“雙創(chuàng)”教育背景下的“電腦鼠”迷宮機器人在高校專業(yè)人才培養(yǎng)的設(shè)計與應(yīng)用*

*基金項目：河南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：s202213507002

1 基于電腦鼠的教學(xué)應(yīng)用

1.1 電腦鼠簡介

電腦鼠的概念起源于1977 年在美國舉行的第1屆電腦鼠的比賽，至此電腦鼠的概念便迅速的在世界范圍內(nèi)流行開來。電腦鼠比賽場地是由16×16 個18 cm×18 cm 的方格組成的迷宮，電腦鼠首先需要完成對迷宮的探索，在已探明的迷宮結(jié)構(gòu)中找出從起點到達(dá)終點的最短路徑，并在返回起點后進行沖刺。最終的比賽成績與電腦鼠完成這一過程的時間有關(guān)。

圖1 電腦鼠教學(xué)涉及的能力培養(yǎng)方向

1.2 電腦鼠應(yīng)用于教學(xué)的作用

電腦鼠作為智能移動機器人的一個分支，它的設(shè)計過程包含了電子信息、程序設(shè)計、自動控制、傳感器、測試、機械工程等技術(shù)領(lǐng)域，且電腦鼠的設(shè)計制作過程有較為完整的工程體系。因此，在教學(xué)上有著多方面的作用，如圖1所示。

1）硬件設(shè)計上的教學(xué)作用

在進行電腦鼠硬件電路的教學(xué)時，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)習(xí)到各種元器件在電路中的作用、實際項目中常見的功能電路、元器件的參數(shù)選定以及PCB 的設(shè)計規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)。

2）軟件編程上的教學(xué)作用

電腦鼠在完成硬件設(shè)計后，就需要對電腦鼠的硬件進行編程。這一過程中，需要去讀取傳感器獲得的數(shù)據(jù)、完成對電機的控制、完成電源電壓的實時檢測等程序需求，通過完成電腦鼠程序編寫實現(xiàn)功能的這一過程中，學(xué)生可以在真正的工程實踐中獲得一定的項目開發(fā)經(jīng)驗。

3）算法上的教學(xué)作用

電腦鼠在走迷宮的比賽中需要自主完成迷宮的探索以及用時最短路徑的選擇，而實現(xiàn)這樣功能離不開算法的研究。電腦鼠的迷宮探索算法以及路徑選擇算法具有深入研究的價值，因此在教學(xué)中，通過對電腦鼠目前常見算法的講解，去引導(dǎo)學(xué)生思考如何改進算法來優(yōu)化電腦鼠的成績。并在這一過程中讓學(xué)生積累一定的實際應(yīng)用經(jīng)驗。

4）控制上的教學(xué)作用

電腦鼠的控制主要體現(xiàn)在對電腦鼠兩側(cè)電機的控制上。而電腦鼠在迷宮中移動需要對電機進行精確的控制，通過對電機控制這一過程的教學(xué)，可以使學(xué)生在實踐中去學(xué)習(xí)PID 控制、電機閉環(huán)控制等。

5）調(diào)試上的教學(xué)作用

在一個完整的工程中，調(diào)試是最后一個環(huán)節(jié)。而這一環(huán)節(jié)也直接影響著工程設(shè)計的實際效果。因此，讓學(xué)生實際動手去完成電腦鼠的調(diào)試環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)試能力，讓學(xué)生在實踐的過程中學(xué)會常用的調(diào)試手段與問題查找的方法，增強學(xué)生的問題解決能力，并讓學(xué)生擁有一定的實際項目調(diào)試的經(jīng)驗。

圖2 電機驅(qū)動電路原理圖

2 適用于教學(xué)的電腦鼠設(shè)計

2.1 電腦鼠硬件的設(shè)計

電腦鼠硬件的選擇主要在兩個方面：電機種類的選擇和傳感器種類的選擇。而本設(shè)計中則是采用直流電機方案以及紅外傳感器方案，并針對以教學(xué)為目的的適用場景對原有比賽的電腦鼠設(shè)計做出了改進。

電機的選擇是電腦鼠可以實現(xiàn)高精度閉環(huán)控制的關(guān)鍵，而目前電腦鼠電機的選擇主要是在普通直流電機以及步進電機兩者之間。在直流電機的方案中，由于直流電機的功耗較小、速度較快，而且由于直流電機出現(xiàn)較早，其控制相對其它電機較為成熟。因此使用直流電機可以使電腦鼠在實現(xiàn)較高速度的同時滿足較高的精度要求，同時，使學(xué)生可以在實踐中學(xué)習(xí)到電機的閉環(huán)控制等內(nèi)容。電機驅(qū)動電路原理圖如圖2 所示。

傳感器作為將外界環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的重要媒介，也是學(xué)生在工程實踐中不可或缺的部分。目前較為合適的傳感器主要有3 種：超聲波傳感器、紅外傳感器、視覺傳感器。紅外線是一種波長介于可見光與微波之間的一種電磁波，因此它具有可見光的特性以及微波的某些特性。目前使用較多的是紅外光電開關(guān)。

適用于近距離的障礙物識別，且識別精度較高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈敏度高。在工業(yè)生產(chǎn)及機器人上有著廣泛的應(yīng)用，適合學(xué)生進行學(xué)習(xí)。因此本設(shè)計采用紅外傳感器方案用來進行傳感器方面的教學(xué)。針對上文提及的適用于教學(xué)需求的改進，本設(shè)計中的硬件部分最終效果如圖3 所示。

圖3 電腦鼠迷宮機器人PCB效果圖

2.2 電腦鼠算法的設(shè)計

本設(shè)計根據(jù)比賽規(guī)則中是否將探索時間計入總時間將電腦鼠的探索策略分成兩種不同的情況，在實際的教學(xué)中也可以更好的引導(dǎo)學(xué)生對算法的設(shè)計與改進進行思考。

1）在沒有將探索時間計入總成績的規(guī)則下，電腦鼠可以對迷宮進行全局探索，將迷宮每個單位的位置以及與鄰近單位的通斷關(guān)系保存記錄，在探索結(jié)束后使用蟻群算法找出用時最短的路線。

2）蟻群算法原理與教學(xué)意義

蟻群算法用來規(guī)劃最優(yōu)路徑在近些年越來越成熟，它的運行原理可以通過圖4 進行解釋。圖4（a）中有一條螞蟻活動的路徑（從A 到E，假設(shè)A 為螞蟻的巢穴E 為食物），假設(shè)障礙物出現(xiàn)在A 和E 之間切斷了原有的路徑，螞蟻在B 點以及D 點時就必須選擇前進的方向是向左還是向右，在初始階段兩點螞蟻向左和向右的概率是相同的，但隨著螞蟻從B 點到達(dá)D 點（或者從D 點到達(dá)B 點），路徑BCD 上的外激素濃度將大于路徑BHD 上的外激素濃度，在下一個螞蟻進行選擇時將會大概率選擇外激素濃度高的BCD 路徑，而這會進一步增加兩條路徑上外激素的濃度差，從而使螞蟻選擇BCD 路徑的概率不斷增加，最終在正反饋的作用下，螞蟻的路徑會固定在距離最短的BCD 路徑上^[1]。

圖4 蟻群算法圖示

蟻群算法是近幾年優(yōu)化領(lǐng)域中新出現(xiàn)的一種啟發(fā)式仿生類并行智能進化系統(tǒng) 該算法采用分布式并行計算和正反饋機制, 易于與其他方法結(jié)合, 是一種很有前途的仿生優(yōu)化算法。隨著人類認(rèn)識的進步和社會發(fā)展的加速仿生智能及最優(yōu)化系統(tǒng)理論將越來越成為科學(xué)認(rèn)識和工程實踐的有力工具蟻群算法理論及其應(yīng)用的研究必將是一個長期的研究課題。蟻群算法這一新興的仿生優(yōu)化算法必將展現(xiàn)出更加廣闊、更加引人注目的發(fā)展前景。因此，加入蟻群算法的教學(xué)具有較高的實用價值^[2]。

電腦鼠將探索出兩條路徑：從起點到達(dá)終點時探明的第一條道路；從終點返回起點時再探明出另外一條新的道路。在探索結(jié)束后，利用兩次探明的迷宮信息，使用DFS 算法找出用時最短的路徑作為最后沖刺的路徑。

DFS 是一種用于遍歷或搜索樹或圖的算法, 沿著樹的深度遍歷樹的節(jié)點, 盡可能深地搜索樹的分支。而在電腦鼠到達(dá)終點時, 電腦鼠在探索過程中的迷宮信息都將保留下來, 將電腦鼠走過的軌跡創(chuàng)建為1 個新的迷宮，將迷宮的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DFS 算法中，DFS 的本質(zhì)就是窮舉法，DFS 開始遍歷迷宮的各分支找出1 個最短的分支。并將分支的位置信息保存在Flash 中, 用于電腦鼠返回的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及再次沖刺時的數(shù)據(jù)導(dǎo)航^[3]。

2.3 電腦鼠配套內(nèi)容的設(shè)計

為了使電腦鼠可以更好地應(yīng)用于實踐教學(xué)中，本設(shè)計對配套資料與軟件進行了針對教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)化。

由于學(xué)生間的基礎(chǔ)不同且相差較大，本項目的初始教學(xué)資料并不適用于部分基礎(chǔ)較差的同學(xué)，由于沒有一定的基礎(chǔ)，這些同學(xué)在教學(xué)中普遍較難理解不同功能的硬件電路，以及實現(xiàn)不同功能的基本代碼。因此本項目對教學(xué)材料進行了改進，增加了基礎(chǔ)的硬件電路知識的講解以及完善了代碼的注釋，增加了對電路和程序的視頻講解教程，并對教學(xué)的順序進行調(diào)整，使學(xué)生可以在循序漸進中較為輕松的掌握所教學(xué)的內(nèi)容。

在教學(xué)中完成元器件焊接以及代碼編寫的教學(xué)后，走迷宮小車需在迷宮中進行參數(shù)的調(diào)節(jié)，原參數(shù)調(diào)整的過程往往較為費時費力，本設(shè)計采用藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，將電腦鼠運行過程中的傳感器讀數(shù)實時讀取并顯示在電腦的終端上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時可視化，使參數(shù)調(diào)節(jié)難度大幅下降。

在走迷宮小車進行有關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)時，學(xué)生頻繁進行實驗、參數(shù)改寫、程序燒錄的過程，而程序燒錄這一步驟較為繁瑣，每一次的燒錄都需要將電腦鼠從跑道上取出，使用數(shù)據(jù)線連接進行燒錄。為了簡化這一過程，因此本設(shè)計采用藍(lán)牙的方式進行程序燒錄，在實現(xiàn)這一功能的改進后，極大地簡化了小車調(diào)試的過程。

在教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生經(jīng)常有進行二次開發(fā)改進的想法。對此，本設(shè)計對原電腦鼠的PCB 進行了重新設(shè)計，預(yù)留了常用的傳感器接口，以及部分閑置的IO 口，用于電腦鼠的二次開發(fā)，滿足學(xué)生二次開發(fā)的需求。

3 結(jié)束語

在如今高校人才培養(yǎng)的環(huán)境下，傳統(tǒng)實踐課程內(nèi)容較難滿足當(dāng)前對人才培養(yǎng)的新要求。同時當(dāng)前多學(xué)科融合教學(xué)以及實踐教學(xué)上的課程較少。本項目設(shè)計通過對電腦鼠進行針對教學(xué)的改進、完善電腦鼠的教學(xué)材料、以及在高校教學(xué)試點中針對教學(xué)實際情況進行改進，最終形成了一套較為成熟的教學(xué)內(nèi)容。使學(xué)生可以在項目實踐課程中對硬件設(shè)計、程序編寫、算法研究、項目調(diào)試等內(nèi)容進行學(xué)習(xí)與實踐，真正做到學(xué)科的融合實踐。通過收集試點教學(xué)后的反饋，發(fā)現(xiàn)學(xué)生可以在這一過程中積累一定的項目經(jīng)驗，且工程實踐能力也也有較為實質(zhì)性的提升。符合本項目實踐教學(xué)的預(yù)期。

參考文獻：

[1] 溫文波,杜 維.蟻群算法概述[J].石油化工自動化,2002(1):32-36.

[2] 段海濱,王 道波,于秀芬.蟻群算法的研究現(xiàn)狀及其展望[J].中國工程科學(xué),2007(2):17-23.

[3] 祝朝坤,韓 彥凈,谷會斌.基于STM32與DFS算法的電腦鼠的研究與設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界,2022,29(6):64-68.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）