基于FPGA的教學(xué)機(jī)器人的平臺的設(shè)計(jì)

賽靈思 Spartan FPGA 為強(qiáng)大的教學(xué)工具奠定基礎(chǔ)。這種教學(xué)工具能夠根據(jù)學(xué)生的需要自我改造。

可能沒有比機(jī)器人更能吸引初中生及高中生對科學(xué)技術(shù)感興趣的教學(xué)設(shè)備了。對初中生和高中生來說，擺弄機(jī)器人是一種掌握新概念，親眼見識技術(shù)使用情況的實(shí)踐方式。構(gòu)建機(jī)器人能夠激發(fā)學(xué)生們克服智力難題，取得優(yōu)異的科學(xué)、技術(shù)成績。

為此，我藉此文介紹一種可供教師用于技校的機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)的教學(xué)平臺。該平臺理念是我任教的高中（意大利米蘭附近的ITCS Erasmo da Rotterdam）提出來的。當(dāng)時(shí)只是為了入圍 RoboCup青少年機(jī)器人世界杯(RoboCup Junior)。我們隊(duì)參加的是“救援機(jī)器人”組別的比賽，即讓機(jī)器在重現(xiàn)的災(zāi)害場景中發(fā)現(xiàn)受害者。這些機(jī)器人必須完成復(fù)雜程度不同的多重任務(wù)，比如在平坦路面上沿直線行走，判斷通過崎嶇地形上各障礙物的路徑，以及拯救部分指定的受害者等。

與其它采用不同類型的微型計(jì)算機(jī)的普通傳播平臺相比，我們采用 FPGA 的設(shè)計(jì)具有開放、靈活、可不斷發(fā)展演進(jìn)，以及可重復(fù)使用等基本特性。

我們使用 Digilent Nexys2 教學(xué)開發(fā)板，在賽靈思 Spartan?-3E 器件的基礎(chǔ)上制作了該機(jī)器人的 2011 版。在撰寫本文時(shí)，我們正在把這個(gè)版本移植到 Spartan-6 FPGA 上，以便參加將在 2012 年 4 月舉行的下一屆意大利青少年機(jī)器人世界杯比賽。按計(jì)劃，下一版本（2013 版）將運(yùn)行于Zynq ? -7000 可擴(kuò)展處理平臺器件上。

用這種方法，我們設(shè)計(jì)出的一種救援機(jī)器人能夠年復(fù)一年不斷發(fā)展演進(jìn)， 從第一種原型發(fā)展到了現(xiàn)有的Nessie 2011 版本（Nessie 由 Nexys和尼斯湖水怪（Loch Ness Monster）而得名，尼斯湖水怪的長脖子與我們的機(jī)器人相似）。FPGA 具有高度的靈活性，可以在不改變其基本物理結(jié)構(gòu)以及保持相同的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)架構(gòu)同時(shí)，讓機(jī)器人的架構(gòu)隨學(xué)生知識的增長而重構(gòu)。

挑戰(zhàn)
ITCS Erasmo da Rotterdam 是一所位于意大利北部米蘭近郊的技校，學(xué)生參差不齊，難以教導(dǎo)他們深入學(xué)習(xí)科技知識。

從四年前開始，我決定創(chuàng)辦一個(gè)開放空間，后來我取名為“機(jī)器人教學(xué)永久實(shí)驗(yàn)室”，在那里學(xué)生們可以采用與標(biāo)準(zhǔn)課堂授課完全不同的方法開展實(shí)驗(yàn)。在此，他們可以在互動(dòng)環(huán)境中接觸技術(shù)學(xué)科，探討一些異乎尋常的主題內(nèi)容，選修一些自己感興趣的課程，安排好自己工作并從實(shí)踐中直接得到反饋。換句話說，他們根據(jù)由來已久且為人熟知的“情景認(rèn)知”模型[1] 在“積極學(xué)習(xí)空間”中開展實(shí)驗(yàn)。在這里，同學(xué)們不僅可以相互協(xié)作或同輔導(dǎo)員合作，同時(shí)還可在達(dá)成共識的基礎(chǔ)上追求共同的目標(biāo)。

在這個(gè)學(xué)習(xí)空間中，學(xué)生扮演掌握多種解決方案的“認(rèn)知學(xué)徒”。而教師則充當(dāng)“專家”角色，負(fù)責(zé)提出實(shí)際任務(wù)和策略的具體流程，讓學(xué)生們獨(dú)立嘗試，需要時(shí)才予以輔導(dǎo)。

為不同學(xué)科的匯聚和知識的交流提供肥沃的溫床，機(jī)器人是自然之選。我們認(rèn)為參加青少年機(jī)器人世界杯比賽的樂趣強(qiáng)烈地刺激了學(xué)生對科技實(shí)驗(yàn)的積極參與。

解決方案
我認(rèn)識到，要讓這種方法有效，我必須提議數(shù)字電子學(xué)和信息學(xué)等普通課程涵蓋的課題，但主要針對哪些比學(xué)生們能夠獨(dú)立解決的應(yīng)用更復(fù)雜的應(yīng)用。這樣他們就需要分工合作，或者需要得到能夠提出正確模型的資深教師的協(xié)助。

我知道需要制作什么，但我不知道怎么制作。一切都必須在實(shí)驗(yàn)室中提出和開發(fā)出來，由學(xué)生共同探討設(shè)計(jì)，尋找解決方案。

在經(jīng)過一番深思熟慮之后，我得出一個(gè)結(jié)論：最可行的就是采用一種基于某種靈活的平臺（如 FPGA），而不是標(biāo)準(zhǔn)微型計(jì)算機(jī)上的解決方案。這是因?yàn)?FPGA 是唯一能夠滿足特性要求且能夠跟上實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)和演變范圍的器件。

我最初選擇的是基于 Spartan-3E的教學(xué)板卡，因?yàn)樗軌蛱峁┪覀円恢睂で蟮谋匾匦?，即開放性、靈活性、演進(jìn)能力、硬件的重復(fù)利用性以及性能的豐富性。

? 開放性。由于學(xué)生必須積極參與整個(gè)設(shè)計(jì)流程， 從傳感器接口到CPU，再從 CPU 到激勵(lì)器。
? 靈活性。因?yàn)橄到y(tǒng)的整個(gè)架構(gòu)以及器件的性質(zhì)和類型不應(yīng)事先確定，必須從創(chuàng)造性學(xué)習(xí)環(huán)境所激發(fā)的研究過程中產(chǎn)生。
? 演進(jìn)能力。因?yàn)樵诿看吻嗌倌隀C(jī)器人世界杯結(jié)束后，學(xué)生都必須認(rèn)識到他們作品的缺陷，了解如何進(jìn)行適當(dāng)修改，試圖找出更先進(jìn)的解決方案。該系統(tǒng)必須與學(xué)生的專業(yè)知識保持同步發(fā)展。
? 可重用性。以避免硬件和學(xué)校經(jīng)費(fèi)不必要的浪費(fèi)。
? 低成本、高性能。我們必須控制沒有得到完全定義但需要高度并行運(yùn)行的大量器件和外設(shè)。該 CPU 的功能應(yīng)非常強(qiáng)大，但架構(gòu)相對簡單，易于接口。