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作者：周立功 來源：新浪博客 日期：2009-10-26
電老鼠的發(fā)明
編者按：電老鼠又俗稱為“電腦鼠”，中國計算機學會中國嵌入式（微機）專委會自2007年開始以上海試點組織華東區(qū)（上海、江蘇、浙江）30多所高校連續(xù)舉辦了兩次競賽。在積累一定經(jīng)驗的基礎上，將于2009年11月 7-8日在北京舉辦“全國電腦鼠走迷宮邀請賽”，此次競賽分10賽區(qū)邀請了52所大學參加競賽，目的就是為了推動創(chuàng)新教育的改革和幫助在校大學生提高創(chuàng)新動手設計能力。此賽事將每年舉辦一次，明年將參賽大學擴大到100-150所。
1.發(fā)明家申龍
1916年出生在美國密執(zhí)安州的數(shù)學家申龍，1938年申龍完成了《繼電器和開關(guān)電路的分析》論文。由于布爾代數(shù)只有0和1，恰好與二進制數(shù)對應，申龍將它運用于以脈沖方式處理信息的繼電器開關(guān)，從理論到技術(shù)徹底改變了數(shù)字電路的設計方向，因此這篇論文在現(xiàn)代數(shù)字計算機史上具有劃時代的意義。
1940年申龍取得了博士學位之后，在AT&T貝爾實驗室里度過了碩果累累的15年。他用實驗證實，完全可以采用繼電器元件制造出能夠?qū)崿F(xiàn)布爾代數(shù)運算功能的計算機。1948年申龍又發(fā)表了另一篇至今還在閃爍光芒的論文——《通信的數(shù)學基礎》，從而給自己贏得了“信息論之父”的桂冠。
1956年，他參與發(fā)起了達特默斯人工智能會議，成為這一新學科的開山鼻祖之一。他不僅率先把人工智能運用于電腦下棋方面，而且發(fā)明了一個能自動穿越迷宮的“電老鼠”，以此證明計算機可以通過學習提高智能。
2.電老鼠的制作與競賽
所謂“電老鼠”，英文名稱叫做Micromouse，是使用微控制器﹑傳感器和機電運動部件構(gòu)成的一種智能行走裝置的俗稱。它可以在“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，尋找出口，最終到達所設定的目的地，詳情請登錄網(wǎng)站http://www.micromouse.com.cn 。
國際電工和電子工程學會（IEEE）每年舉辦一次國際性的電老鼠走迷宮競賽，自舉辦以來參加國踴躍，尤其是美國和歐洲國家的高校學生，為此有的大學還開設了“電老鼠原理與制作”選修課程。
電老鼠走迷宮競賽要求參賽者自己設計和制作電老鼠，迷宮的路徑也是在競賽開始前幾分鐘隨機設置的，所以競賽的難度較大。競賽除了考驗參賽者在人工智能編程方面的能力以外，還要考驗參賽者對嵌入式系統(tǒng)應用﹑傳感器應用﹑控制技術(shù)應用與人工智能技術(shù)等多方面的經(jīng)驗和實踐能力，因為這類競賽對培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新精神和實踐能力有很大的益處。
3.人工智能學科的誕生
人工智能是研究理解和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律的一門學科，其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計算系統(tǒng)。
1956年麥卡錫聯(lián)合申龍（信息論創(chuàng)立者）、明斯基（人工智能大師、《心智社會》的作者）、羅徹斯特（IBM計算機設計者之一）發(fā)起了達特默斯人工智能會議，達特默斯會議標志人工智能學科的誕生，它從一開始就是交叉學科的產(chǎn)物，與會者有數(shù)學家、邏輯學家、認知學家、心理學家、神經(jīng)生理學家和計算機科學家。在達特默斯會議上，明斯基的神經(jīng)網(wǎng)絡模擬器、麥卡錫的搜索法以及西蒙和紐維爾的定理證明器是3個亮點。分別討論如何穿過迷宮，如何搜索推理和如何證明數(shù)學定理，會上首次使用了“人工智能”這一術(shù)語。
我國的人工智能研究起步較晚，1978年開始納入國家研究計劃，從1981年起相繼成立了各種人工智能學會學術(shù)團體。1987年《模式識別與人工智能》雜志創(chuàng)刊，1989年首次召開中國人工智能聯(lián)合會議（CJCAI）。中國科學家在人工智能領(lǐng)域取得了一些在國際上有影響的創(chuàng)造性成果，如吳文俊院士關(guān)于幾何定理證明的“吳氏方法”。
電老鼠競賽起源
1972年，機械設計雜志發(fā)起過一場比賽。在比賽中，僅由捕鼠器彈簧驅(qū)動的機械鼠不停地與其它參賽鼠競賽，以判斷哪個機械鼠能夠沿著跑道跑出最長的距離。冠軍是“mousemobile”，它跑了825.3英尺。
1977年，IEEE Spectrum雜志提出電腦鼠的觀念，電腦鼠是一個小型的由微處理器控制的機器人車輛，在復雜迷宮中具有譯碼和導航的功能和能力。
1979年，電子和電氣工程師協(xié)會（IEEE）通過其Spectrum and Computer雜志發(fā)起了一場競賽，比賽項目是為制造出能夠在最短時間內(nèi)自主走出迷宮的電腦鼠的人獎勵$1000美元。盡管沒有人知道會是什么結(jié)果，但Spectrum的Roger Allan宣稱全世界約有6000人對該比賽有興趣，并于3月份的截至時期前付了$3.95美元參賽費。
競賽給每只電腦鼠多次試運行機會，只要在試運行期間順利完成了一次就可以參加6月在紐約的國際計算機會議進行的決賽。有6只電腦鼠進入了決賽，其中兩只電腦鼠最終完成了比賽。
在設計電腦鼠比賽的規(guī)則時強調(diào)微電子在電腦鼠中的應用，比賽允許電腦鼠有3次機會通過迷宮。因此通過微型計算機“記憶”電腦鼠前兩次走過的路徑，從而在最后通過時選擇最佳路徑。此外盡管不需要電腦鼠看起來像一只真的老鼠，但它必須是獨立的。不禁止使用活的老鼠，但有規(guī)則宣稱比賽過程中使用任一肉體物質(zhì)為非法的，這就限制了使用活老鼠，最后禁止使用無線電操縱的電腦鼠。
迷宮的基本組成包括直路，彎路及死路，它們連接起來構(gòu)成一個 20平方英尺的迷宮。路徑的寬度為61/2英寸，墻高度為2英寸。由于沒有最高限度，因而電腦鼠可高過墻，但電腦鼠不能跳過或飛過墻。
在首場試賽中獲勝的電腦鼠分別在51.4秒和4分32.5秒內(nèi)通過一個5×10英尺的迷宮，這么大的時間差主要是由于電腦鼠“訓練員”所設計的不同策略。令人驚奇的是，4個沒有完成的失敗者不是由于認知能力差，而是因為它們不能進行90度拐彎。
速度最快的電腦鼠是由來自位于華盛頓的 BattelLe Northwest實驗室的Art Boland，Phil Stover，和Ron Dilbeck制造的，根據(jù)Boland的觀點，他們圍繞一個微型計算機構(gòu)建作品，這個微型計算機具有足夠大的存儲器，可存儲需要在迷宮中99個不同位置做決定時所需的信息。通常采用的策略是，第一次通過時（允許有三次通過機會），允許電腦鼠在每個拐彎處隨機選擇。第二次通過時，電腦鼠嘗試它“知道”在第一次沒有嘗試的新路線。然后用收集到的消息計算最佳路線，用于第三次通過。
Battelle工程師使用了大量紅外發(fā)光二極管（LED）與光電探測器結(jié)合作為傳感器，以監(jiān)測迷宮的白色墻壁，并定位拐角處墻壁上的洞或新路徑的起點，大小為5英寸（長）×5英寸（寬）×7英寸（高）的電腦鼠是由堿電池驅(qū)動的。
來自丹佛Martin Marietta Aerospace的James Hamblen設計了第二個完成比賽的電腦鼠，Hamblen的電腦鼠不像Battelle的那樣智能，它是通過簡單的編程來沿著迷宮的左墻壁行走。只要入口和出口通道在迷宮周邊外側(cè)，這種策略就能確保解決問題，盡管需要花費一些時間來尋找通道。另一個區(qū)別是Hamblen的電腦鼠是圓柱形的，因此它即使在撞上墻壁的情況下也還可以轉(zhuǎn)彎。Battelle電腦鼠的傳感系統(tǒng)設計為防止方形電腦鼠離墻壁太近。這兩種電腦鼠的其它方面是相似的。特別是使用分離的步進電機驅(qū)動電腦鼠每個側(cè)面的輪子，這使它們可很敏捷的轉(zhuǎn)彎，比如一個輪子向前而另一個輪子向后。
制造這兩個電腦鼠都花費了相當多的努力，Boland估計他的團隊共花費了500個工作時，而Hamblen估計他為該項目花費了約1000小時。
最初舉辦電腦鼠走迷宮競賽有兩個目的，一是為公眾提供一個了解微電子學發(fā)展及IEEE協(xié)會的窗口，其次是為工程師們提供一個發(fā)揮聰明才智的空間，激發(fā)他們的創(chuàng)造力，最終帶動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。這一想法最初是由Spectrum的編輯，Donald Christiansen提出的。但是該迷宮得概念并不是Donald Christiansen最早提出來的，在50年代早期，貝爾實驗室的Claude Shannon已經(jīng)演示過會該迷宮的電腦鼠。
電老鼠競賽的定義
編者按：2009 IEEE國家標準全國電老鼠邀請賽即將于11月7-8日在北京航空航天大學拉開序幕，各地的選拔賽也在緊密鑼鼓地進行，目前陜西賽區(qū)、山西賽區(qū)、北京賽區(qū)和湖北賽區(qū)已經(jīng)結(jié)束，經(jīng)過幾個月精心準備很多學生都取得了很好的成績，我想大家通過湖北賽區(qū)華中科技大學的新聞報道可以將會有更多的了解（http://news.hustonline.net/Html/2009-10-27/66565.shtml）。
電腦鼠走迷宮競賽具有一定難度，是一項富有挑戰(zhàn)性和趣味性的比賽。此外，它還是一個很好的教學工具。電腦鼠可看作是一個集多項工程學科知識于一體的小型系統(tǒng)。成功的設計者通常都是合作團體，他們必須考慮電子、電氣、機械以及計算機各方面的問題。重量、速度、功耗、傳感技術(shù)、重心以及程序各方面都是設計中需要決定和綜合考慮的因素。電腦鼠是一個多學科的綜合體，與多各學科關(guān)系精密：
(1) 機械工程：首先電腦鼠必須是個實實在在的機器人，而對于在迷宮中高速穿梭的電腦鼠，“身材”的好壞極其重要。大多數(shù)使用步進電機的電腦鼠可以直接將車輪安裝在電機軸上，而使用直流電機驅(qū)動的電腦鼠往往許多添加減速和傳動裝置，如何既使輪子安裝穩(wěn)定不顫動，保證高傳動效率，又使車體輕巧美觀是機械設計時需要解決的問題。
(2) 電子工程：電腦鼠是一個嵌入式系統(tǒng)，需要廣泛的涉及信號處理、通信、微處理器應用和電機控制等。
(3) 自動控制：控制電腦鼠在迷宮中快速而準確的行走屬于自動控制技術(shù)范疇。測距傳感器獲取距離信息并將其反饋給微處理器，微處理器對距離值分析處理獲得墻壁信息并根據(jù)墻壁信息控制電機動作以帶動輪子產(chǎn)生相應的動作，這整個構(gòu)成一個大自動控制系統(tǒng)。而在這個大系統(tǒng)內(nèi)還可以包含其他的自動控制系統(tǒng)。
(4) 人工智能：電腦鼠走迷宮競賽的整個過程可大體分為兩個部分：一、搜索迷宮，從起點出發(fā)，找到終點并找出一條最短路徑；二、沖刺，從起點開始，在最短時間內(nèi)到達終點。搜索迷宮過程是電腦鼠學習過程。沖刺過程前需要在所有走過的通路中依據(jù)自己的原則選擇一條路徑作為最短路徑，這是一個決策過程。
(5) 程序設計：電腦鼠程序具有嵌入式軟件的一般特征并有更高要求。電腦鼠程序必須高效率和高實時性才能保證電腦鼠的控制精和靈敏度。
(6) 傳感與測試技術(shù)：電腦鼠需要有眾多信息的反饋，如墻壁信息等。需要用到許多傳感器，如測試墻壁信息紅外傳感器測量距離，使用霍爾傳感器測試車輪轉(zhuǎn)速以控制轉(zhuǎn)速和測量路程等。電腦鼠是一個精密控制體，足夠的控制精度才能保證在高速行走的時候不撞墻和迷失自我。不但要求能夠準確測量，還必須有足夠快的響應速度。
電腦鼠具有精確的定位能力，快速的行走能力和優(yōu)秀的避障能力等特點。對電腦鼠進行升級后可以應用在許多場合。電腦鼠技術(shù)可以應用在工業(yè)機器人和特種機器人設計中，并可以將電腦鼠技術(shù)說涉及的各學科知識分別應用在各相關(guān)領(lǐng)域。
電腦鼠結(jié)合了多學科知識，對于提升在校學生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進學生課堂知識的消化和擴展學生的知識面都非常有幫助。另外電腦鼠走迷宮競賽極具趣味性，容易得到學生的認同及參與，并能很好的激發(fā)和引導學生這方面的興趣和愛好。競賽的開展必然提升參賽者在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平和應用能力，為技術(shù)創(chuàng)新提供平臺。可以培養(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才,進而促進相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程。通過舉辦競賽可以向社會大眾展示我國相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。另外積極地參加國際電腦鼠比賽能夠促進與其他國家的技術(shù)交流，增進國際友誼，提升我國在機器人領(lǐng)域的國際地位。 |
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發(fā)表于 2009-11-6 15:42:11
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