激光控制下的智能化防塵黑板擦設計

郝藝婷，董悅寧

（東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱150000）

隨著科學技術水平的不斷提高，特別是智能化控制技術在近年來得到了突飛猛進的發展，人們的生活質量在不斷地提高。同時，對工業產品的環保技術和節能技術性能方面的要求顯得更為重要，這兩項技術性能的優劣直接關系著使用者身體健康和投入成本的高低。

黑板擦作為教學系統中必不可少的教學工具，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生大量的粉末，對人體肺部傷害很大，嚴重影響師生健康，而且影響了投影儀、電腦等教學設備的運行和維護。

為克服傳統黑板使粉筆造成的粉塵對環境的污染等弊端，近幾年研制出一些新型產品，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生大量粉塵，但在一些板書量較大的課堂上，如數理化課堂，板書清除是一個既費時又費力的過程；使用白板板書過程中水彩筆水的有機書寫液散發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，在修改板書細節時仍需教師親自擦除。這些問題的存在仍然困擾著使用者，嚴重影響了授課效果，浪費能源，不能滿足環保要求。

本文所設計的智能化防塵黑板擦，是在現行自動黑板擦的基礎上，通過激光筆遙控對指定區域內字跡進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。智能化黑板擦的設計將從根本上解決傳統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生的粉塵或氣味而受到不良影響，達到節能、高效、無環境污染的良好效果，具有可靠的實用價值及良好的經濟效益和社會效益，前景廣闊。

1 裝置設計構思

在基本實現教學計算機全覆蓋的現狀下，使黑板擦智能化：教師手握激光筆，通過激光引導劃定擦除范圍，利用USB 鏡頭記錄激光軌跡圖像，系統自動識別激光的軌跡和覆蓋范圍，自動黑板擦裝置根據接收的數據信息快速作出反應，準確地運動到指定區域進行擦除工作。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機作為控制系統，分為區域識別模塊和無線控制模塊；外部設備包括激光筆和USB 鏡頭。

2 裝置結構設計

2.1 無線控制模塊

外部激光筆與自動黑板擦裝置和PC 機通過藍牙無線連接和控制，使整個系統相互關聯映射，使裝置穩定運行。激光筆為信號發射端，自動黑板擦為信號接收端，控制系統既為信號接收端也為信號發射端。隨著按下激光按鈕并手動劃出擦除范圍的同時，USB 鏡頭捕捉激光點軌跡，控制端接收到軌跡信號并編譯為黑板擦運動信號，傳輸到黑板擦裝置運行。機械裝置中插入主控芯片來接收PC 控制端的命令以及驅動電機。

2.2 防塵模塊

黑板擦設計為矩形結構，采用儲水方式進行濕擦，進而實現干濕擦結合，技術難度低。矩形的四個邊為儲水海綿-擦布的結構，通過細孔源源不斷獲取水流，實現濕擦；板擦中心為正常板擦結構，實現干擦。

通過控制水的流速及流量，盡量縮短擦除后進行板書的時間。水的流速及流量由儲水盒下端的細孔的大小和分布狀況確定，細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。

黑板擦防塵結構如圖1 所示。

圖1 黑板擦防塵結構

2.3 傳動模塊

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

圖2 黑板擦裝置簡圖

圖3 黑板擦實體模擬圖

2.4 區域識別模塊

基于深度學習中的分類問題，PC 機通過獲取的激光圖像，對激光的軌跡進行識別與跟蹤，構建卷積神經網絡，通過卷積計算獲取目標的軌跡和范圍面積等信息，劃分出待擦除區域，設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鍵方法，以保證裝置運行到激光指定范圍進行擦除工作的高準確率。

3 結論

智能化防塵黑板擦的特色如下：采用儲水方式進行濕擦，進而實現干濕擦結合，技術難度低。通過調整細孔大小和分布進行水流控制，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 機通過藍牙無線連接和控制，使整個系統相互關聯映射，實現裝置的穩定運行；將外部激光筆引導和內部智能化有機結合，采用圖像智能識別技術，為使用者提供便捷；對黑板擦裝置進行深度學習訓練，使黑板擦裝置運動到指定位置，具有反應速度快、準確性高的特點，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調節擦除范圍的方式啟動裝置運行，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-濕結合的方式，利用細孔最大限度抑制粉塵飛揚，將熱門的深度學習應用到教育實踐中，實現智能化教學，具有很高的實用價值。