1、第十六届山东省大学生软件设计大赛命题 智能硬件与机器人 命题单位：青岛科技大学 青岛里奥机器人有限公司 欢迎加入该命题的 QQ群：青科大智能硬件 493908245 联系方式：马兴录： Email:， QQ:527533428 江守寰 ： Email:， QQ:50954804 1 命题背景 你可能听说过或见过机器人、智能车、无人机、智能手环等产品，这就是当下流行的典型的智能硬件产品。 智能硬件是继智能手机之后的一个科技概念，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。智能化之后，硬件具备连接的能力，实现互联网服务的加载，形成 “云 +端 ”的典型架构，具备了大数据等
2、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就是 嵌入式系统 。当前或未来的一些热门概念无不与嵌入式系统有关， 像 目前 常见的手机、 PDA、机顶盒、 高清电视 (HDTV)、路由 器、 汽车电子 、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。 未来将大力发展的如智能硬件、机器人、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。 智能硬件的核心其实是软件，正是软件赋予了它“智能”。在当前“后 PC”时代，计算机早已不是单一的个人电脑的形式了。手机、平板电脑、家电等内部都有计算机的存在
3、。采用单片机、 ARM 等嵌入式计算机的系统已经非常普遍了。有了嵌入 式计算机的硬件之后，各类功能，特别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还是在软件的开发上。 随着 5G 通讯技术的到来，物联网将得到迅猛发展，各类智能硬件将层出不穷。同时基于云计算的各种云服务大大丰富了互联网应用，也大大增强了各种智能硬件的计算能力。复杂的计算可以放在云服务器上完成，而智能硬件本身可以只负责本地功能的实现。目前各知名网站都向外提供云服务，如 Google 的各种云服务、百度的云服务、阿里云服务等。利用这些云服务，可以很好地构建智能硬件上的复杂应用。 智能硬件中的机器人产业正 处于迅猛
4、发展的阶段，对机器人相关技术人才的需求也在不断增长。由于机器人是多学科知识交叉融合的产物，对人才的需求也是多方面的。其中，软件作为机器人智能的体现，在机器人技术中占有非常重要的地位，因此，机器人产业对软件开发人才的需求量非常大。 2016.9.19 日，工业和信息化部及国家发改委共同发布了智能硬件产业创新发展专项行动（ 2016-2018），制定了我国近期智能硬件的发展方向。具体内容请参加附录。 2 智能硬件开源平台 如同开源软件平台推动了软件的发展一样，智能硬件开源平台正在兴起发展中，正在推动着 智能硬件的发展。开源硬件平台开放了硬件设计及相应的软件设计，对于迅速构建创意十足的智能硬件提供了
5、便捷的途径，也为初学者提供了快速入门的方法。如果你是智能硬件的初学者或者根本不了解它，没关系，只要你会 C 语言程序设计，你就可以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 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的arduino 板）和软件（ arduino IDE).她适用于艺术家、设计师、爱好者和对于“互动”有兴趣的朋友们。 Arduino 能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过 Arduino 的编程语言来
6、编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器 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，可以只包含Arduino，也可以包含 Arduino 和其他一些在 PC 上运行的软件，他们之间进行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)来实现。你可以自己自己动手制作，也可以购买成品套装 ;Arduino 所使用到的软件都可以免费下载 . 硬件参考设计 (CAD 文件 )也是遵循availableopen-source 协议 ,
7、你可以非常自由地根据你自己的要求去修改它们。 树莓派为学生计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，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备 所有 PC 的基本功能只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。 相比之下， Arduino 属于低端的控制器，上手更加容易；而树莓派则是一台完整的电脑，有操作系统，是性能更加强大的计算平台。 3 智能机器人软件开发 智能机器
8、人的软件种类很多，既包括底层控制类的设备驱动程序，又包括机器人操作系统（ 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，智能机器人的软件开发范围广泛。其中应用层软件的开发大多数采用专用的开发环境（如图形化编程工具），使得机器人编程变得比较简单。当软件功能非常复杂时，需要采用通用编程语言（如 C/C+， Java， Python 等）去实现。 因此，机器人软件开发既可以从简单的图形化编程入手，也可以从基础的编程语言入手。既可以使用真实的机器人为平台，也可以使用虚拟化的机器人为运行平台。本命题的机器人方向综合考虑各类开发
9、方式，制定了合理快捷的开发途径，可有效提高参赛者机器人软件开发的水平。 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发展专 项行动（ 2016-2018）（见附件），根据国家智能硬件产业发展方向，自行确定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。对于智能硬件来说，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，就可以拿来参加比赛。本命题重点考察系统硬件的合理性及软件的各项功能。 建议使用 Arduino 或树莓派等开源硬件平台实现你的智能硬件设计，当然也允许使用其他的嵌入式开发板
10、，如单片机开发板或 ARM 开发板等实现你的设计。 （ 2） 智能车比赛 智能小车属于机器人的一种，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 2.0，开展小车编程方面的比赛。青科智能小车 2.0 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（青科机器人网盘资料链接：http:/ 密码： 3gnn ），最新动态请关注微信公众号“青科大机器人教学研究平台”。 规定项目（ 50 分）：走迷宫。迷宫形状在比赛时由评委临时设定。根据走迷宫所用时间来决定得分成绩； 选做项目（ 50 分）：基于智能小车，开发各类创意性应用。可以增加机器视觉、语音识别等功能，结合人工
11、智能、互联网等实现创意应用。 （ 3） 人形机器人比赛 基于人形机器人平台，完成 机器人越障挑战赛 （必做， 50 分） 和 互联网 +机器人创意应用开发（选做， 50 分） 。 限定机器人的外形必须是人形，由四肢、躯干和头几部分组成，建议但并不限定采用青岛里奥机器人技术有限公司的人形机器人产品（ LEO-E1），具体参数可访问公司网站（ http:/） LEO-E1 主要参数 : 16 个自由度 高度 35cm 蓝牙 4.0 LE 机器人动作设计编程 云端资源下载 Android 扩展开发平台 机器人越障挑战赛 （必做） 机器人越障挑战赛可基于里奥机器人 E1 标准套件完成，套件包括机器人本
12、体， Arduino控制板一套，各类传感器一套。使用里奥配套的开发软件进行动作编程开发和传感器编程开发。 要求机器人在规定时间内完成多项挑战动作。每个动作有相应的分数，从起始区出发依次完成各项挑战。在动作过程中有传感器的智能应用可适当加分。 竞赛场地如下图所示，上面有机器人台阶，机器人钻障碍，机器人转向，机器人舞蹈区。竞赛分为基本动作类和挑战类两种。 跨越台阶 要求机器人从 出发点起步，完成从一边上台阶、下台阶到另一边的场地上。如果机器人下肢以外的部分接触任务区域，则任务判定失败。 钻过障碍。 要求机器人从一个固定高度的障碍物下钻过。机器人可以接触障碍物，但不得碰翻障碍物或者移动障碍物，否则视
13、为动作失败不得分。 机器人转向 机器人行走到转弯区，并进行转向。转向过程中除下肢部分以外不得接触地面，否则视为动作失败。 舞蹈 机器人走到舞蹈区并完成自编的一段舞蹈，根据舞蹈复杂度以及创新度给予评分，中途不得人为干预。舞蹈时长不得超过一分钟。 基本动作类比赛 此 类比赛要求机器人依次在场地内完成各项要求动作并完成任务。比赛整个过程中现场人员不得与机器人接触，但可以采用远程遥控的方式。机器人每摔倒一次扣除适当分数。 挑战类比赛 此类比赛过程中，不得有任何的人为干预，包括远程遥控、接触机器人等。要求参赛队员根据自身条件添加需要的传感器，例如添加陀螺仪检测到跌倒后自动爬起等。整个过程中要求机器人自主
14、完成。人为干预一次扣除相应的分数。 互联网 +机器人创意应用开发（选做，加分项） 互联网 +机器人创意应用开发需使用里奥机器人配套的 Android 开发扩展套件 。使用里奥机器人开发 SDK 进行 Android 应用开发。相关的 SDK 文件会在报名后发布给各参赛队伍。Android 扩展板的规格如下： CPU 高通骁龙 四核 1.2G 高性能处理器 存储器 8GB / 内存： 1GB 扬声器 2 个扬声器 MIC 1 个 发光二极管 眼部 2 组，嘴部 1 组 摄像头 1 个 CMOS 数码摄像头 8M 网络类型 Wifi（ IEEE 802.11g） 4G 全网通 机器人接入互联网可以
15、极大地扩充机器人的能力。机器人与云计算、手机及其他软件或设备进行交互，可以实现很多功能。例如，针对儿童的教育，有针对性的设计可与儿童进行互动的学习软件，让小朋友在与机器人的互动娱乐中达到学习的目的。例如，可以设计基于机器人的英语、国学等学习软件，通过与机器人的语音交互，动作展示，让儿童达到更好的学习效果；或者基于机器人的智能家居应用。发挥你的想象，让机器人在互联网的支持下“飞”起来吧。 5 参赛要求 1每个参赛队的作品必须以光盘形式上交，光盘内需包含以下内容： 在根目录下建立三个文件夹 ，分别命名为“作品演示”、“设计资料”、“技术文档”和“演示”，必要时自己根据情况建立二级文件夹并清晰命名。
16、 1）“作品演示”文件夹内存放作品的运行视频及 ppt 介绍文稿。注意运行视频必须是在作品连续运行状态下抓取的完整视频，不能是个别片段的拼凑，以证明作品可以完整运行。PPT 介绍文稿要从产品创意、设计方案、实现原理、技术创新点等方面去全面介绍作品，不要做成简单的操作说明书。 2)将作品的硬件设计、软件源程序等放入“设计资料”文件夹中； 3)将完整的技术文档、管理文档和系统使用说明文档等都放到“技术文档”文件 夹中。 2、每个队的作品一式三份，即刻录三张光盘上交。光盘上做必要不可擦除的标识以防混乱，如“作品名”、“学校”、“组长姓名”、“小组名称”等； 请将光盘放在档案袋内，袋上注明以下信息：“
17、学校”“作品名称”“小组名称”“组长姓名”“详细联系方式（电话、 Email）”等； 6 评比方式 （ 1）提交的材料完整、齐全、可读性好。如果所提交的文档不完整，仍可以参加评比，但要适当扣分。 （ 2）评比分为初赛（包括初审和互审）和决赛（现场答辩）两个阶段。在初赛的互审环节，参赛团队可以作为评委去评审其他团队的作品；在现场 答辩环节，允许参赛团队旁听；这是为了便于大家互相学习，也增加评审的透明度。 （ 3）机器人命题方向的必做部分进行现场比赛。选作部分同要求（ 1）。 附件： 工业和信息化部 国家发展和改革委员会关于印发 智能硬件产业创新发展专项行动（ 2016-2018 年）的通知 工信
18、部联电子 2016 302 号 各省、自治区、直辖市及计划单列市、新疆生产建设兵团工业和信息化主管部门、发展改革委，相关行业协会、相关单位： 为深入贯彻供给侧结构性改革和创新驱动发展战略，提升我国智能硬件共性技术和高端产品 的供给能力，根据“互联网 +”人工智能三年行动实施方案，工业和信息化部、国家发展和改革委员会联合制定智能硬件产业创新发展专项行动（ 2016-2018 年）。现印发给你们，请结合实际认真贯彻落实。 工业和信息化部 国家发展和改革委员会 2016 年 9 月 19 日 智能硬件产业创新发展专项行动（ 2016-2018 年） 根据 “互联网 +” 人工智能三年行动实施方案，为
19、提升终端产品智能化水平，加快智能硬件应用普及，制定本专项 行动。 一、行动背景 智能硬件是指具备信息采集、处理和连接能力，并可实现智能感知、交互、大数据服务等功能的新兴互联网终端产品，是 “互联网 +” 人工智能的重要载体。在手机、 电视等终端产品实现智能化之后，新一代信息技术正加速与个人穿戴、交通出行、医疗健康、生产制造等领域集成融合，催生智能硬件产业蓬勃发展，带动模式创新和效率提升。 当前，我国智能硬件产业机遇与挑战并存。一方面，我国是电子信息产品生产大国，拥有全球最大的互联网用户群体，智能硬件市场空间广阔。另一方面，关键技术和高端 产品供给不足、创新支撑体系不健全、产用互动不紧密、生态碎
20、片化等问题和风险不容忽视。本专项行动着力推动智能硬件产业创新发展，提升高端共性技术与产品的有效供给，满足社会生产、生活对智能硬件的多元化需求，培育信息技术产业增长新动能。 二、总体思路 深入贯彻供给侧结构性改革和创新驱动发展战略，以推动终端产品及应用系统智能化为主线，着力强化技术攻关，突破基础软硬件、核心算法与分析预测模型、先进工业设计及关键应用，提高智能硬件创新能力。着力优化发展环境，加快智能硬件应用普及进程，加强行业公共服务平台 建设，夯实智能硬件发展基础。着力繁荣产业生态，建立标准、知识产权、创业创新平台、应用示范间的联动机制，培育新模式新业态。 创新驱动。 引导和鼓励企业加强研发投入，
21、在全球范围内优化资源配置，吸引高端人才，掌握先进技术，突破关键技术瓶颈，提升高端有效供给，提高产业核心竞争力。 融合协同。 产业链提升和生态链建设并举，围绕重大市场需求，加强产业链上下游资源的组织协调，促进产用结合与产融对接，完善产业发展生态环境。 因地制宜。 发挥地方积极性和主动性，支持各地结合产业发展实际，出台适宜本地区 的政策措施，完善公共服务，探索差异化、特色化发展路径，促进区域间协同，引导产业高端集聚。 三、行动目标 到 2018 年，我国智能硬件全球市场占有率超过 30%，产业规模超过 5000 亿元。在低功耗轻量级系统设计、低功耗广域智能物联、虚拟现实、智能人机交互、高性能运动与
22、姿态控制等关键技术环节取得明显突破，培育一批行业领军上市企业。在国际主流生态中的参与度、贡献度和影响力明显提升，海外专利占比超过 10%。建成标准开发、产品及应用检测、产业供给能力监测三大支撑平台，智能硬件标准化及公共服务能力达到国际 先进水平。布局若干技术先进、特色突出、优势互补的高水平创新平台，创业创新支撑能力明显提升。智能工业传感器、智能 PLC、智能无人系统等工业级智能硬件产品形成规模示范，带动生产效率提升 20%以上。形成一批可复制、可推广的行业应用解决方案，产业便民、惠民成效显现。 四、重点任务 （一）提升高端智能硬件产品有效供给 面向价值链高端环节提高智能硬件产品质量和品牌附加值
23、，加强产品功能性、易用性、增值性设计能力，发展多元化、个性化、定制化供给模式，强化应用服务及商业模式创新，提升高端智能穿戴 、智能车载、智能医疗健康、智能服务机器人及工业级智能硬件产品的供给能力。 1.智能穿戴设备。 支持企业面向消费者运动、娱乐、社交等需求，加快智能手表、智能手环、智能服饰、虚拟现实等穿戴设备的研发和产业化，提升产品功能、性能及工业设计水平，推动产品向工艺精良、功能丰富、数据准确、性能可靠、操作便利、节能环保的方向发展。加强跨平台应用开发及配套支撑，加强不同产品间的数据交换和交互控制，提升大数据采集、分析、处理和服务能力。 2.智能车载设备。 支持企业加强跨界合作，面向司乘人
24、员的交通出行需求，发 展智能车载雷达、智能后视镜、智能记录仪、智能车载导航等设备，提升产品安全性、便捷性、实用性。推进智能操作系统、北斗导航、宽带移动通信、大数据等新一代信息技术在车载设备中的集成应用，丰富行车服务、车辆健康管理、紧急救助等车辆联网信息服务。发展芯片、元器件及整机设备的车规级检测认证能力，完善配套供应体系。 3.智能医疗健康设备。 面向百姓对健康监护、远程诊疗、居家养老等方面需求，发展智能家庭诊疗设备、智能健康监护设备、智能分析诊断设备的开发及应用。鼓励终端企业与医疗机构对接，着力提升产品质量性能及数据可 信度，加强不同设备及系统间接口、协议和数据的互联互通，推动智能硬件与数字
25、化医疗器械及相关医疗健康服务平台的数据集成。 4.智能服务机器人。 面向家庭、教育、商业、公共服务等应用场景，发展推进多模态人机交互、环境理解、自主导航、智能决策等技术开发，发展开放式智能服务机器人软硬件平台及解决方案，完善智能服务机器人编程和操作图形用户接口等通信控制、安全、设计平台等标准，提升服务机器人智能化水平，拓展产品应用市场。 5.工业级智能硬件设备。 面向工业生产需要，发展高可靠智能工业传感器、智能工业网关、 智能 PLC、工业级可穿戴设备和无人系统等智能硬件产品及服务。支持新型工业通信、工业安全防护、远程维护、工业云计算与服务等技术架构和设备的产业化，提升工业级智能化系统开发、优化、综合仿真和测试验证能力。 （二）加强智能硬件核心关键技术创新 瞄准产业发展制高点，组织实施一批重点产业化创新工程，支持关键软硬件 IP 核开
