對(duì)人工智能教育機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的分析

鄭 越

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展與普及，人工智能逐漸成為了科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，特別是引入到各個(gè)教育領(lǐng)域當(dāng)中，發(fā)揮出應(yīng)有的作用。我國(guó)教學(xué)事業(yè)的發(fā)展使教學(xué)重心轉(zhuǎn)移，一些編程、創(chuàng)客教育方式受到關(guān)注，越來(lái)越多的人們進(jìn)行了人工智能教育的嘗試。為了提升教學(xué)效果，就要設(shè)計(jì)出一個(gè)完善的機(jī)器人控制系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)高效率的教學(xué)開(kāi)展。

1 研究背景

伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，使得人工智能與教育進(jìn)行了全面的融合，這樣的發(fā)展態(tài)勢(shì)也逐漸成為了教育事業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要方向，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。2003年，人工智能初步當(dāng)作選修模塊，成為信息技術(shù)課程的一部分，這標(biāo)志著我國(guó)的人工智能教育工作進(jìn)入到了全新的發(fā)展階段。2017年之后，更是迎來(lái)了我國(guó)人工智能教育事業(yè)發(fā)展的變革與轉(zhuǎn)折點(diǎn)。所提出的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》當(dāng)中，明確指出人工智能是衡量一個(gè)國(guó)家未來(lái)發(fā)展和發(fā)展實(shí)力的關(guān)鍵指標(biāo)，因此大力推廣中小學(xué)階段的人工智能教育工作，同時(shí)制定出各種類(lèi)型的智能型課程，將其納入到教育體系當(dāng)中。從這樣的角度來(lái)看，當(dāng)下人工智能教育成為了我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略的發(fā)展規(guī)劃內(nèi)容組成。

2 核心技術(shù)概念

2.1 人工智能

當(dāng)下在進(jìn)行發(fā)展的進(jìn)程中，所提出的人工智能，是一種基于機(jī)器為主要載體的模擬，或者對(duì)于人類(lèi)智能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。人工智能當(dāng)下可拆分為兩個(gè)重要部分進(jìn)行區(qū)別和理解，其中人工代指人造、人為的概念，也是利用人力可以生產(chǎn)與制造的方式。而智能的實(shí)現(xiàn)，則是進(jìn)行人類(lèi)智能化的具象化展現(xiàn)。例如，首先是將大腦當(dāng)作載體的主要記憶，之后還要在進(jìn)行推理、分析以及探索的過(guò)程中，積極創(chuàng)造出更多的思維。其次，則是利用感知的方式，獲取到更多的信息感知能力。最后，利用接口等設(shè)備，進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)行為能力的實(shí)現(xiàn)。這是一種涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息論、統(tǒng)計(jì)學(xué)等各種復(fù)雜學(xué)科的計(jì)算機(jī)分支內(nèi)容，在信息技術(shù)的應(yīng)用以及發(fā)展進(jìn)程中，會(huì)面臨著較大的重要價(jià)值。

2.2 教育機(jī)器人

教育機(jī)器人的提出，基本上是基于當(dāng)今中小學(xué)、大學(xué)生為研究對(duì)象，所提出的一種教育方面的教具。該設(shè)備的設(shè)計(jì)，主要服務(wù)于學(xué)生，幫助在日常學(xué)習(xí)中，能夠形成一個(gè)較高的科學(xué)素養(yǎng)，并積極提升自身的創(chuàng)新思維，最大化學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，始終都堅(jiān)持寓教于樂(lè)的教學(xué)理念，利用各種合理的編程方式，全面實(shí)現(xiàn)教育方面的作用與功能，當(dāng)今已經(jīng)成為了廣大學(xué)習(xí)愛(ài)好者關(guān)注的重點(diǎn)。

2.3 語(yǔ)音識(shí)別

現(xiàn)階段提出的語(yǔ)音識(shí)別，可以簡(jiǎn)稱(chēng)為ASR，這是一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為載體，進(jìn)行語(yǔ)音內(nèi)容與文字方面的轉(zhuǎn)變。例如對(duì)其機(jī)器進(jìn)行語(yǔ)言方面的交談處理，以此讓機(jī)器理解人類(lèi)發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能性。這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于隱式馬爾科夫模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出特征提取、模式匹配以及模型訓(xùn)練等技術(shù)類(lèi)型。在當(dāng)下的發(fā)展過(guò)程中，主要是利用聲學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、語(yǔ)音等多個(gè)學(xué)科交叉領(lǐng)域方面限制。在語(yǔ)音識(shí)別的處理過(guò)程中，基本上需要全面保障其技術(shù)在受到相關(guān)限制之后，可以進(jìn)行針對(duì)性的處理。

2.4 語(yǔ)音合成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，基本上包含著兩種文字信息類(lèi)型，分別為計(jì)算機(jī)自身的語(yǔ)音合成，其次則是外部的輸入信息。當(dāng)下進(jìn)行語(yǔ)音合成技術(shù)的設(shè)計(jì)中，就是將這兩種形式進(jìn)行融合，以此形成一個(gè)將文字信息轉(zhuǎn)變?yōu)闈h語(yǔ)口語(yǔ)的輸出過(guò)程。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，涉及到數(shù)字信號(hào)處理、語(yǔ)言學(xué)、聲學(xué)等諸多較為復(fù)雜的學(xué)科程序以及系統(tǒng)，這樣的中文信息處理方式，可以全面提升處理的效果。而對(duì)于語(yǔ)音合成技術(shù)以及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的處理中，也相應(yīng)涉及到人類(lèi)與機(jī)器語(yǔ)音通信的合成。

3 教育機(jī)器人活動(dòng)價(jià)值

在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，基本上受到教材方面的限制，會(huì)更加傾向于對(duì)學(xué)生提出一個(gè)固定的問(wèn)題，并在之后對(duì)學(xué)生給出一個(gè)較為固定的答案。對(duì)于這樣的情況而言，會(huì)直接導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，無(wú)法提升自身的參與感，同時(shí)在對(duì)問(wèn)題的理解上也較為單一。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生始終無(wú)法得到創(chuàng)造能力的提升，特別是對(duì)于學(xué)生而言，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)中，無(wú)法構(gòu)建出一個(gè)完整的知識(shí)體系。

但是，在進(jìn)行機(jī)器人的教學(xué)開(kāi)展中，其教學(xué)主題的趣味性比較強(qiáng)，加上可以全面提升更加開(kāi)放性的問(wèn)題，進(jìn)行問(wèn)題的集中解決，因此在這種學(xué)習(xí)方式下，學(xué)生不僅僅可以從一個(gè)角度思考問(wèn)題，而是從多個(gè)角度出發(fā)，進(jìn)行問(wèn)題的系統(tǒng)性分析與掌握。這樣的教學(xué)方式下，也相應(yīng)地成為當(dāng)下教學(xué)體系當(dāng)中重點(diǎn)考量對(duì)象。一個(gè)良好的教育機(jī)器人的教學(xué)模式使用，全面發(fā)揮出了教學(xué)的靈活性，讓學(xué)生的自身創(chuàng)造力、想象力得到提升，最大化自身的開(kāi)放性思維。

學(xué)生在接受這樣的教學(xué)中，可以在構(gòu)思、設(shè)計(jì)以及開(kāi)發(fā)的全過(guò)程中，受到機(jī)器人的教育影響。積極鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)探索，提升動(dòng)手能力。讓學(xué)生在未來(lái)體驗(yàn)的過(guò)程中，感受到抽象理論轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w內(nèi)容的過(guò)程，滿(mǎn)足當(dāng)下較為復(fù)雜的教學(xué)要求。

4 機(jī)器人教具控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

從人類(lèi)的形體結(jié)構(gòu)以及智力角度進(jìn)行分析，可以成為類(lèi)人機(jī)器人的設(shè)計(jì)模板，并逐漸成為人工智能領(lǐng)域當(dāng)中，十分重要的代表。在當(dāng)下對(duì)教學(xué)工作的科學(xué)課程設(shè)計(jì)中，這樣的機(jī)器設(shè)備使用，極大提升學(xué)生對(duì)于課堂的興趣值，推動(dòng)教學(xué)工作的順利開(kāi)展。實(shí)際機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更多的是讓其機(jī)器人在運(yùn)行中，具備觀察、對(duì)比、測(cè)量、記錄以及組裝等基礎(chǔ)的操作行為，之后針對(duì)課堂當(dāng)中的實(shí)際情況，進(jìn)行體驗(yàn)、搜索、研討、編程以及調(diào)試等與課堂教學(xué)息息相關(guān)的各種內(nèi)容的處理。這樣讓機(jī)器人保持較高水平的通識(shí)，便能夠在后期的教學(xué)開(kāi)展中，發(fā)揮出機(jī)器人感知、機(jī)器人學(xué)習(xí)、機(jī)器人控制等課程模塊相關(guān)的設(shè)計(jì)與調(diào)整。其次，對(duì)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，也會(huì)涉及到遙感技術(shù)、語(yǔ)音交互、目標(biāo)識(shí)別、路徑規(guī)劃以及軌跡跟蹤等諸多方面的技術(shù)應(yīng)用與研究。一個(gè)完整的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式下，加大提升機(jī)器人的教學(xué)能力，無(wú)論是教學(xué)的輔助能力還是指導(dǎo)能力，都可以幫助學(xué)生形成較強(qiáng)的學(xué)習(xí)積極性，最終實(shí)現(xiàn)各種教學(xué)目標(biāo)。

4.2 總體配置

文章提出的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，基于某品牌的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中涉及到諸多的模擬人腦的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)算控制，還要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行不同控制模塊的分別設(shè)計(jì)與分析，使機(jī)器人可以獨(dú)立運(yùn)行，并處理各種教學(xué)方面的需求，提升整體教學(xué)性能。

4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

（1）機(jī)器人整機(jī)運(yùn)算控制器。這是一種在進(jìn)行設(shè)計(jì)中，其由于采用的是先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集，這個(gè)模塊下的設(shè)計(jì)方式，也是業(yè)內(nèi)較為主流的微型電腦主板，具備著較強(qiáng)的功能。在運(yùn)行中，對(duì)于較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)較為快速的處理，同時(shí)及時(shí)發(fā)出相關(guān)指令。而設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是Linux操作系統(tǒng)，這是一種較為完美兼容機(jī)器人算法控制的方式，體積方面比較小，可以較為便捷地安裝到空間有限的機(jī)器人內(nèi)部。其次，40針的GPIO直接連接的方式，可以讀取到傳感器當(dāng)中的輸入控制舵機(jī)當(dāng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的直接輸出。另外，在無(wú)線連接的過(guò)程中，能夠輕易實(shí)現(xiàn)與外界電腦的互通處理。該平臺(tái)下，具備著存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)信息的能力。采用了USB與CSI接口，這是一種機(jī)器人運(yùn)行環(huán)節(jié)，為語(yǔ)音識(shí)別模塊以及視覺(jué)識(shí)別模塊服務(wù)的設(shè)計(jì)階段。在后續(xù)的平臺(tái)深度開(kāi)發(fā)進(jìn)程中，這樣的設(shè)計(jì)方式提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，便于相關(guān)工作人員的進(jìn)一步研究。

（2）舵機(jī)控制器配置。在對(duì)舵機(jī)控制器的處理中，其信息處理基本上都在PWM內(nèi)進(jìn)行處理。在主板位置上，所使用的PWM的控制，僅僅出現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的通道。為了能夠控制全部的舵機(jī)，就要配置出相對(duì)應(yīng)的控制通道。當(dāng)下對(duì)于外界舵機(jī)控制卡的使用中，基本上要全面保障系統(tǒng)的處理過(guò)程中，所采用2個(gè)16通道的舵機(jī)控制器，特別是在進(jìn)行處理過(guò)程中，能夠連接32路的舵機(jī)。其次，還要將舵機(jī)控制電壓，始終保持在6 v的水平，并基于一個(gè)特殊的芯片實(shí)現(xiàn)控制效果。

（3）舵機(jī)配置。對(duì)相類(lèi)似的一些小型機(jī)器人設(shè)計(jì)方式參考，可以在文章提出的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用7 v的舵機(jī)。實(shí)際使用的過(guò)程中，將其尺寸選擇為20 mm×40.5 mm×40 mm的水平。這樣的舵機(jī)大小使用，十分適用于小型機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置安裝，無(wú)論是在建模階段還是在安裝的過(guò)程中，都可以發(fā)揮出應(yīng)有的空間節(jié)約效果。之后在傳輸?shù)倪^(guò)程中，基本上傳輸方式都是通用型的12 C的水平，之后在控制角度的處理上，無(wú)論是傳輸速率還是在接線方面，都十分便捷，加上操作方面的便捷性，更加全面提升了設(shè)計(jì)的合理性。

（4）DSP芯片。文章使用的DSP芯片，可以在使用的過(guò)程中，始終保持較高的靈活性，之后進(jìn)行相應(yīng)的模擬處理系統(tǒng)的處理中，就要保障對(duì)一個(gè)模擬系統(tǒng)進(jìn)行良好的引用，避免出現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)計(jì)，或者出現(xiàn)對(duì)調(diào)整參數(shù)的處理。數(shù)字處理系統(tǒng)的運(yùn)行，在進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整中，就要利用信號(hào)處理軟件進(jìn)行處理，以此滿(mǎn)足不同情況下的設(shè)置和實(shí)際需求。而在精度的調(diào)整中，是模擬處理系統(tǒng)，在長(zhǎng)期運(yùn)行當(dāng)中，受到系統(tǒng)當(dāng)中精度方面的器件影響。在同一批次的產(chǎn)品處理上，始終保持著一個(gè)較高的性能值。另外，在數(shù)字處理系統(tǒng)的工作開(kāi)展中，其精度方面始終與計(jì)算機(jī)的算法、字節(jié)長(zhǎng)度相關(guān)，因此這個(gè)階段就需要在設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)中確定下來(lái)。

其次對(duì)于可靠性與可重復(fù)性的分析中，要全面考慮到環(huán)境溫度、濕度、噪聲以及電磁場(chǎng)方面的干擾和影響。另外，在數(shù)字可靠性分析中，提升與各個(gè)元器件之間的合理設(shè)計(jì)與聯(lián)系，保證接口方面的合理。

最后在虛擬特性與升級(jí)的設(shè)計(jì)中，也是設(shè)計(jì)過(guò)程中十分重要的設(shè)計(jì)階段。一個(gè)模擬處理系統(tǒng)，僅僅可以在運(yùn)行中對(duì)應(yīng)一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，因此在后續(xù)進(jìn)行升級(jí)環(huán)節(jié)，顯然會(huì)受到各方面的技術(shù)影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速率的運(yùn)行和處理。在數(shù)字處理系統(tǒng)的運(yùn)行中，始終都要設(shè)計(jì)一個(gè)集成化的控制系統(tǒng)模塊，這樣才可以最大化運(yùn)行效果。

（5）外部存儲(chǔ)器。文章設(shè)計(jì)的教育機(jī)器人，采用了擴(kuò)展化的靜態(tài)不揮發(fā)的RAM，在實(shí)際運(yùn)行階段，可以保持10年以上的運(yùn)行周期。另外，在可靠的上電、掉電等方面的數(shù)據(jù)擴(kuò)展保護(hù)功能上，也相應(yīng)地需要保持電壓控制在一個(gè)合理的空間中。在運(yùn)行階段，要始終將地址線可以預(yù)期符合擴(kuò)展接口的處理方式。當(dāng)下地址線的A16與其他的地址線的處理上，保持相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確處理。

（6）傳感器。這是機(jī)器人的運(yùn)行過(guò)程中，十分重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，只有使用一個(gè)科學(xué)合理的傳感器，才可以讓其運(yùn)行過(guò)程中，全面提升處理的效果。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，始終都要對(duì)其感知前、左、右等方面的障礙物，進(jìn)行針對(duì)性的分析，全面提升迷宮的處理能力。其次，在機(jī)器人的底部設(shè)計(jì)中，需要安裝光電模塊，這是為了可以吸納對(duì)色彩方面處理，同時(shí)加強(qiáng)與周?chē)渌麄鞲衅鞯慕换ニ?，?shí)現(xiàn)更加高級(jí)的功能。當(dāng)下在對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，還要全面結(jié)合其教育的內(nèi)容以及形式，對(duì)其機(jī)器人進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)與調(diào)整。一個(gè)良好的教育機(jī)器人，不僅僅會(huì)對(duì)當(dāng)下的教育內(nèi)容服務(wù)，同時(shí)也可以伴隨著教學(xué)事業(yè)的開(kāi)展，不斷提升教育功能。因此，就要在傳感器的設(shè)計(jì)中，采用可升級(jí)化的處理，積極保障全面處理過(guò)程中傳感器的運(yùn)行，特別是要在未來(lái)發(fā)展進(jìn)程中，有效對(duì)傳感器進(jìn)行多方面的分析以及控制，保障未來(lái)教育機(jī)器人可以伴隨著教育事業(yè)的發(fā)展，而不斷提升和優(yōu)化自身的教育服務(wù)能力，幫助教師進(jìn)行高效率的教學(xué)開(kāi)展。需要注意的是，在這樣的教學(xué)工作開(kāi)展中，也要進(jìn)一步推動(dòng)當(dāng)下各個(gè)方面的系統(tǒng)細(xì)節(jié)處理，只有明確出控制平臺(tái)當(dāng)中實(shí)際的控制模式和控制效果，才可以讓其在未來(lái)控制過(guò)程中，發(fā)揮出應(yīng)有的控制作用，最大化處理全面效果。這樣的處理方式下，充分滿(mǎn)足了教育機(jī)器人的實(shí)際教育功能需求。

5 總結(jié)

綜上所述，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)下教學(xué)工作開(kāi)展中，教育機(jī)器人的使用越發(fā)受到人們的關(guān)注。只有保障在未來(lái)進(jìn)行教學(xué)開(kāi)展中，首先對(duì)教育機(jī)器人進(jìn)行控制系統(tǒng)的合理化設(shè)計(jì)，才可以實(shí)現(xiàn)最大化的控制效果。