【AI入門課程】AI 的載體 —— 智能硬件● 機器人和人的區(qū)別○ 拆解機器人的關鍵器件組成
■ 視頻演示
■ 控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、動力系統(tǒng) 基礎概念講解
1. 微控制器（MCU）或微處理器（MPU）相當于機器人的 “大腦”。微控制器一般用于較為簡單、對處理能力要求不太高的機器人中，它可以根據(jù)預設的程序，控制機器人的各個動作和功能。例如，在一些基礎的循跡機器人中，微控制器通過讀取紅外傳感器檢測到的地面黑線信息，來控制電機的運轉方向，使機器人沿著黑線行駛。而微處理器性能更強，能夠處理更復雜的任務和算法，常用于智能程度較高的機器人，如可以進行環(huán)境識別和自主導航的機器人，微處理器可以快速處理攝像頭、激光雷達等傳感器傳來的大量數(shù)據(jù)，規(guī)劃出機器人的行動路徑。
電路板是連接各個電子元件的載體，它將微控制器、傳感器、電機驅動等元件連接在一起，使它們能夠協(xié)同工作。不同功能的電路板有不同的設計和布局，比如控制電機的驅動電路板，上面集成了各種功率元件和控制芯片，負責將微控制器發(fā)出的弱電信號轉換為能夠驅動電機的強電信號。
2. 傳感器系統(tǒng)： 視覺傳感器（攝像頭）能讓機器人 “看” 到周圍的環(huán)境。常見的攝像頭分為 CMOS 攝像頭和 CCD 攝像頭，CMOS 攝像頭具有成本低、功耗小的特點，在大多數(shù)消費級機器人中廣泛應用。例如，掃地機器人通過攝像頭識別房間的布局、家具的位置以及地面上的垃圾等，然后規(guī)劃清掃路徑。攝像頭捕捉到的圖像信息會傳輸給微處理器進行分析和處理。
超聲波傳感器利用超聲波來測量距離。它通過發(fā)射超聲波，然后接收反射回來的超聲波，根據(jù)聲波傳播的時間來計算與障礙物之間的距離。在一些避障機器人中，超聲波傳感器安裝在機器人的前方和側面，當檢測到前方有障礙物時，傳感器將信號傳送給微控制器，微控制器控制電機反轉或轉向，使機器人避開障礙物。
觸摸傳感器可以讓機器人感知外界的觸碰。它一般由彈性材料和電極組成，當受到外力擠壓時，彈性材料變形，導致電極之間的電阻或電容發(fā)生變化，從而產生電信號。例如，在一些兒童陪伴機器人上，當小朋友觸摸機器人時，觸摸傳感器感知到觸碰，機器人會做出相應的反應，如說話、唱歌等。
3. 動力系統(tǒng)： 電機是機器人運動的核心動力源。常見的有直流電機，它通過通電導體在磁場中受力的原理轉動，能為機器人的關節(jié)、輪子等提供旋轉動力，比如在一些簡單的輪式機器人中，直流電機驅動輪子使機器人移動。還有伺服電機，它不僅能控制轉動的速度，還能精確控制轉動的角度，在人形機器人的關節(jié)處廣泛應用，讓人形機器人可以做出各種復雜且精準的動作，像抬手、彎腰等動作的實現(xiàn)都離不開伺服電機。
電池則為電機以及機器人的整個電路系統(tǒng)供電。常見的有鋰電池，它具有能量密度高、重量輕、自放電率低等優(yōu)點。例如，一些小型家用服務機器人使用鋰電池，一次充電后可以持續(xù)工作幾個小時，為完成清潔、陪伴等任務提供電力支持。
● 手機的秘密打電話、拍照功能所依賴的硬件
視頻演示
1. 基帶芯片：基帶芯片是手機通信功能的核心硬件之一。它負責處理手機與基站之間的通信協(xié)議，將語音信號、數(shù)據(jù)信號等進行編碼和解碼，以便手機能夠與移動網絡進行交互。例如，當我們撥打一個電話號碼時，基帶芯片會將我們的語音信號轉換為適合在移動網絡中傳輸?shù)臄?shù)字信號，并通過天線發(fā)送出去。同時，它也會接收基站傳來的信號，將其解碼為我們能聽到的語音信號。不同的基帶芯片支持不同的網絡標準，如 2G、3G、4G、5G 等，隨著技術的發(fā)展，基帶芯片不斷升級，以提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更穩(wěn)定的通信連接。
2. 射頻模塊：射頻模塊包括射頻收發(fā)器、功率放大器、濾波器等部件。射頻收發(fā)器負責將基帶芯片處理后的信號調制到射頻頻段，并通過天線發(fā)射出去，同時接收來自天線的射頻信號并解調為基帶信號。功率放大器用于增強發(fā)射信號的功率，確保信號能夠在一定距離內有效傳輸?shù)交�。濾波器則用于篩選出特定頻率的信號，去除干擾信號。例如，在信號較弱的環(huán)境中，功率放大器會提高發(fā)射功率，以保證通話質量。射頻模塊的性能直接影響手機的信號強度和通信質量。
3. 天線：天線是手機與外界進行無線通信的關鍵部件。它負責將射頻模塊發(fā)射的射頻信號轉換為電磁波輻射出去，同時接收來自基站的電磁波并轉換為電信號傳送給射頻模塊。手機天線的設計多種多樣，有內置天線和外置天線。內置天線通常采用微帶天線、PIFA 天線等形式，它們被集成在手機內部，不影響手機的外觀。外置天線則較為常見于早期的手機，現(xiàn)在一些特殊用途的手機，如對講機等，仍然采用外置天線，以獲得更好的信號接收效果。天線的性能和位置會影響手機在不同環(huán)境下的信號接收能力。
拍照功能所依賴的硬件
1.鏡頭：鏡頭是手機相機的光學部件，其作用類似于人眼的晶狀體。手機鏡頭一般由多片鏡片組成，這些鏡片可以是玻璃材質或塑料材質。鏡片的數(shù)量和質量會影響鏡頭的成像質量，例如，更多的鏡片可以減少光線的折射和散射，提高成像的清晰度和色彩還原度。鏡頭的焦距決定了相機的拍攝視角和拍攝距離，常見的手機鏡頭有廣角鏡頭、超廣角鏡頭和長焦鏡頭。廣角鏡頭適合拍攝風景等大場景，能夠容納更廣闊的畫面；超廣角鏡頭則可以拍攝出更夸張的視角效果，常用于拍攝全景照片；長焦鏡頭可以讓我們拍攝遠處的物體，實現(xiàn)光學變焦功能，使遠處的物體看起來更清晰、更大。
2.圖像傳感器：圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的關鍵部件，常見的有 CMOS（互補金屬氧化物半導體）傳感器。CMOS 傳感器由大量的像素單元組成，每個像素單元都能感知光線的強度和顏色信息。像素單元的數(shù)量決定了傳感器的像素大小，像素越高，理論上能夠拍攝出更清晰、細節(jié)更豐富的照片。傳感器的尺寸也很重要，較大尺寸的傳感器可以接收更多的光線，在低光環(huán)境下拍攝出更好的照片，減少噪點的產生。例如，一些高端手機采用了大尺寸的 CMOS 傳感器，在夜景拍攝方面表現(xiàn)出色。
3.圖像信號處理器（ISP）：ISP 負責對圖像傳感器輸出的原始電信號進行處理。它會對信號進行降噪、白平衡調整、色彩校正、對比度增強等操作，將原始的圖像數(shù)據(jù)轉換為我們在手機相冊中看到的高質量圖像。ISP 的性能會影響照片的色彩、清晰度、動態(tài)范圍等方面。一些手機廠商會自主研發(fā) ISP，以優(yōu)化特定場景下的拍攝效果，如蘋果的 A 系列芯片集成了強大的 ISP，能夠在人像模式下實現(xiàn)更好的背景虛化效果和人物膚色還原。
● 什么是智能硬件○ 拋出定義
● 我們身邊的智能硬件產品
1.智能家居類：
●智能音箱：像小愛音箱、天貓精靈等。它們內置了語音識別技術和智能語音助手，用戶可以通過語音指令讓音箱播放音樂、查詢天氣、設置鬧鐘、控制其他智能家電等。例如，當我們說 “小愛同學，播放一首周杰倫的歌曲”，智能音箱就能識別語音指令，從網絡上搜索并播放相應的音樂。智能音箱通過 Wi-Fi 連接到家庭網絡，與其他智能設備形成聯(lián)動，構建智能家居生態(tài)系統(tǒng)。
●智能攝像頭：用于家庭安防，如小米智能攝像頭、360 智能攝像頭等。它們具備高清拍攝功能，支持夜視模式，能夠實時監(jiān)控家庭環(huán)境。通過手機應用程序，用戶可以遠程查看攝像頭拍攝的畫面，當攝像頭檢測到異常移動時，會及時向用戶的手機發(fā)送警報信息。一些智能攝像頭還支持雙向語音通話功能，用戶可以通過手機與家中的人進行對話。智能攝像頭一般通過 Wi-Fi 連接網絡，部分還支持存儲卡存儲或云存儲，方便用戶保存監(jiān)控視頻。
2.智能健康類：
●智能手環(huán)：如華為手環(huán)、小米手環(huán)等。它們可以實時監(jiān)測用戶的心率、睡眠質量、運動步數(shù)、卡路里消耗等健康數(shù)據(jù)。通過藍牙與手機連接，將采集到的數(shù)據(jù)同步到手機應用程序中，用戶可以在手機上查看自己的健康狀況統(tǒng)計圖表，了解自己的運動和健康趨勢。一些智能手環(huán)還具備運動模式識別功能，能夠自動識別用戶正在進行的運動項目，如跑步、游泳、騎行等，并記錄相應的運動數(shù)據(jù)。此外，智能手環(huán)還可以接收手機的來電、短信和其他通知提醒，方便用戶在運動時也不會錯過重要信息。
●智能血壓計：歐姆龍智能血壓計等產品。它與傳統(tǒng)血壓計相比，增加了智能連接功能。用戶測量血壓后，數(shù)據(jù)可以自動通過藍牙或 Wi-Fi 上傳到手機應用程序或云端，方便用戶隨時查看自己的血壓歷史數(shù)據(jù)。同時，一些智能血壓計還能根據(jù)用戶的血壓數(shù)據(jù)提供健康建議，如果血壓出現(xiàn)異常，會及時向用戶和用戶的家人發(fā)送提醒信息，方便用戶關注自己的健康狀況，也便于家人對用戶的健康進行遠程關懷和管理。
3.智能交通類：
●智能汽車：特斯拉汽車是智能汽車的典型代表。它配備了先進的自動駕駛輔助系統(tǒng)，通過攝像頭、雷達等多種傳感器感知周圍的道路環(huán)境和交通狀況，利用強大的車載芯片進行數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)自動泊車、自適應巡航、車道保持輔助等功能。智能汽車還具備智能互聯(lián)功能，支持在線地圖導航、音樂播放、軟件升級等，用戶可以通過手機應用程序遠程控制汽車的一些功能，如開鎖、啟動空調等。此外，智能汽車內部通常配備了大尺寸的觸摸屏，用戶可以通過觸摸操作來控制汽車的各種功能，提供更加便捷和智能的駕駛體驗。
●智能自行車：一些品牌推出的智能自行車，內置了 GPS 定位模塊、速度傳感器、心率傳感器等。通過手機應用程序，用戶可以查看自己的騎行路線、速度、距離、消耗的卡路里等數(shù)據(jù)，還能設置騎行目標并實時查看完成進度。部分智能自行車還具備防盜功能，當自行車被盜移動時，手機會收到警報信息，并且可以通過 GPS 定位找到自行車的位置。智能自行車通過藍牙與手機連接，為騎行愛好者提供了更豐富的騎行數(shù)據(jù)和智能化的使用體驗。
4.智能教育類：
●智能學習平板：如訊飛學習機等。這些平板內置了豐富的學習資源，涵蓋了各個學科的課程視頻、電子教材、練習題等。通過人工智能技術，學習平板可以根據(jù)學生的學習情況進行個性化學習推薦，例如，當學生在做數(shù)學練習題時，平板會根據(jù)學生的答題情況分析出學生的薄弱知識點，然后針對性地推送相關的學習資料和練習題，幫助學生鞏固知識。智能學習平板還支持家長管控功能，家長可以通過手機應用程序設置孩子使用平板的時間、限制訪問的應用程序等，確保孩子合理使用電子設備進行學習。
●智能機器人教育產品：如大疆機甲大師 RoboMaster S1 等。這類產品融合了編程、機器人控制、人工智能等知識，通過圖形化編程界面，讓學生可以輕松為機器人編寫程序，控制機器人完成各種動作和任務，如前進、后退、轉彎、射擊等。在編程過程中，學生可以學習到編程邏輯、數(shù)學知識等，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和動手能力。同時，一些智能機器人教育產品還支持多人對戰(zhàn)功能，學生可以通過手機或遙控器操控機器人進行競技比賽，增加學習的趣味性和互動性。
● 開發(fā)板的組成
