“雙創(chuàng )”教育背景下的“電腦鼠”迷宮機器人在高校專(zhuān)業(yè)人才培養的設計與應用*

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

1 基于電腦鼠的教學(xué)應用

1.1 電腦鼠簡(jiǎn)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流行開(kāi)來(lái)。電腦鼠比賽場(chǎng)地是由16×16 個(gè)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，在已探明的迷宮結構中找出從起點(diǎn)到達終點(diǎn)的最短路徑，并在返回起點(diǎn)后進(jìn)行沖刺。最終的比賽成績(jì)與電腦鼠完成這一過(guò)程的時(shí)間有關(guān)。

圖1 電腦鼠教學(xué)涉及的能力培養方向

1.2 電腦鼠應用于教學(xué)的作用

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

1）硬件設計上的教學(xué)作用

在進(jìn)行電腦鼠硬件電路的教學(xué)時(shí)，學(xué)生可以在學(xué)習的過(guò)程中，學(xué)習到各種元器件在電路中的作用、實(shí)際項目中常見(jiàn)的功能電路、元器件的參數選定以及PCB 的設計規則與標準。

2）軟件編程上的教學(xué)作用

電腦鼠在完成硬件設計后，就需要對電腦鼠的硬件進(jìn)行編程。這一過(guò)程中，需要去讀取傳感器獲得的數據、完成對電機的控制、完成電源電壓的實(shí)時(shí)檢測等程序需求，通過(guò)完成電腦鼠程序編寫(xiě)實(shí)現功能的這一過(guò)程中，學(xué)生可以在真正的工程實(shí)踐中獲得一定的項目開(kāi)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(shí)最短路徑的選擇，而實(shí)現這樣功能離不開(kāi)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(jià)值，因此在教學(xué)中，通過(guò)對電腦鼠目前常見(jiàn)算法的講解，去引導學(xué)生思考如何改進(jìn)算法來(lái)優(yōu)化電腦鼠的成績(jì)。并在這一過(guò)程中讓學(xué)生積累一定的實(shí)際應用經(jīng)驗。

4）控制上的教學(xué)作用

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

5）調試上的教學(xué)作用

在一個(gè)完整的工程中，調試是最后一個(gè)環(huán)節。而這一環(huán)節也直接影響著(zhù)工程設計的實(shí)際效果。因此，讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手去完成電腦鼠的調試環(huán)節可以培養學(xué)生的調試能力，讓學(xué)生在實(shí)踐的過(guò)程中學(xué)會(huì )常用的調試手段與問(wèn)題查找的方法，增強學(xué)生的問(wèn)題解決能力，并讓學(xué)生擁有一定的實(shí)際項目調試的經(jīng)驗。

圖2 電機驅動(dòng)電路原理圖

2 適用于教學(xué)的電腦鼠設計

2.1 電腦鼠硬件的設計

電腦鼠硬件的選擇主要在兩個(gè)方面：電機種類(lèi)的選擇和傳感器種類(lèi)的選擇。而本設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(chǎng)景對原有比賽的電腦鼠設計做出了改進(jìn)。

電機的選擇是電腦鼠可以實(shí)現高精度閉環(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(jìn)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(shí)現較高速度的同時(shí)滿(mǎn)足較高的精度要求，同時(shí)，使學(xué)生可以在實(shí)踐中學(xué)習到電機的閉環(huán)控制等內容。電機驅動(dòng)電路原理圖如圖2 所示。

傳感器作為將外界環(huán)境信息轉換成數字信息的重要媒介，也是學(xué)生在工程實(shí)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(jué)傳感器。紅外線(xiàn)是一種波長(cháng)介于可見(jiàn)光與微波之間的一種電磁波，因此它具有可見(jiàn)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(kāi)關(guān)。

適用于近距離的障礙物識別，且識別精度較高、結構簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高。在工業(yè)生產(chǎn)及機器人上有著(zhù)廣泛的應用，適合學(xué)生進(jìn)行學(xué)習。因此本設計采用紅外傳感器方案用來(lái)進(jìn)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(jìn)，本設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 電腦鼠算法的設計

本設計根據比賽規則中是否將探索時(shí)間計入總時(shí)間將電腦鼠的探索策略分成兩種不同的情況，在實(shí)際的教學(xué)中也可以更好的引導學(xué)生對算法的設計與改進(jìn)進(jìn)行思考。

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

2）蟻群算法原理與教學(xué)意義

蟻群算法用來(lái)規劃最優(yōu)路徑在近些年越來(lái)越成熟，它的運行原理可以通過(guò)圖4 進(jìn)行解釋。圖4（a）中有一條螞蟻活動(dòng)的路徑（從A 到E，假設A 為螞蟻的巢穴E 為食物），假設障礙物出現在A(yíng) 和E 之間切斷了原有的路徑，螞蟻在B 點(diǎn)以及D 點(diǎn)時(shí)就必須選擇前進(jìn)的方向是向左還是向右，在初始階段兩點(diǎn)螞蟻向左和向右的概率是相同的，但隨著(zhù)螞蟻從B 點(diǎn)到達D 點(diǎn)（或者從D 點(diǎn)到達B 點(diǎn)），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(gè)螞蟻進(jìn)行選擇時(shí)將會(huì )大概率選擇外激素濃度高的BCD 路徑，而這會(huì )進(jìn)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(huì )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)域中新出現的一種啟發(fā)式仿生類(lèi)并行智能進(jìn)化系統 該算法采用分布式并行計算和正反饋機制, 易于與其他方法結合, 是一種很有前途的仿生優(yōu)化算法。隨著(zhù)人類(lèi)認識的進(jìn)步和社會(huì )發(fā)展的加速仿生智能及最優(yōu)化系統理論將越來(lái)越成為科學(xué)認識和工程實(shí)踐的有力工具蟻群算法理論及其應用的研究必將是一個(gè)長(cháng)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(shí)用價(jià)值^[2]。

電腦鼠將探索出兩條路徑：從起點(diǎn)到達終點(diǎn)時(shí)探明的第一條道路；從終點(diǎn)返回起點(diǎn)時(shí)再探明出另外一條新的道路。在探索結束后，利用兩次探明的迷宮信息，使用DFS 算法找出用時(shí)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(shù)或圖的算法, 沿著(zhù)樹(shù)的深度遍歷樹(shù)的節點(diǎn), 盡可能深地搜索樹(shù)的分支。而在電腦鼠到達終點(diǎn)時(shí), 電腦鼠在探索過(guò)程中的迷宮信息都將保留下來(lái), 將電腦鼠走過(guò)的軌跡創(chuàng )建為1 個(gè)新的迷宮，將迷宮的數據導入到DFS 算法中，DFS 的本質(zhì)就是窮舉法，DFS 開(kāi)始遍歷迷宮的各分支找出1 個(gè)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航數據以及再次沖刺時(shí)的數據導航^[3]。

2.3 電腦鼠配套內容的設計

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

由于學(xué)生間的基礎不同且相差較大，本項目的初始教學(xué)資料并不適用于部分基礎較差的同學(xué)，由于沒(méi)有一定的基礎，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(shí)現不同功能的基本代碼。因此本項目對教學(xué)材料進(jìn)行了改進(jìn)，增加了基礎的硬件電路知識的講解以及完善了代碼的注釋?zhuān)黾恿藢﹄娐泛统绦虻囊曨l講解教程，并對教學(xué)的順序進(jìn)行調整，使學(xué)生可以在循序漸進(jìn)中較為輕松的掌握所教學(xué)的內容。

在教學(xué)中完成元器件焊接以及代碼編寫(xiě)的教學(xué)后，走迷宮小車(chē)需在迷宮中進(jìn)行參數的調節，原參數調整的過(guò)程往往較為費時(shí)費力，本設計采用藍牙發(fā)送數據的方式，將電腦鼠運行過(guò)程中的傳感器讀數實(shí)時(shí)讀取并顯示在電腦的終端上，實(shí)現了數據的實(shí)時(shí)可視化，使參數調節難度大幅下降。

在走迷宮小車(chē)進(jìn)行有關(guān)參數的調節時(shí)，學(xué)生頻繁進(jìn)行實(shí)驗、參數改寫(xiě)、程序燒錄的過(guò)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，使用數據線(xiàn)連接進(jìn)行燒錄。為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，因此本設計采用藍牙的方式進(jìn)行程序燒錄，在實(shí)現這一功能的改進(jìn)后，極大地簡(jiǎn)化了小車(chē)調試的過(guò)程。

在教學(xué)結束后，學(xué)生經(jīng)常有進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)改進(jìn)的想法。對此，本設計對原電腦鼠的PCB 進(jìn)行了重新設計，預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(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足學(xué)生二次開(kāi)發(fā)的需求。

3 結束語(yǔ)

在如今高校人才培養的環(huán)境下，傳統實(shí)踐課程內容較難滿(mǎn)足當前對人才培養的新要求。同時(shí)當前多學(xué)科融合教學(xué)以及實(shí)踐教學(xué)上的課程較少。本項目設計通過(guò)對電腦鼠進(jìn)行針對教學(xué)的改進(jìn)、完善電腦鼠的教學(xué)材料、以及在高校教學(xué)試點(diǎn)中針對教學(xué)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，最終形成了一套較為成熟的教學(xué)內容。使學(xué)生可以在項目實(shí)踐課程中對硬件設計、程序編寫(xiě)、算法研究、項目調試等內容進(jìn)行學(xué)習與實(shí)踐，真正做到學(xué)科的融合實(shí)踐。通過(guò)收集試點(diǎn)教學(xué)后的反饋，發(fā)現學(xué)生可以在這一過(guò)程中積累一定的項目經(jīng)驗，且工程實(shí)踐能力也也有較為實(shí)質(zhì)性的提升。符合本項目實(shí)踐教學(xué)的預期。

參考文獻：

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

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）