寫字機器人在計算機控制技術教學中的應用

浙江育英職業(yè)技術學院 宋國順

計算機控制技術這門課程對學生實踐和應用的要求特別高，也就是要求學生將課堂的理論知識用于解決實際遇到的問題。目前學校開展的計算機控制技術教學，大多數(shù)都是基于計控的相關原理來設置的，學生通過51機，進行相關的實驗，比如，對傳入傳出的信息的采集、電機的運作原理、直流的電機如何進行調速、恒溫系統(tǒng)控制原理等，而這些實驗都是模擬進行的，需要實戰(zhàn)項目來強化理論基礎。所以，提出讓學生制定類似寫字機器人的項目，把課堂學到的關于調用接口、控制技術、調試系統(tǒng)和應用分析等知識點應用于實際，通過這種實戰(zhàn)項目，讓學生深入了解和掌握計算機控制技術的應用原理，提高他們對實際遇到的問題分析和解決的能力?；诖?，本篇文章對寫字機器人在計算機控制技術教學中的應用進行研究，以供參考。

寫字機器人的設計涉及單片機、傳感器、機械控制等相關知識。但是由于研究不夠深入，寫字機器人還有一定的設計缺陷，并不能完全滿足人們的需求，寫字機器人多應用圖像處理技術，掃描信息的正確率偏低，產品成品較高，不能應用于低端市場，進行大規(guī)模的應用。并且不能自主學習，智能化程度較低[1]。因此，如何進行寫字機器人的設計優(yōu)化，讓寫字機器人能夠自主學習和思考，添加更多人性化功能就成為當今寫字機器人的研究重點和難點。

1 計算機控制技課程的特點

計算機控制技術簡稱CCT，是Computer Control Technology的縮寫，該科目最大的特點是“寬、泛、難”，首先“寬”，是指計算機控制技術所涵蓋的知識面特別廣，“泛”是指計算機控制技術所用到的專業(yè)名詞和技術要求特變廣泛，“難”是指學生自主學習時，對于知識點難以理解，對于課堂老師教授的專業(yè)知識難以掌握，所以老師應特別注意該門課程的授課方式，需要不斷將已經(jīng)學過的知識點進行復習和串講。下面就CCT科目的特點展開具體分析。CCT課程涵蓋很多的領域，比如，對信號的接收和處理，通常在對一個項目對象控制時，需要將該目標項目的狀態(tài)處理成能讓計算機識別并計算的信號，在經(jīng)過服務器處理后，最后把虛擬信號施加到執(zhí)行系統(tǒng)，再轉到需要控制的項目目標本體上。通過該過程使控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮對應的作用，而分析的方法主要是應用Z和S之間相互轉換。CCT科目當中涵蓋了很多控制技術系統(tǒng)方面的技術知識，而且對閉環(huán)開環(huán)之間相互切換的控制技術，應用頻次比較廣。而且CCT科目當中對模擬電子數(shù)字技術的要求也很高。類似信號過濾，抗干擾能力測試，光電耦合效應以及相關數(shù)據(jù)的選擇，而且各章節(jié)的知識內容都是緊密聯(lián)系的。在計算機控制系統(tǒng)當中，控制器這一部分運行原理當中，對于數(shù)字控制器系統(tǒng)當中最小拍有波和拍無波的取值取決于被控制的對象其Z值得零極點，從這一對應關系來看，零極點決定著數(shù)字控制器系統(tǒng)的設計[2]。但是在學習中，往往有很大一部分學生無法確定在職的零極點，所以也不能按規(guī)定完成數(shù)字控制器系統(tǒng)的設計任務。又比如說，按照中值定理當中所表述的Z值的極限與時域的關系性來看，如果計算機控制系統(tǒng)設計好以后，通過實驗檢測整體誤差為零的情況下，才能證明整個系統(tǒng)控制技術的有效發(fā)揮和應用，對于誤差的計算方法和終值定理聯(lián)系頗為緊密，所以授課的關鍵點就是引導學生真正理解終值定理，學會找到Z值計算誤差的方法。

2 寫字機器人存在的問題

2.1 市場接受度低

隨著社會的不斷發(fā)展，科技的不斷進步，智能信息化技術漸漸滲透在人們生活的各個角落。寫字機器人的研究和開發(fā)，是新的科技成果的突破和創(chuàng)新，其價值不言而喻，但同時伴隨著負面影響的產生。比如有的學生貪圖便利，用寫字機器人代替他們寫作業(yè)，隨著負面影響的不斷產生，引發(fā)了人們對科技發(fā)展價值產生了質疑，即便是寫字機器人，已經(jīng)在相映的科研以及實際應用中創(chuàng)造了很大的價值，但其產生的輿論影響，也對他自身的發(fā)展和推廣產生了限制。

2.2 異常處理技術不完善

由于當前寫字機器人的研發(fā)還處于比較初期的一個階段，所以寫字機器人技術的性能相對來講也不是特別完善[3]。比如現(xiàn)階段的寫字機器人，對于圖像的處理準確度不高，也就是說，如果當前圖像被遮擋或者是有殘缺，都不能準確的識別出來。尤其是對于數(shù)據(jù)噪點比較多，現(xiàn)階段的寫字機器人也是很難識別，對應的數(shù)據(jù)不能及時匹配處理。對于異常處理技術不完善這種情況，還需要通過不斷發(fā)展計算機的大數(shù)據(jù)，以形成適當?shù)哪M模型，通過對各種異常數(shù)據(jù)的處理和分析，從而提高寫字機器人，在環(huán)境異常的情況下對不完整數(shù)據(jù)處理的能力[4]。

2.3 缺少語音識別技術

當下設計的寫字機器人，多半后臺都是由相關的計算機程序來進行操作的，指令通過鍵盤輸入，再由機器人計算后輸出，所以具有語音識別技術的機器人的研發(fā)就有很廣的前景。由于語音識別技術對相映的信息接收和輸出要求的精度特別高，目前在這方面，暫時還沒有什么突破性的研發(fā)成果[5]。所以研發(fā)具有語音識別技術的寫字機器人具有很大的意義和價值。

3 寫字機器人實驗過程示例分析

3.1 任務目標制定

寫字機器人對于文字的書寫，需要程序提前設定，再由按鍵來選擇。由Arduino事先制定書寫的文字程序編號，當按鍵被觸發(fā)時，根據(jù)按鍵來走對應設置好的程序，從而實現(xiàn)文字和數(shù)字的書寫、錄入。

3.2 總體方案設計

在該控制系統(tǒng)中，主要包含五部分：Arduino樞紐；驅動裝置；舵機；鍵盤；電源。寫字機器人使用C語言設計，在開啟系統(tǒng)后，Arduino樞紐自動監(jiān)測寫字指令的提交，一旦按鍵被觸發(fā)，對應的寫字命令相繼發(fā)布，待形式轉化后，驅動舵機運轉處理，控制筆進行書寫，最后形成文字。

3.3 基于計算機控制技術教學目標點的任務分解

對整個設計方案進行匯總和歸納得出，寫字機器人的研發(fā)任務包含下面三部分，對于書寫內容的識別和輸出，電機控制，舵機控制，計算機控制系統(tǒng)輸入輸出技術，和控制系統(tǒng)設計原理。對于已拆解的任務，可以分派給不同的同學，以模塊的形式分別負責，再將各個模塊兒的系統(tǒng)統(tǒng)籌調試，最后完成整個寫字機器人研發(fā)的任務。

3.4 Windows系統(tǒng)矢量文字處理

目前Windows系統(tǒng)矢量文字處理主要是折線、二次Bezier曲線技術，文字形體比較美觀，字庫也比較龐大。所以采用Windows系統(tǒng)矢量文字處理技術。但是TTF字體格式難度比較大，所以需要引入API函數(shù)，這樣對數(shù)據(jù)處理更便捷。

通過API函數(shù)GetGlyphOutline能直接得出文字矢量圖。

GetGlyphOutline函數(shù)所展示的原型:

DWORDGetGlyphOutline(

HDChde,//句柄

UINTuChar,//需要識別的字串

UINTuFormat,//輸出的數(shù)據(jù)格式

LPGLYPHMETRICSlpgm，//GLYPHMETRICS結構樣式

DWORDcbBuffer,//緩沖大小

LPVOIDIpvBuffer,//緩沖地址

CONSTMAT2*lpmat2//轉置矩陣

UFormat規(guī)定輸出的數(shù)據(jù)格式，如果是GGOBITMAP可以輸出字體的位圖，如果是GGONATIVE，輸出的是字體的輪廓。對應的詳細操作步驟是：（1）通過以上描述的函數(shù)類型來得到對應字符的輪廓。（2）對該字符具體輪廓線數(shù)據(jù)的提?。和ㄟ^對已獲取的輪廓線的分析，需要將構成該輪廓線的各個線條一一分離，使線條按筆畫順序羅列成字符的輪廓。（3）矢量數(shù)據(jù)的信息存儲至數(shù)據(jù)庫當中，方便寫字機器人輸出時路徑的控制。

4 實踐教學方案改革

4.1 實驗教學改革

因為在實際教學當中，對于平時的實驗操作，大多都是點擊軟件來模擬實際的系統(tǒng)操作，所以需要盡量的降低這種形式的實驗，更多的融入一些綜合性比較強，設計理念比較新穎的實驗任務，并制定對應的學習目標和要求，使學生在實驗開始之前，就著手準備相映的資料，例如控制系統(tǒng)技術和集成電路相關的分析等。所以要求實驗室配備幾套可以將直接進行研究設計的裝置，或者買一些軟硬件結合開發(fā)以及計算方法實驗的平臺，并以開放性的形式時，每個學生都能參與到實踐當中，以此提高學生學習的興趣。并且，要求學生及時記錄實驗當中所遇到的問題以及采用相應的解決方法，而且需要在實驗報告中針對此問題進行詳細的描述，充分剖析問題的產生以及問題的解決過程。為了使說明更加詳細，也可以上傳相關的照片，最后還需要對此次問題的產生和解決，進行總結和歸納。通過這樣的形式，可以拓展學生的思路，發(fā)散學生的思維，提高他們發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的綜合能力。

4.2 科技活動與實踐活動相結合

對于理科的學生來說，不能單單只從書本上對知識理解就認為是掌握了，將書本所學到的理論知識用于解決實際當中所遇到的問題和困難，這樣才是最佳的學習方式。為提高學生對計算機控制技術了解的廣泛性，需帶著學生深入到企業(yè)當中，是學生通過自身的真實體驗來對計算機控制系統(tǒng)的工作原理有個初步的了解，在通過對課本理論知識的詳細講解，激發(fā)他們的學習興趣，提高他們學習的主觀能動性。另外的話，還鼓勵學生參加各種各樣的有關計算機控制技術的相關比賽，比科研成果大賽，通過參加比賽開闊他們的視野，拓展創(chuàng)新的思路，將課堂學習到的理論知識學以致用。

4.3 知識要點重構

當前計算機控制技術教學的課程當中，所涵蓋的內容特別廣泛，而且知識點繁雜混亂，難以理解，所以需要教師在開展課堂工作之前，對于教材當中所涉及到的知識點，進行全面的統(tǒng)籌和劃分，可以采用從整體到細節(jié)，從連續(xù)到離散的形式，以數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的轉化以及相關性能分析，還有控制系統(tǒng)設計理念，當成重要的知識點進行講解，把檢測設置，口令執(zhí)行，以及指令過濾等知識點作為補充，形成一個完整的知識體系。而對于計算機控制系統(tǒng)課程的講解，可以把虛擬系統(tǒng)以及相關的計算方式方法當做主要的學習內容，把離散系統(tǒng)的概念分析和設計原理當做重點，然后再補充一些教師認為授課當中所必要的知識點。通過這樣的課程設計，一方面可以將課程有效的進行定位，另一方面的話，由于知識點的學習的靈活性可以滿足學時要求，又能將課程當中所包含的知識點全面覆蓋。上面所展示的課程思維導圖可以給教學任務拆分做參考，這樣的方式提升教師和學生對課程整體內容的認知，可以提升教學和學習效率。

4.4 課程目標改革

改革后的課程目標要求包含知識、能力、素質及思想品德等方面目標，本質是提升學生思維能力，以及把課堂上所學到的知識在實際應用當中解決困難和問題的動手能力。（1）知識目標。需要學生全面了解數(shù)據(jù)動態(tài)展示，定時器，蜂鳴器相關的工作原理。（2）能力目標。可以快速識別腳本，可以借助模擬的軟件來繪畫電路圖，流程圖，掌握多種編程語言，可以快速識別并解決軟硬件引發(fā)的各種故障。（3）素質。學會小組之間相互合作，溝通學習，對新事物有快速接受的能力，敢于嘗試，大膽創(chuàng)新，打造吃苦耐勞，科學嚴謹，不斷進取的優(yōu)良品質。（4）思想品質。對于實驗當中材料的選取要合理，以環(huán)保節(jié)能為最佳。在對產品相應的功能進行設計時，需要從安全性角度出發(fā)，使設計理念更加人性化。有透過現(xiàn)象看本質的能力，并且對于現(xiàn)在國內外信息技術發(fā)展情況實時掌握，全身心投入建設的偉大事業(yè)中。

5 結語

總而言之，基于寫字機器人的計算機控制技術教學建設將新知識融入該課程重要知識單元，使課程內容及時反映新技術要求，緊跟時代變化；知識結構銜接緊湊、條理清晰；實踐教學融合新理論、新知識，凸顯實踐的設計性和綜合性；針對不同內容采用多種教學方法教學；提高學生對知識技能的掌握程度，培養(yǎng)綜合素質高的技術應用型人才。