电老鼠的发明、竞赛起源和定义 - 新手园地 - 电子工程师俱

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作者：周立功  来源：新浪博客  日期：2009-10-26

<strong> 电老鼠的发明</strong>

  编者按：电老鼠又俗称为“电脑鼠”，中国计算机学会中国嵌入式（微机）专委会自2007年开始以上海试点组织华东区（上海、江苏、浙江）30多所高校连续举办了两次竞赛。在积累一定经验的基础上，将于2009年11月 7-8日在北京举办“全国电脑鼠走迷宫邀请赛”，此次竞赛分10赛区邀请了52所大学参加竞赛，目的就是为了推动创新教育的改革和帮助在校大学生提高创新动手设计能力。此赛事将每年举办一次，明年将参赛大学扩大到100-150所。


  1.发明家申龙

  1916年出生在美国密执安州的数学家申龙，1938年申龙完成了《继电器和开关电路的分析》论文。由于布尔代数只有0和1，恰好与二进制数对应，申龙将它运用于以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到技术彻底改变了数字电路的设计方向，因此这篇论文在现代数字计算机史上具有划时代的意义。

  1940年申龙取得了博士学位之后，在AT&T贝尔实验室里度过了硕果累累的15年。他用实验证实，完全可以采用继电器元件制造出能够实现布尔代数运算功能的计算机。1948年申龙又发表了另一篇至今还在闪烁光芒的论文——《通信的数学基础》，从而给自己赢得了“信息论之父”的桂冠。

  1956年，他参与发起了达特默斯人工智能会议，成为这一新学科的开山鼻祖之一。他不仅率先把人工智能运用于电脑下棋方面，而且发明了一个能自动穿越迷宫的“电老鼠”，以此证明计算机可以通过学习提高智能。

2.电老鼠的制作与竞赛

  所谓“电老鼠”，英文名称叫做Micromouse，是使用微控制器﹑传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置的俗称。它可以在“迷宫”中自动记忆和选择路径，寻找出口，最终到达所设定的目的地，详情请登录网站http://www.micromouse.com.cn 。

  国际电工和电子工程学会（IEEE）每年举办一次国际性的电老鼠走迷宫竞赛，自举办以来参加国踊跃，尤其是美国和欧洲国家的高校学生，为此有的大学还开设了“电老鼠原理与制作”选修课程。

  电老鼠走迷宫竞赛要求参赛者自己设计和制作电老鼠，迷宫的路径也是在竞赛开始前几分钟随机设置的，所以竞赛的难度较大。竞赛除了考验参赛者在人工智能编程方面的能力以外，还要考验参赛者对嵌入式系统应用﹑传感器应用﹑控制技术应用与人工智能技术等多方面的经验和实践能力，因为这类竞赛对培养和提高学生的创新精神和实践能力有很大的益处。

  3.人工智能学科的诞生

  人工智能是研究理解和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。

  1956年麦卡锡联合申龙（信息论创立者）、明斯基（人工智能大师、《心智社会》的作者）、罗彻斯特（IBM计算机设计者之一）发起了达特默斯人工智能会议，达特默斯会议标志人工智能学科的诞生，它从一开始就是交叉学科的产物，与会者有数学家、逻辑学家、认知学家、心理学家、神经生理学家和计算机科学家。在达特默斯会议上，明斯基的神经网络模拟器、麦卡锡的搜索法以及西蒙和纽维尔的定理证明器是3个亮点。分别讨论如何穿过迷宫，如何搜索推理和如何证明数学定理，会上首次使用了“人工智能”这一术语。

  我国的人工智能研究起步较晚，1978年开始纳入国家研究计划，从1981年起相继成立了各种人工智能学会学术团体。1987年《模式识别与人工智能》杂志创刊，1989年首次召开中国人工智能联合会议（CJCAI）。中国科学家在人工智能领域取得了一些在国际上有影响的创造性成果，如吴文俊院士关于几何定理证明的“吴氏方法”。

<strong>电老鼠竞赛起源</strong>

   1972年，机械设计杂志发起过一场比赛。在比赛中，仅由捕鼠器弹簧驱动的机械鼠不停地与其它参赛鼠竞赛，以判断哪个机械鼠能够沿着跑道跑出最长的距离。冠军是“mousemobile”，它跑了825.3英尺。

  1977年，IEEE Spectrum杂志提出电脑鼠的观念，电脑鼠是一个小型的由微处理器控制的机器人车辆，在复杂迷宫中具有译码和导航的功能和能力。

  1979年，电子和电气工程师协会（IEEE）通过其Spectrum and Computer杂志发起了一场竞赛，比赛项目是为制造出能够在最短时间内自主走出迷宫的电脑鼠的人奖励$1000美元。尽管没有人知道会是什么结果，但Spectrum的Roger Allan宣称全世界约有6000人对该比赛有兴趣，并于3月份的截至时期前付了$3.95美元参赛费。

  竞赛给每只电脑鼠多次试运行机会，只要在试运行期间顺利完成了一次就可以参加6月在纽约的国际计算机会议进行的决赛。有6只电脑鼠进入了决赛，其中两只电脑鼠最终完成了比赛。

  在设计电脑鼠比赛的规则时强调微电子在电脑鼠中的应用，比赛允许电脑鼠有3次机会通过迷宫。因此通过微型计算机“记忆”电脑鼠前两次走过的路径，从而在最后通过时选择最佳路径。此外尽管不需要电脑鼠看起来像一只真的老鼠，但它必须是独立的。不禁止使用活的老鼠，但有规则宣称比赛过程中使用任一肉体物质为非法的，这就限制了使用活老鼠，最后禁止使用无线电操纵的电脑鼠。

  迷宫的基本组成包括直路，弯路及死路，它们连接起来构成一个 20平方英尺的迷宫。路径的宽度为61/2英寸，墙高度为2英寸。由于没有最高限度，因而电脑鼠可高过墙，但电脑鼠不能跳过或飞过墙。

  在首场试赛中获胜的电脑鼠分别在51.4秒和4分32.5秒内通过一个5×10英尺的迷宫，这么大的时间差主要是由于电脑鼠“训练员”所设计的不同策略。令人惊奇的是，4个没有完成的失败者不是由于认知能力差，而是因为它们不能进行90度拐弯。

  速度最快的电脑鼠是由来自位于华盛顿的 BattelLe Northwest实验室的Art Boland，Phil Stover，和Ron Dilbeck制造的，根据Boland的观点，他们围绕一个微型计算机构建作品，这个微型计算机具有足够大的存储器，可存储需要在迷宫中99个不同位置做决定时所需的信息。通常采用的策略是，第一次通过时（允许有三次通过机会），允许电脑鼠在每个拐弯处随机选择。第二次通过时，电脑鼠尝试它“知道”在第一次没有尝试的新路线。然后用收集到的消息计算最佳路线，用于第三次通过。

   Battelle工程师使用了大量红外发光二极管（LED）与光电探测器结合作为传感器，以监测迷宫的白色墙壁，并定位拐角处墙壁上的洞或新路径的起点，大小为5英寸（长）×5英寸（宽）×7英寸（高）的电脑鼠是由碱电池驱动的。

  来自丹佛Martin Marietta Aerospace的James Hamblen设计了第二个完成比赛的电脑鼠，Hamblen的电脑鼠不像Battelle的那样智能，它是通过简单的编程来沿着迷宫的左墙壁行走。只要入口和出口通道在迷宫周边外侧，这种策略就能确保解决问题，尽管需要花费一些时间来寻找通道。另一个区别是Hamblen的电脑鼠是圆柱形的，因此它即使在撞上墙壁的情况下也还可以转弯。Battelle电脑鼠的传感系统设计为防止方形电脑鼠离墙壁太近。这两种电脑鼠的其它方面是相似的。特别是使用分离的步进电机驱动电脑鼠每个侧面的轮子，这使它们可很敏捷的转弯，比如一个轮子向前而另一个轮子向后。

  制造这两个电脑鼠都花费了相当多的努力，Boland估计他的团队共花费了500个工作时，而Hamblen估计他为该项目花费了约1000小时。

  最初举办电脑鼠走迷宫竞赛有两个目的，一是为公众提供一个了解微电子学发展及IEEE协会的窗口，其次是为工程师们提供一个发挥聪明才智的空间，激发他们的创造力，最终带动相关领域的技术发展。这一想法最初是由Spectrum的编辑，Donald Christiansen提出的。但是该迷宫得概念并不是Donald Christiansen最早提出来的，在50年代早期，贝尔实验室的Claude Shannon已经演示过会该迷宫的电脑鼠。

<strong>电老鼠竞赛的定义</strong>

  编者按：2009 IEEE国家标准全国电老鼠邀请赛即将于11月7-8日在北京航空航天大学拉开序幕，各地的选拔赛也在紧密锣鼓地进行，目前陕西赛区、山西赛区、北京赛区和湖北赛区已经结束，经过几个月精心准备很多学生都取得了很好的成绩，我想大家通过湖北赛区华中科技大学的新闻报道可以将会有更多的了解（http://news.hustonline.net/Html/2009-10-27/66565.shtml）。

  电脑鼠走迷宫竞赛具有一定难度，是一项富有挑战性和趣味性的比赛。此外，它还是一个很好的教学工具。电脑鼠可看作是一个集多项工程学科知识于一体的小型系统。成功的设计者通常都是合作团体，他们必须考虑电子、电气、机械以及计算机各方面的问题。重量、速度、功耗、传感技术、重心以及程序各方面都是设计中需要决定和综合考虑的因素。电脑鼠是一个多学科的综合体，与多各学科关系精密：

  (1)  机械工程：首先电脑鼠必须是个实实在在的机器人，而对于在迷宫中高速穿梭的电脑鼠，“身材”的好坏极其重要。大多数使用步进电机的电脑鼠可以直接将车轮安装在电机轴上，而使用直流电机驱动的电脑鼠往往许多添加减速和传动装置，如何既使轮子安装稳定不颤动，保证高传动效率，又使车体轻巧美观是机械设计时需要解决的问题。

  (2)  电子工程：电脑鼠是一个嵌入式系统，需要广泛的涉及信号处理、通信、微处理器应用和电机控制等。

  (3)  自动控制：控制电脑鼠在迷宫中快速而准确的行走属于自动控制技术范畴。测距传感器获取距离信息并将其反馈给微处理器，微处理器对距离值分析处理获得墙壁信息并根据墙壁信息控制电机动作以带动轮子产生相应的动作，这整个构成一个大自动控制系统。而在这个大系统内还可以包含其他的自动控制系统。

  (4)  人工智能：电脑鼠走迷宫竞赛的整个过程可大体分为两个部分：一、搜索迷宫，从起点出发，找到终点并找出一条最短路径；二、冲刺，从起点开始，在最短时间内到达终点。搜索迷宫过程是电脑鼠学习过程。冲刺过程前需要在所有走过的通路中依据自己的原则选择一条路径作为最短路径，这是一个决策过程。

  (5)  程序设计：电脑鼠程序具有嵌入式软件的一般特征并有更高要求。电脑鼠程序必须高效率和高实时性才能保证电脑鼠的控制精和灵敏度。

  (6)  传感与测试技术：电脑鼠需要有众多信息的反馈，如墙壁信息等。需要用到许多传感器，如测试墙壁信息红外传感器测量距离，使用霍尔传感器测试车轮转速以控制转速和测量路程等。电脑鼠是一个精密控制体，足够的控制精度才能保证在高速行走的时候不撞墙和迷失自我。不但要求能够准确测量，还必须有足够快的响应速度。

  电脑鼠具有精确的定位能力，快速的行走能力和优秀的避障能力等特点。对电脑鼠进行升级后可以应用在许多场合。电脑鼠技术可以应用在工业机器人和特种机器人设计中，并可以将电脑鼠技术说涉及的各学科知识分别应用在各相关领域。

  电脑鼠结合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助。另外电脑鼠走迷宫竞赛极具趣味性，容易得到学生的认同及参与，并能很好的激发和引导学生这方面的兴趣和爱好。竞赛的开展必然提升参赛者在相关领域的技术水平和应用能力，为技术创新提供平台。可以培养大批相关领域的人才,进而促进相关领域的技术发展和产业化进程。通过举办竞赛可以向社会大众展示我国相关领域的技术发展现状。另外积极地参加国际电脑鼠比赛能够促进与其他国家的技术交流，增进国际友谊，提升我国在机器人领域的国际地位。