduino或树莓派等开源硬件平台实现你的智能硬件设计，固然也许诺利用其他的嵌入式开发板，如单片机开发板或ARM开发板等实现你的设计。

（2）智能车竞赛

智能小车属于机械人的一种，基于青岛科技大学与美国亚利桑那州立大学合作研发的青科智能小车，开展小车编程方面的竞赛。青科智能小车的详细资料请参见附件《青科智能小车快速入门手册》，更多资料可访问网盘（青科机械人网盘资料链接： 密码：3gnn ），最新动态请关注微信公众号“青科大机械人教学研究平台”。

规定项目（50分）：走迷宫。迷宫形状在竞赛时由评委临时设定。依照走迷宫所历时刻来决定得分成绩；

选做项目（50分）：基于智能小车，开发各类创意性应用。能够增加机械视觉、语音识别等功能，结合人工智能、互联网等实现创意应用。

（3）人形机械人竞赛

基于人形机械人平台，完成机械人越障挑战赛（必做，50分）和互联网+机械人创意应用开发（选做，50分）。