CN113655787A - 基于agv磁轨导航和nfc识别的实物编程装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置与方法，包括信息地图、编程小车机器人及卡片标签；编程小车机器人包含小车主体、运动模块、电源模块、数据传输模块、AGV导航模块、人机交互模块、NFC读取与识别模块、控制单元，信息地图包括基板、磁轨、盖板以及地图，基板按照编程小车机器人巡线逻辑开槽，磁轨附着于槽内组成信息地图数据；盖板压在基板和磁轨上，然后贴上不同课程所需的地图组成完整的信息地图，卡片标签包括磁力片和不同形式的卡片，不同的卡片标签相互组合以执行不同的任务，便于小车读取后执行任务，本发明通过人机交互功能激发了少儿学习兴趣，锻炼逻辑和创新思维，极大的保护了少年儿童的视力发展。

Description

基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置与方法

技术领域

本发明属于实物编程的技术领域，尤其涉及一种基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置与方法。

背景技术

随着科技的进步和发展，少儿编程教育的发展受到越来越多的家长的青睐。近年来，人工智能逐渐上升为国家发展战略。在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。编程教育也受到国家重视，发展实践创新意识和审美意识，提高创意实现能力。通过信息技术的学习实践，提高利用信息技术进行分析和解决问题的能力以及数字化产品的设计与制作能力。

少儿编程教育是通过编程游戏启蒙、可视化图形编程等课程，培养学生的逻辑计算思维和创新解难能力的课程。

目前，大多数教育机构针对6-18岁的少年儿童开展编程教育，通过图形化编程教学或这高级编程语言，两者都是通过计算机编程教学，不仅教学形式单一、学习过程枯燥更为重要的是长时间盯着计算机、手机等终端设备的屏幕学习会影响少年儿童的视力发展。另外，针对学龄前少年儿童的编程教学屈指可数，且缺少完整的教学体系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置与方法，针对学龄前儿童设有完整的教学体系，培养少儿的逻辑思维和创造性思维。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置与方法，其特征在于：包括信息地图、编程小车机器人及卡片标签；

所述编程小车机器人包含小车主体、运动模块、电源模块、数据传输模块、AGV导航模块、人机交互模块、NFC读取与识别模块、控制单元，所述小车主体由塑料或橡胶或金属或玻璃制成；

所述信息地图包括基板、磁轨、盖板以及地图，基板按照编程小车机器人巡线逻辑开槽，磁轨附着于基板的槽内组成信息地图数据；盖板压在基板和磁轨上，然后在盖板上贴上不同课程所需的地图组成完整的信息地图，小车在地图上行走通过卡片标签执行每张地图任务，基板和盖板由亚克力或橡胶或金属制成；

所述卡片标签包括磁力片和不同形式的卡片，所述卡片附着于磁力片上，通过卡片标签便于小车读取后执行任务，不同的卡片标签相互组合以执行不同的任务。

按上述方案，所述小车主体包括小车上盖与小车底盘，通过螺钉连接，形成设备容置腔，所述人机交互模块、NFC读取与识别模块、电源模块、运动模块、数据传输模块、AGV导航模块和控制单元均设于所述设备容置腔内，所述小车底盘上设置有喇叭出音孔和电路元器件散热孔，小车底盘上还设有电磁铁，通电产生与所述磁轨相斥的磁力，实现小车弹跳动作。

按上述方案，所述人机交互模块包括显示组件和语音组件，所述显示组件为一块LCD显示屏；所述语音组件包括喇叭和语音识别与应答系统，可通过读取所述卡片标签内容，与用户互动。

按上述方案，所述NFC读取与识别模块包括集成于PCB板的NFC感应线圈、NFC读取与识别芯片；NFC读取与识别模块为两组，分别置于编程小车机器人底盘与小车上盖顶部分别用于读取地图指令和教师卡片标签的读取。

按上述方案，所述电源模块包括可充电锂电池、电源板和充电端口，所述可充电锂电池固定于电池支架上，所述电源板集成于主板上，所述充电端口为充电Type-c接口。

按上述方案，所述运动模块包括全向轮、联轴器和减速电机，所述减速电机通过电机压箍与所述小车底盘相连，所述联轴器通过螺钉套于减速电机的输出轴并用紧固件压紧，所述全向轮套在联轴器后端并用紧固件压紧。

按上述方案，所述数据传输模块包括一块集成于主板上的数据存储芯片、对外进行数据交换的数据传输Type-c接口和射频模块。

按上述方案，所述AGV导航模块包括多个传感器，形成传感器阵列，布设于所述小车底盘上，用于识别所述信息地图内坐标数据，传感器为霍尔传感器或光电传感器。

按上述方案，所述控制单元包括MCU模块、接口板、拨动开关组件、Type-c转接板、侧面传感器转接板和前端传感器转接板，所述MCU模块位于所述可充电锂电池顶部，所述接口板位于所述电池支架与电机压箍之间，所述Type-c转接板、侧面传感器转接板和前端传感器转接板分别对应所述Type-c接口和传感器安设。

基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)在信息地图上铺上所需要展示的课程内容相关的地图，并准备好课程需要的卡片标签，打开小车电源开关，放置于设置好课程信息的地图上，小车底部的霍尔传感器采集地图网格信息，进而对地图信息进行预处理，实现自身定位；

S2)将课程任务要素从卡片标签数据库中提取出来录入卡片标签或将课程所有需要的元素提前录制于卡片标签，根据需要取出，将任务的卡片标签在开机后的小车上刷完后，小车语音模块会读出当前课程任务，LCD显示屏上会显示当前任务提示准备中，学员即开始进行；

S3)小车地图录入准备完毕后，结合当前地图编写的教程教学任务，选择当前目标任务下的卡片标签，按照课程的目标选择不同的卡片标签或卡片标签组合，放置于地图中，小车底部的NFC线圈读取标签后，按照标签内容一步一步执行任务，直到完成课程所要求的内容；执行任务的整个过程中，所述显示模块会以图形显示的方式显示课程目标和每一步执行的任务和动作；所述声音模块会提示准备动作，结合每一个任务给与赞赏与鼓励；

S4)如果任务未完成或任务出错，小车会根据当前执行任务给学员提示，再学员重新组合标签后，完成任务。

本发明的有益效果是：提供一种基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置与方法，开创了针对学龄前儿童的编程教学体系，教师在信息地图上设置不同的课程任务，学生通过不同的卡片标签或者不同的卡片标签组合让编程小车机器人一步步执行当前卡片标签任务，直至完成课程任务。不仅通过人机交互功能引发了少儿学习的兴趣，锻了逻辑思维和创新思维，更为重要的是相比于计算机编程极大的保护了少年儿童的视力发展。

附图说明

图1为本发明一个实施例的实物编程装置总装图。

图2为本发明一个实施例的编程小车的结构示意图。

图3为本发明一个实施例的编程小车的分解图。

图4为本发明一个实施例的霍尔传感器的分布图。

图5为本发明一个实施例的信息地图的分解图。

图6为本发明一个实施例的卡片标签的分解图。

图7为本发明一个实施例的编程小车控制方法的流程框图。

图8为本发明一个实施例的电气控制单元的原理图。

图9为本发明一个实施例的电机控制电路图。

图10为本发明一个实施例的地图信息采集电路图。

图11为本发明一个实施例的NFC读写模块电路图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1-图11所示，基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置与方法，包括信息地图1、编程小车机器人2及卡片标签；

编程小车机器人包含小车主体3、运动模块、电源模块、数据传输模块、AGV导航模块、人机交互模块、NFC读取与识别模块、控制单元。小车主体由塑料或橡胶或金属或玻璃制成。

信息地图包括基板101、磁轨102、盖板以及地图，基板按照编程小车机器人巡线逻辑开槽，磁轨包括49mm长磁条、37mm长磁条、1050mm长磁条，分别附着于基板的槽内组成信息地图数据；盖板压在基板和磁轨上，然后在盖板上贴上不同课程所需的地图组成完整的信息地图，小车在地图上行走通过卡片标签执行每张地图任务。基板和盖板可为包括但不限于亚克力、橡胶、金属等制成的实心结构；也可为壳体和填充物组成的结构，壳体材料包括但不限于亚克力、橡胶、金属等，填充物包括但不限于橡胶、塑料、泡沫等。

卡片标签包括不同颜色和形式的磁力片103和卡片104，卡片附着于磁力片上，通过卡片标签便于小车读取后执行任务，不同的卡片标签相互组合以执行不同的任务。

小车主体包括小车上盖202与小车底盘214，通过螺钉连接，形成设备容置腔，人机交互模块、NFC读取与识别模块、电源模块、运动模块、数据传输模块、AGV导航模块和控制单元均设于设备容置腔内，小车底盘上设置有喇叭出音孔和电路元器件散热孔。小车底盘上还设有电磁铁，通电产生与磁轨相斥的磁力，实现小车弹跳动作。

人机交互模块包括显示组件和语音组件，显示组件为一块LCD显示屏201；语音组件包括喇叭221和语音识别与应答系统204，可通过读取卡片标签内容，与用户互动。

NFC读取与识别模块包括集成于PCB板的NFC感应线圈、NFC读取与识别芯片；NFC读取与识别模块为两组(203、218)，分别置于编程小车机器人底盘与小车上盖顶部分别用于读取地图指令和教师卡片标签的读取。教师所持卡片标签作为总控标签，可控制组网内所有小车机器人一起动作和独立动作的功能；地图指令卡片标签作为分控标签，学员所持卡片标签只具备控制当前小车机器人执行动作。

电源模块包括可充电锂电池220、电源板和充电端口，可充电锂电池固定于电池支架219上，电源板集成于主板上，充电端口为充电Type-c接口209。

运动模块包括全向轮211、联轴器212和减速电机215，减速电机通过电机压箍207与小车底盘相连，联轴器通过螺钉套于减速电机的输出轴并用紧固件压紧，全向轮套在联轴器后端并用紧固件压紧。

数据传输模块包括一块集成于主板上的数据存储芯片、对外进行数据交换的数据传输Type-c接口和射频模块222。充电Type-c接口和数据传输Type-c接口可为同一个，Type-c接口为上述多合一即可作为充电也可做为测试接口，提高电路集成化，有助于节省空间降低成本。

AGV导航模块包括五个传感器213，其中三个传感器(2133、2134、2135)布设于小车底盘前端，用于在信息地图上行走时的路线纠偏；两个传感器(2131、2132)布设于小车底盘中部两侧，用于识别信息地图内坐标数据，传感器可为霍尔传感器或光电传感器。一方面，编程小车机器人单独执行任务时，便于在信息地图中知道自己所处的位置，进而知道自己离目的地的距离；另一方面，便于编程小车机器人在信息地图中利用射频模块组网联合执行任务时，知道相互之间的坐标数据，不至于发生拥堵、碰撞事件(人为编程除外)。

编程小车机器人运动方式有：直线行驶，漂移行驶，左旋转任意角度，右旋转任意角度，左平移，右平移。在运动过程中通过五个霍尔传感器获取到的磁轨信息来判断自身与磁轨之间的相对位置关系，从而实现位置纠正。磁场霍尔传感器会输出与通过自身磁通量线性相关的模拟电压信息，磁轨磁场从自身中心位置往两边呈降低趋势，因此霍尔传感器输出的模拟电压从磁轨中心往其两边呈由高到低的趋势。根据这种关系，则可在运动过程中根据各霍尔传感器的输出模拟电压来判断编辑小车机器人与磁轨的相对位置关系，从而通过改变运动方式实现纠偏。

控制单元包括MCU模块205、接口板206、拨动开关组件208、Type-c转接板210、侧面霍尔传感器转接板216和前端霍尔传感器转接板217，MCU模块位于可充电锂电池顶部，接口板位于所述电池支架与电机压箍之间，Type-c转接板、侧面霍尔传感器转接板和前端霍尔传感器转接板分别对应Type-c接口和霍尔传感器安设。

基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程的方法，包括如下步骤：

S1)在信息地图上铺上所需要展示的课程内容相关的地图，并准备好课程需要的卡片标签，打开小车电源开关，放置于设置好课程信息的地图上，小车底部的霍尔传感器采集地图网格信息，进而对地图信息进行预处理，实现自身定位；

S2)将课程任务要素从卡片标签数据库中提取出来录入卡片标签或将课程所有需要的元素提前录制于卡片标签，根据需要取出，将任务的卡片标签在开机后的小车上刷完后，小车语音模块会读出当前课程任务，LCD显示屏上会显示当前任务提示准备中，学员即开始进行；

S3)小车地图录入准备完毕后，结合当前地图编写的教程教学任务，选择当前目标任务下的卡片标签，按照课程的目标选择不同的卡片标签或卡片标签组合，放置于地图中，小车底部的NFC线圈读取标签后，按照标签内容一步一步执行任务，直到完成课程所要求的内容；执行任务的整个过程中，所述显示模块会以图形显示的方式显示课程目标和每一步执行的任务和动作；所述声音模块会提示准备动作，结合每一个任务给与赞赏与鼓励；

S4)如果任务未完成或任务出错，小车会根据当前执行任务给学员提示，再学员重新组合标签后，完成任务。

每一张地图上包含数个编程课程，每个课程包含数个任务；完成所述课程需要按照逻辑将课程内置的数个任务通过卡片标签或者卡片标签组合在地图中铺好以便于编程小车机器人读取和执行，最后按照卡片标签指令依次完成直至完成课程任务。

Claims (10)

1.基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于：包括信息地图、编程小车机器人及卡片标签；

所述编程小车机器人包含小车主体、运动模块、电源模块、数据传输模块、AGV导航模块、人机交互模块、NFC读取与识别模块、控制单元，所述小车主体由塑料或橡胶或金属或玻璃制成；

所述信息地图包括基板、磁轨、盖板以及地图，基板按照编程小车机器人巡线逻辑开槽，磁轨附着于基板的槽内组成信息地图数据；盖板压在基板和磁轨上，然后在盖板上贴上不同课程所需的地图组成完整的信息地图，小车在地图上行走通过卡片标签执行每张地图任务，基板和盖板由亚克力或橡胶或金属制成；

所述卡片标签包括磁力片和不同形式的卡片，所述卡片附着于磁力片上，通过卡片标签便于小车读取后执行任务，不同的卡片标签相互组合以执行不同的任务。

2.根据权利要求1所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述小车主体包括小车上盖与小车底盘，通过螺钉连接，形成设备容置腔，所述人机交互模块、NFC读取与识别模块、电源模块、运动模块、数据传输模块、AGV导航模块和控制单元均设于所述设备容置腔内，所述小车底盘上设置有喇叭出音孔和电路元器件散热孔，小车底盘上还设有电磁铁，通电产生与所述磁轨相斥的磁力，实现小车弹跳动作。

3.根据权利要求2所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述人机交互模块包括显示组件和语音组件，所述显示组件为一块LCD显示屏；所述语音组件包括喇叭和语音识别与应答系统，可通过读取所述卡片标签内容，与用户互动。

4.根据权利要求3所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述NFC读取与识别模块包括集成于PCB板的NFC感应线圈、NFC读取与识别芯片；NFC读取与识别模块为两组，分别置于编程小车机器人底盘与小车上盖顶部分别用于读取地图指令和教师卡片标签的读取。

5.根据权利要求4所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述电源模块包括可充电锂电池、电源板和充电端口，所述可充电锂电池固定于电池支架上，所述电源板集成于主板上，所述充电端口为充电Type-c接口。

6.根据权利要求5所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述运动模块包括全向轮、联轴器和减速电机，所述减速电机通过电机压箍与所述小车底盘相连，所述联轴器通过螺钉套于减速电机的输出轴并用紧固件压紧，所述全向轮套在联轴器后端并用紧固件压紧。

7.根据权利要求6所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述数据传输模块包括一块集成于主板上的数据存储芯片、对外进行数据交换的数据传输Type-c接口和射频模块。

8.根据权利要求7所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述AGV导航模块包括多个传感器，形成传感器阵列，布设于所述小车底盘上，用于识别所述信息地图内坐标数据，传感器为霍尔传感器或光电传感器。

9.根据权利要求8所述的基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程装置，其特征在于，所述控制单元包括MCU模块、接口板、拨动开关组件、Type-c转接板、侧面传感器转接板和前端传感器转接板，所述MCU模块位于所述可充电锂电池顶部，所述接口板位于所述电池支架与电机压箍之间，所述Type-c转接板、侧面传感器转接板和前端传感器转接板分别对应所述Type-c接口和传感器安设。

10.基于AGV磁轨导航和NFC识别的实物编程的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)在信息地图上铺上所需要展示的课程内容相关的地图，并准备好课程需要的卡片标签，打开小车电源开关，放置于设置好课程信息的地图上，小车底部的霍尔传感器采集地图网格信息，进而对地图信息进行预处理，实现自身定位；

S2)将课程任务要素从卡片标签数据库中提取出来录入卡片标签或将课程所有需要的元素提前录制于卡片标签，根据需要取出，将任务的卡片标签在开机后的小车上刷完后，小车语音模块会读出当前课程任务，LCD显示屏上会显示当前任务提示准备中，学员即开始进行；

S3)小车地图录入准备完毕后，结合当前地图编写的教程教学任务，选择当前目标任务下的卡片标签，按照课程的目标选择不同的卡片标签或卡片标签组合，放置于地图中，小车底部的NFC线圈读取标签后，按照标签内容一步一步执行任务，直到完成课程所要求的内容；执行任务的整个过程中，所述显示模块会以图形显示的方式显示课程目标和每一步执行的任务和动作；所述声音模块会提示准备动作，结合每一个任务给与赞赏与鼓励；

S4)如果任务未完成或任务出错，小车会根据当前执行任务给学员提示，再学员重新组合标签后，完成任务。

Images