激光控制下的智能化防塵黑板擦設(shè)計

郝藝婷，董悅寧

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000）

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，特別是智能化控制技術(shù)在近年來得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量在不斷地提高。同時，對工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)保技術(shù)和節(jié)能技術(shù)性能方面的要求顯得更為重要，這兩項(xiàng)技術(shù)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著使用者身體健康和投入成本的高低。

黑板擦作為教學(xué)系統(tǒng)中必不可少的教學(xué)工具，有著極其重要的作用。普通粉筆以熟石灰[Ca（OH）2]為原料制成，在板書和擦除過程中產(chǎn)生大量的粉末，對人體肺部傷害很大，嚴(yán)重影響師生健康，而且影響了投影儀、電腦等教學(xué)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)。

為克服傳統(tǒng)黑板使粉筆造成的粉塵對環(huán)境的污染等弊端，近幾年研制出一些新型產(chǎn)品，如無塵粉筆配黑板、水彩筆配白板的組合使用、自動化黑板擦。無塵粉筆雖在板書過程中不會產(chǎn)生大量粉塵，但在一些板書量較大的課堂上，如數(shù)理化課堂，板書清除是一個既費(fèi)時又費(fèi)力的過程；使用白板板書過程中水彩筆水的有機(jī)書寫液散發(fā)的氣味同樣對人身體有害；市場上目前的自動黑板擦只可一次性擦除整個板書，在修改板書細(xì)節(jié)時仍需教師親自擦除。這些問題的存在仍然困擾著使用者，嚴(yán)重影響了授課效果，浪費(fèi)能源，不能滿足環(huán)保要求。

本文所設(shè)計的智能化防塵黑板擦，是在現(xiàn)行自動黑板擦的基礎(chǔ)上，通過激光筆遙控對指定區(qū)域內(nèi)字跡進(jìn)行擦除的自動化裝置，有效地避免了人與黑板擦的直接接觸，且操作簡便，使用靈活，使教學(xué)更加人性化，既可解放雙手，又可極大地減小粉塵對人的危害。智能化黑板擦的設(shè)計將從根本上解決傳統(tǒng)自動黑板擦操作靈活性差、除塵效果欠佳的不足，能有效提高教師的授課效率，避免教師身體因板書時產(chǎn)生的粉塵或氣味而受到不良影響，達(dá)到節(jié)能、高效、無環(huán)境污染的良好效果，具有可靠的實(shí)用價值及良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，前景廣闊。

1 裝置設(shè)計構(gòu)思

在基本實(shí)現(xiàn)教學(xué)計算機(jī)全覆蓋的現(xiàn)狀下，使黑板擦智能化：教師手握激光筆，通過激光引導(dǎo)劃定擦除范圍，利用USB 鏡頭記錄激光軌跡圖像，系統(tǒng)自動識別激光的軌跡和覆蓋范圍，自動黑板擦裝置根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息快速作出反應(yīng)，準(zhǔn)確地運(yùn)動到指定區(qū)域進(jìn)行擦除工作。防塵黑板擦裝置主要包括無線控制模塊、防塵模塊和傳動模塊三個部分；PC機(jī)作為控制系統(tǒng)，分為區(qū)域識別模塊和無線控制模塊；外部設(shè)備包括激光筆和USB 鏡頭。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 無線控制模塊

外部激光筆與自動黑板擦裝置和PC 機(jī)通過藍(lán)牙無線連接和控制，使整個系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)映射，使裝置穩(wěn)定運(yùn)行。激光筆為信號發(fā)射端，自動黑板擦為信號接收端，控制系統(tǒng)既為信號接收端也為信號發(fā)射端。隨著按下激光按鈕并手動劃出擦除范圍的同時，USB 鏡頭捕捉激光點(diǎn)軌跡，控制端接收到軌跡信號并編譯為黑板擦運(yùn)動信號，傳輸?shù)胶诎宀裂b置運(yùn)行。機(jī)械裝置中插入主控芯片來接收PC 控制端的命令以及驅(qū)動電機(jī)。

2.2 防塵模塊

黑板擦設(shè)計為矩形結(jié)構(gòu)，采用儲水方式進(jìn)行濕擦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干濕擦結(jié)合，技術(shù)難度低。矩形的四個邊為儲水海綿-擦布的結(jié)構(gòu)，通過細(xì)孔源源不斷獲取水流，實(shí)現(xiàn)濕擦；板擦中心為正常板擦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)干擦。

通過控制水的流速及流量，盡量縮短擦除后進(jìn)行板書的時間。水的流速及流量由儲水盒下端的細(xì)孔的大小和分布狀況確定，細(xì)孔的作用是令儲水盒中的水緩慢均勻流下，保證儲水海綿保持濕潤狀態(tài)。

黑板擦防塵結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 黑板擦防塵結(jié)構(gòu)

2.3 傳動模塊

基于機(jī)械傳動原理和黑板擦的摩擦力問題，在標(biāo)準(zhǔn)黑板面上，采用電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條的傳動方式，同時操作橫-縱方向的運(yùn)動，電機(jī)正轉(zhuǎn)時帶動黑板擦向右（下）運(yùn)動，反轉(zhuǎn)時帶動黑板擦向左（上）運(yùn)動，使黑板擦快速準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置完成工作。確定一個安全高效的裝置運(yùn)行速度，速度過快會存在安全隱患，且由于慣性會影響到黑板擦運(yùn)行終點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性，速度過慢則會影響效率。黑板擦裝置簡圖如圖2 所示。黑板擦實(shí)體模擬如圖3 所示。

圖2 黑板擦裝置簡圖

圖3 黑板擦實(shí)體模擬圖

2.4 區(qū)域識別模塊

基于深度學(xué)習(xí)中的分類問題，PC 機(jī)通過獲取的激光圖像，對激光的軌跡進(jìn)行識別與跟蹤，構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過卷積計算獲取目標(biāo)的軌跡和范圍面積等信息，劃分出待擦除區(qū)域，設(shè)計擦除軌跡和自動歸位的算法，明確黑板擦的擦除軌跡有助于改良黑板擦的擦除工作，而編寫歸位算法是令黑板擦在每次擦除工作后回到原位，以便于下次使用的關(guān)鍵方法，以保證裝置運(yùn)行到激光指定范圍進(jìn)行擦除工作的高準(zhǔn)確率。

3 結(jié)論

智能化防塵黑板擦的特色如下：采用儲水方式進(jìn)行濕擦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干濕擦結(jié)合，技術(shù)難度低。通過調(diào)整細(xì)孔大小和分布進(jìn)行水流控制，獲取最佳的濕擦效果，避免了頻繁添水操作；自動黑板擦裝置與激光筆和PC 機(jī)通過藍(lán)牙無線連接和控制，使整個系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)映射，實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行；將外部激光筆引導(dǎo)和內(nèi)部智能化有機(jī)結(jié)合，采用圖像智能識別技術(shù)，為使用者提供便捷；對黑板擦裝置進(jìn)行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，使黑板擦裝置運(yùn)動到指定位置，具有反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，且成本低，利于大范圍推廣。

防塵黑板擦裝置巧妙地采用激光筆觸發(fā)調(diào)節(jié)擦除范圍的方式啟動裝置運(yùn)行，既避免了師生與粉筆粉塵接觸，又使操作簡便且省力，極大地解放了師生的雙手，黑板擦采取干-濕結(jié)合的方式，利用細(xì)孔最大限度抑制粉塵飛揚(yáng)，將熱門的深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到教育實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)智能化教學(xué)，具有很高的實(shí)用價值。