“双创”教育背景下的“电脑鼠”迷宫机器人在高校专业人才培养的设计与应用

常家豪　祝朝坤

关键词：电脑鼠; 学科融合; 实践教学*

1 基于电脑鼠的教学应用

1.1 电脑鼠简介

电脑鼠的概念起源于1977 年在美国举行的第1届电脑鼠的比赛，至此电脑鼠的概念便迅速的在世界范围内流行开来。电脑鼠比赛场地是由16×16 个18 cm×18 cm 的方格组成的迷宫，电脑鼠首先需要完成对迷宫的探索，在已探明的迷宫结构中找出从起点到达终点的最短路径，并在返回起点后进行冲刺。最终的比赛成绩与电脑鼠完成这一过程的时间有关。

1.2 电脑鼠应用于教学的作用

电脑鼠作为智能移动机器人的一个分支，它的设计过程包含了电子信息、程序设计、自动控制、传感器、测试、机械工程等技术领域，且电脑鼠的设计制作过程有较为完整的工程体系。因此，在教学上有着多方面的作用，如图1 所示。

1）硬件设计上的教学作用

在进行电脑鼠硬件电路的教学时，学生可以在学习的过程中，学习到各种元器件在电路中的作用、实际项目中常见的功能电路、元器件的参数选定以及PCB 的设计规则与标准。

2）软件编程上的教学作用

电脑鼠在完成硬件设计后，就需要对电脑鼠的硬件进行编程。这一过程中，需要去读取传感器获得的数据、完成对电机的控制、完成电源电压的实时检测等程序需求，通过完成电脑鼠程序编写实现功能的这一过程中，学生可以在真正的工程实践中获得一定的项目开发经验。

3）算法上的教学作用

电脑鼠在走迷宫的比赛中需要自主完成迷宫的探索以及用时最短路径的选择，而实现这样功能离不开算法的研究。电脑鼠的迷宫探索算法以及路径选择算法具有深入研究的价值，因此在教学中，通过对电脑鼠目前常见算法的讲解，去引导学生思考如何改进算法来优化电脑鼠的成绩。并在这一过程中让学生积累一定的实际应用经验。

4）控制上的教学作用

电脑鼠的控制主要体现在对电脑鼠两侧电机的控制上。而电脑鼠在迷宫中移动需要对电机进行精确的控制，通过对电机控制这一过程的教学，可以使学生在实践中去学习PID 控制、电机闭环控制等。

5）调试上的教学作用

在一个完整的工程中，调试是最后一个环节。而这一环节也直接影响着工程设计的实际效果。因此，让学生实际动手去完成电脑鼠的调试环节可以培养学生的调试能力，让学生在实践的过程中学会常用的调试手段与问题查找的方法，增強学生的问题解决能力，并让学生拥有一定的实际项目调试的经验。

2 适用于教学的电脑鼠设计

2.1 电脑鼠硬件的设计

电脑鼠硬件的选择主要在两个方面：电机种类的选择和传感器种类的选择。而本设计中则是采用直流电机方案以及红外传感器方案，并针对以教学为目的的适用场景对原有比赛的电脑鼠设计做出了改进。

电机的选择是电脑鼠可以实现高精度闭环控制的关键，而目前电脑鼠电机的选择主要是在普通直流电机以及步进电机两者之间。在直流电机的方案中，由于直流电机的功耗较小、速度较快，而且由于直流电机出现较早，其控制相对其它电机较为成熟。因此使用直流电机可以使电脑鼠在实现较高速度的同时满足较高的精度要求，同时，使学生可以在实践中学习到电机的闭环控制等内容。电机驱动电路原理图如图2 所示。

传感器作为将外界环境信息转换成数字信息的重要媒介，也是学生在工程实践中不可或缺的部分。目前较为合适的传感器主要有3 种：超声波传感器、红外传感器、视觉传感器。红外线是一种波长介于可见光与微波之间的一种电磁波，因此它具有可见光的特性以及微波的某些特性。目前使用较多的是红外光电开关。

适用于近距离的障碍物识别，且识别精度较高、结构简单、成本低、灵敏度高。在工业生产及机器人上有着广泛的应用，适合学生进行学习。因此本设计采用红外传感器方案用来进行传感器方面的教学。针对上文提及的适用于教学需求的改进，本设计中的硬件部分最终效果如图3 所示。

2.2 电脑鼠算法的设计

本设计根据比赛规则中是否将探索时间计入总时间将电脑鼠的探索策略分成两种不同的情况，在实际的教学中也可以更好的引导学生对算法的设计与改进进行思考。

1）在没有将探索时间计入总成绩的规则下，电脑鼠可以对迷宫进行全局探索，将迷宫每个单位的位置以及与邻近单位的通断关系保存记录，在探索结束后使用蚁群算法找出用时最短的路线。

2）蚁群算法原理与教学意义

蚁群算法用来规划最优路径在近些年越来越成熟，它的运行原理可以通过图4 进行解释。图4（a）中有一条蚂蚁活动的路径（从A 到E，假设A 为蚂蚁的巢穴E 为食物），假设障碍物出现在A 和E 之间切断了原有的路径，蚂蚁在B 点以及D 点时就必须选择前进的方向是向左还是向右，在初始阶段两点蚂蚁向左和向右的概率是相同的，但随着蚂蚁从B 点到达D 点（或者从D 点到达B 点），路径BCD 上的外激素浓度将大于路径BHD 上的外激素浓度，在下一个蚂蚁进行选择时将会大概率选择外激素浓度高的BCD 路径，而这会进一步增加两条路径上外激素的浓度差，从而使蚂蚁选择BCD 路径的概率不断增加，最终在正反馈的作用下，蚂蚁的路径会固定在距离最短的BCD 路径上[1]。

蚁群算法是近几年优化领域中新出现的一种启发式仿生类并行智能进化系统 该算法采用分布式并行计算和正反馈机制， 易于与其他方法结合， 是一种很有前途的仿生优化算法。随着人类认识的进步和社会发展的加速仿生智能及最优化系统理论将越来越成为科学认识和工程实践的有力工具蚁群算法理论及其应用的研究必将是一个长期的研究课题。蚁群算法这一新兴的仿生优化算法必将展现出更加广阔、更加引人注目的发展前景。因此，加入蚁群算法的教学具有较高的实用价值[2]。

电脑鼠将探索出两条路径：从起点到达终点时探明的第一条道路；从终点返回起点时再探明出另外一条新的道路。在探索结束后，利用两次探明的迷宫信息，使用DFS 算法找出用时最短的路径作为最后冲刺的路径。

DFS 是一种用于遍历或搜索树或图的算法， 沿着树的深度遍历树的节点， 尽可能深地搜索树的分支。而在电脑鼠到达终点时， 电脑鼠在探索过程中的迷宫信息都将保留下来， 将电脑鼠走过的轨迹创建为1 个新的迷宫，将迷宫的数据导入到DFS 算法中，DFS 的本质就是穷举法，DFS 开始遍历迷宫的各分支找出1 个最短的分支。并将分支的位置信息保存在Flash 中， 用于电脑鼠返回的导航数据以及再次冲刺时的数据导航[3]。

2.3 电脑鼠配套内容的设计

为了使电脑鼠可以更好地应用于实践教学中，本设计对配套资料与软件进行了针对教学应用的优化。

由于学生间的基础不同且相差较大，本项目的初始教学资料并不适用于部分基础较差的同学，由于没有一定的基础，这些同学在教学中普遍较难理解不同功能的硬件电路，以及实现不同功能的基本代码。因此本项目对教学材料进行了改进，增加了基础的硬件电路知识的讲解以及完善了代码的注释，增加了对电路和程序的视频讲解教程，并对教学的顺序进行调整，使学生可以在循序渐进中较为轻松的掌握所教学的内容。

在教学中完成元器件焊接以及代码编写的教学后，走迷宫小车需在迷宫中进行参数的调节，原参数调整的过程往往较为费时费力，本设计采用蓝牙发送数据的方式，将电脑鼠运行过程中的传感器读数实时读取并显示在电脑的终端上，实现了数据的实时可视化，使参数调节难度大幅下降。

在走迷宫小车进行有关参数的调节时，学生频繁进行实验、参数改写、程序烧录的过程，而程序烧录这一步骤较为繁琐，每一次的烧录都需要将电脑鼠从跑道上取出，使用数据线连接进行烧录。为了简化这一过程，因此本设计采用蓝牙的方式进行程序烧录，在实现这一功能的改进后，极大地简化了小车调试的过程。

在教学结束后，学生经常有进行二次开发改进的想法。對此，本设计对原电脑鼠的PCB 进行了重新设计，预留了常用的传感器接口，以及部分闲置的IO口，用于电脑鼠的二次开发，满足学生二次开发的需求。

3 结束语

在如今高校人才培养的环境下，传统实践课程内容较难满足当前对人才培养的新要求。同时当前多学科融合教学以及实践教学上的课程较少。本项目设计通过对电脑鼠进行针对教学的改进、完善电脑鼠的教学材料、以及在高校教学试点中针对教学实际情况进行改进，最终形成了一套较为成熟的教学内容。使学生可以在项目实践课程中对硬件设计、程序编写、算法研究、项目调试等内容进行学习与实践，真正做到学科的融合实践。通过收集试点教学后的反馈，发现学生可以在这一过程中积累一定的项目经验，且工程实践能力也也有较为实质性的提升。符合本项目实践教学的预期。