基于垃圾分類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)的人工智能課程教學(xué)設(shè)計(jì)

周月紅?王立奇?馬睿

摘要：在智能化時(shí)代，人工智能技術(shù)發(fā)展大大促進(jìn)了相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的開(kāi)設(shè)需求。隨著人工智能專(zhuān)業(yè)的興起，專(zhuān)業(yè)課程的開(kāi)發(fā)亦是重中之重。本文主要介紹了人工智能技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的開(kāi)設(shè)近況，分析了本課程開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目載體垃圾分類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)的框架及實(shí)現(xiàn)流程。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)人工智能相關(guān)技術(shù)的知識(shí)體系，設(shè)計(jì)了人工智能課程相關(guān)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：人工智能;垃圾分類(lèi);課程設(shè)計(jì)

引言

二十一世紀(jì)以來(lái)人工智能已經(jīng)成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)力，正在對(duì)世界經(jīng)濟(jì)、社會(huì)進(jìn)步和人類(lèi)生活產(chǎn)生極其深刻的影響。手機(jī)的語(yǔ)音助理、家用智能音箱、刷臉支付等日漸普及的智能化工具在生活中給人們帶來(lái)了便利。

在人工智能快速發(fā)展的背景下，人工智能學(xué)科和專(zhuān)業(yè)建設(shè)也急需加快推進(jìn)。處于上海這樣的人工智能開(kāi)發(fā)高地，我校積極響應(yīng)2018年4月份教育部印發(fā)的《高等學(xué)院人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》拓寬人工智能專(zhuān)業(yè)的教學(xué)，加強(qiáng)人工智能學(xué)科建設(shè)，抓緊時(shí)代脈搏，通信與信息工程學(xué)院開(kāi)設(shè)了“人工智能技術(shù)服務(wù)”專(zhuān)業(yè)，并于2020年對(duì)外招生。作為培養(yǎng)應(yīng)用性人才的高職院校，我們培養(yǎng)的人工智能人才將具備人工智能的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，以人工智能的產(chǎn)品服務(wù)和應(yīng)用為主要目標(biāo)崗位群。

契合在上海儀酷智能科技有限公司產(chǎn)學(xué)研的機(jī)會(huì)，參與開(kāi)發(fā)了一套垃圾分類(lèi)機(jī)器人的教學(xué)資源，這套課程資源以Python編程為基礎(chǔ)結(jié)合了人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)如語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、機(jī)器人串口通信等，可以作為人工智能專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程或相關(guān)專(zhuān)業(yè)群的人工智能選修課程的項(xiàng)目資源。

一、 垃圾分類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本教學(xué)演示的垃圾分類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)由視覺(jué)系統(tǒng)、人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板、麥克風(fēng)陣列、智能機(jī)械臂、自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋子垃圾桶和垃圾實(shí)物圖卡片組成。首先啟動(dòng)人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板中的主程序?qū)Ω鞣N設(shè)備初始化，初始化完畢會(huì)有語(yǔ)音播報(bào)告知用戶(hù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，如“啟動(dòng)垃圾分類(lèi)”;由麥克風(fēng)陣列采集到用戶(hù)的語(yǔ)音口令，如“這是什么垃圾”，則調(diào)用視覺(jué)系統(tǒng)中的相機(jī)找到垃圾實(shí)物圖卡片并采集圖像信息;對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理（圖像增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)和噪聲濾除）和目標(biāo)輪廓特征提取得到垃圾圖像卡片位置坐標(biāo)信息;調(diào)用物體識(shí)別API對(duì)處理后的圖像進(jìn)行圖像識(shí)別得到物品名，再根據(jù)物品名使用垃圾分類(lèi)API，最后將得到的垃圾分類(lèi)結(jié)果信息以語(yǔ)音播報(bào)給用戶(hù)，如“這是可回收垃圾”;并根據(jù)垃圾分類(lèi)類(lèi)型結(jié)果發(fā)送指令給自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋子垃圾桶打開(kāi)相應(yīng)分類(lèi)的垃圾桶;同時(shí)把垃圾實(shí)物圖像卡片的坐標(biāo)信息傳送給智能機(jī)械臂，指揮其完成在指定位置撿拾垃圾圖像卡片并投放到對(duì)應(yīng)分類(lèi)的垃圾桶操作。

二、人工智能課程教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)人工智能課程知識(shí)體系

垃圾分類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)中涉及了語(yǔ)音交互、圖像識(shí)別、垃圾分類(lèi)、垃圾桶控制、智能機(jī)械臂控制等模塊均可作為人工智能課程的相關(guān)教學(xué)模塊。

本系統(tǒng)中所有的編程均可使用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，所以本課程中Python作為基礎(chǔ)工具。若學(xué)生不具備Python語(yǔ)言基礎(chǔ)，可在課程最初階段開(kāi)設(shè)相應(yīng)Python編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)的課時(shí)。本系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)使用的Python語(yǔ)言基礎(chǔ)涉及知識(shí)點(diǎn)有：基本的數(shù)據(jù)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、語(yǔ)法，常用模塊的導(dǎo)入與調(diào)用，函數(shù)，面向?qū)ο螅惓Ｌ幚恚卣{(diào)與遞歸，裝飾器，模塊與包的設(shè)計(jì)。

語(yǔ)音交互模塊需借助麥克風(fēng)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音采集，利用人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板編程實(shí)現(xiàn)，涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有：聲音的采集、播放與合成，基于開(kāi)源技術(shù)如科大訊飛的語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成技術(shù)應(yīng)用，語(yǔ)義解析技術(shù)應(yīng)用如aiui接口、json解析、情景分類(lèi)等，簡(jiǎn)易的人機(jī)語(yǔ)音對(duì)話程序設(shè)計(jì)。

圖像識(shí)別模塊借助視覺(jué)系統(tǒng)的攝像頭讀取圖像，利用人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板編程實(shí)現(xiàn)，涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有：控制相機(jī)拍照，圖片的讀取、保存、顯示、裁剪與縮放，圖片色彩空間變換，二值化、取輪廓、直方圖均衡化，開(kāi)閉操作與卷積濾波，對(duì)圖片中特定顏色的篩選，霍夫直線檢測(cè)，霍夫圓檢測(cè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念及原理，Tensorflow基本API的使用，了解LeNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，LeNet分類(lèi)模型應(yīng)用。

垃圾分類(lèi)模塊由于涉及到物品歸類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，這些需要數(shù)據(jù)庫(kù)專(zhuān)門(mén)知識(shí)，故本課程中可使用外部網(wǎng)站開(kāi)發(fā)好的API，只需要把物品名作為web請(qǐng)求的參數(shù)輸入，調(diào)用外部網(wǎng)站API后響應(yīng)得到垃圾分類(lèi)結(jié)果（文本形式）。使用外部API也是當(dāng)前人工智能應(yīng)用的必備技能，這樣可以在人工智能開(kāi)發(fā)中使用更多功能提高開(kāi)發(fā)效率。本模塊涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有：Python爬蟲(chóng)概念，向指定的url發(fā)送請(qǐng)求，讀取web響應(yīng)內(nèi)容，json解析。

垃圾桶控制模塊需使用自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋子垃圾桶，該垃圾桶使用Arduino控制四路電機(jī)，代碼開(kāi)源，與人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板USB串口連接，利用人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板編程實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶蓋子開(kāi)關(guān)的控制。本模塊涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有：查看端口信息，創(chuàng)建serial 實(shí)例對(duì)象，serial對(duì)象常用的屬性和方法，使用serial對(duì)象進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

智能機(jī)械臂與人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板USB串口連接，使用人工智能語(yǔ)音視覺(jué)核心板編程實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有：機(jī)械臂的串口通訊，機(jī)械臂執(zhí)行回零功能，機(jī)械臂的指令隊(duì)列控制，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)模式，機(jī)械臂的坐標(biāo)系，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)械臂吸放卡片功能，機(jī)械臂扔垃圾命令。

（二）人工智能課程實(shí)施方式

在實(shí)際教學(xué)中可先讓學(xué)生從垃圾分類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)找出各模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)的功能作為案例引入，再給予講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的，這將讓學(xué)生在掌握人工智能知識(shí)的同時(shí)能形象深刻地理解這些知識(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)踐操練部分可以先讓學(xué)生試著修改本系統(tǒng)的部分代碼如語(yǔ)音口令來(lái)幫助學(xué)生進(jìn)一步理解各功能模塊中的某些關(guān)鍵技術(shù)作用。這樣邊學(xué)邊實(shí)踐，最后在課程結(jié)束時(shí)能逐步把整個(gè)垃圾分類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)也會(huì)收獲不小的成就感。在學(xué)習(xí)完某功能模塊后，亦可讓學(xué)生模仿完成一個(gè)類(lèi)似的小功能項(xiàng)目作為拓展學(xué)習(xí)，如使用開(kāi)源技術(shù)實(shí)現(xiàn)與語(yǔ)音助手之間的對(duì)話、識(shí)別某個(gè)物體圖片、控制某個(gè)垃圾桶開(kāi)關(guān)、操控機(jī)械臂做移動(dòng)抓取物體操作等。

結(jié)語(yǔ)：

隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能專(zhuān)業(yè)課程也將隨著技術(shù)不斷革新。通過(guò)深入的校企合作，把公司的真實(shí)項(xiàng)目轉(zhuǎn)換為人工智能專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)項(xiàng)目載體，可以使得教學(xué)更形象更貼近實(shí)踐，真正實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

周月紅（1977.8-），女，上海人，講師，碩士，研究方向：人工智能教學(xué)。

王立奇（1984-），男，上海人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：智能機(jī)器人。

馬睿（1991-），男，吉林長(zhǎng)春人，軟件工程師，學(xué)士，研究方向：LabVIEW及Python應(yīng)用。