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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(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)中國嵌入式（微機(jī)）專委會(huì)自2007年開始以上海試點(diǎn)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(jìng)賽。在積累一定經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(qǐng)賽”，此次競(jìng)賽分10賽區(qū)邀請(qǐng)了52所大學(xué)參加競(jìng)賽，目的就是為了推動(dòng)創(chuàng)新教育的改革和幫助在校大學(xué)生提高創(chuàng)新動(dòng)手設(shè)計(jì)能力。此賽事將每年舉辦一次，明年將參賽大學(xué)擴(kuò)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(xué)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(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)，申龍將它運(yùn)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(shè)計(jì)方向，因此這篇論文在現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)史上具有劃時(shí)代的意義。
1940年申龍取得了博士學(xué)位之后，在AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室里度過了碩果累累的15年。他用實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(yùn)算功能的計(jì)算機(jī)。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(xué)基礎(chǔ)》，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(dá)特默斯人工智能會(huì)議，成為這一新學(xué)科的開山鼻祖之一。他不僅率先把人工智能運(yùn)用于電腦下棋方面，而且發(fā)明了一個(gè)能自動(dòng)穿越迷宮的“電老鼠”，以此證明計(jì)算機(jī)可以通過學(xué)習(xí)提高智能。
2.電老鼠的制作與競(jìng)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(jī)電運(yùn)動(dòng)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(dòng)記憶和選擇路徑，尋找出口，最終到達(dá)所設(shè)定的目的地，詳情請(qǐng)登錄網(wǎng)站http://www.micromouse.com.cn 。
國際電工和電子工程學(xué)會(huì)（IEEE）每年舉辦一次國際性的電老鼠走迷宮競(jìng)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(xué)生，為此有的大學(xué)還開設(shè)了“電老鼠原理與制作”選修課程。
電老鼠走迷宮競(jìng)賽要求參賽者自己設(shè)計(jì)和制作電老鼠，迷宮的路徑也是在競(jìng)賽開始前幾分鐘隨機(jī)設(shè)置的，所以競(jìng)賽的難度較大。競(jìng)賽除了考驗(yàn)參賽者在人工智能編程方面的能力以外，還要考驗(yàn)參賽者對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用﹑傳感器應(yīng)用﹑控制技術(shù)應(yīng)用與人工智能技術(shù)等多方面的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐能力，因?yàn)檫@類競(jìng)賽對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力有很大的益處。
3.人工智能學(xué)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(xué)科，其主要任務(wù)是建立智能信息處理理論，進(jìn)而設(shè)計(jì)可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計(jì)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(huì)》的作者）、羅徹斯特（IBM計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者之一）發(fā)起了達(dá)特默斯人工智能會(huì)議，達(dá)特默斯會(huì)議標(biāo)志人工智能學(xué)科的誕生，它從一開始就是交叉學(xué)科的產(chǎn)物，與會(huì)者有數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家、認(rèn)知學(xué)家、心理學(xué)家、神經(jīng)生理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家。在達(dá)特默斯會(huì)議上，明斯基的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(gè)亮點(diǎn)。分別討論如何穿過迷宮，如何搜索推理和如何證明數(shù)學(xué)定理，會(huì)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(jì)劃，從1981年起相繼成立了各種人工智能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)團(tuán)體。1987年《模式識(shí)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(huì)議（CJCAI）。中國科學(xué)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(jìng)賽起源
1972年，機(jī)械設(shè)計(jì)雜志發(fā)起過一場(chǎng)比賽。在比賽中，僅由捕鼠器彈簧驅(qū)動(dòng)的機(jī)械鼠不停地與其它參賽鼠競(jìng)賽，以判斷哪個(gè)機(jī)械鼠能夠沿著跑道跑出最長(zhǎng)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(gè)小型的由微處理器控制的機(jī)器人車輛，在復(fù)雜迷宮中具有譯碼和導(dǎo)航的功能和能力。
1979年，電子和電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）通過其Spectrum and Computer雜志發(fā)起了一場(chǎng)競(jìng)賽，比賽項(xiàng)目是為制造出能夠在最短時(shí)間內(nèi)自主走出迷宮的電腦鼠的人獎(jiǎng)勵(lì)$1000美元。盡管沒有人知道會(huì)是什么結(jié)果，但Spectrum的Roger Allan宣稱全世界約有6000人對(duì)該比賽有興趣，并于3月份的截至?xí)r期前付了$3.95美元參賽費(fèi)。
競(jìng)賽給每只電腦鼠多次試運(yùn)行機(jī)會(huì)，只要在試運(yùn)行期間順利完成了一次就可以參加6月在紐約的國際計(jì)算機(jī)會(huì)議進(jìn)行的決賽。有6只電腦鼠進(jìn)入了決賽，其中兩只電腦鼠最終完成了比賽。
在設(shè)計(jì)電腦鼠比賽的規(guī)則時(shí)強(qiáng)調(diào)微電子在電腦鼠中的應(yīng)用，比賽允許電腦鼠有3次機(jī)會(huì)通過迷宮。因此通過微型計(jì)算機(jī)“記憶”電腦鼠前兩次走過的路徑，從而在最后通過時(shí)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(dú)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(gè) 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(chǎng)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(gè)5×10英尺的迷宮，這么大的時(shí)間差主要是由于電腦鼠“訓(xùn)練員”所設(shè)計(jì)的不同策略。令人驚奇的是，4個(gè)沒有完成的失敗者不是由于認(rèn)知能力差，而是因?yàn)樗鼈儾荒苓M(jìn)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(shí)驗(yàn)室的Art Boland，Phil Stover，和Ron Dilbeck制造的，根據(jù)Boland的觀點(diǎn)，他們圍繞一個(gè)微型計(jì)算機(jī)構(gòu)建作品，這個(gè)微型計(jì)算機(jī)具有足夠大的存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)需要在迷宮中99個(gè)不同位置做決定時(shí)所需的信息。通常采用的策略是，第一次通過時(shí)（允許有三次通過機(jī)會(huì)），允許電腦鼠在每個(gè)拐彎處隨機(jī)選擇。第二次通過時(shí)，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(jì)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(cè)器結(jié)合作為傳感器，以監(jiān)測(cè)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(diǎn)，大小為5英寸（長(zhǎng)）×5英寸（寬）×7英寸（高）的電腦鼠是由堿電池驅(qū)動(dòng)的。
來自丹佛Martin Marietta Aerospace的James Hamblen設(shè)計(jì)了第二個(gè)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(jiǎn)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(fèi)一些時(shí)間來尋找通道。另一個(gè)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(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電腦鼠每個(gè)側(cè)面的輪子，這使它們可很敏捷的轉(zhuǎn)彎，比如一個(gè)輪子向前而另一個(gè)輪子向后。
制造這兩個(gè)電腦鼠都花費(fèi)了相當(dāng)多的努力，Boland估計(jì)他的團(tuán)隊(duì)共花費(fèi)了500個(gè)工作時(shí)，而Hamblen估計(jì)他為該項(xiàng)目花費(fèi)了約1000小時(shí)。
最初舉辦電腦鼠走迷宮競(jìng)賽有兩個(gè)目的，一是為公眾提供一個(gè)了解微電子學(xué)發(fā)展及IEEE協(xié)會(huì)的窗口，其次是為工程師們提供一個(gè)發(fā)揮聰明才智的空間，激發(fā)他們的創(chuàng)造力，最終帶動(dòng)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(shí)驗(yàn)室的Claude Shannon已經(jīng)演示過會(huì)該迷宮的電腦鼠。
電老鼠競(jìng)賽的定義
編者按：2009 IEEE國家標(biāo)準(zhǔn)全國電老鼠邀請(qǐng)賽即將于11月7-8日在北京航空航天大學(xué)拉開序幕，各地的選拔賽也在緊密鑼鼓地進(jìn)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(gè)月精心準(zhǔn)備很多學(xué)生都取得了很好的成績(jī)，我想大家通過湖北賽區(qū)華中科技大學(xué)的新聞報(bào)道可以將會(huì)有更多的了解（http://news.hustonline.net/Html/2009-10-27/66565.shtml）。
電腦鼠走迷宮競(jìng)賽具有一定難度，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性和趣味性的比賽。此外，它還是一個(gè)很好的教學(xué)工具。電腦鼠可看作是一個(gè)集多項(xiàng)工程學(xué)科知識(shí)于一體的小型系統(tǒng)。成功的設(shè)計(jì)者通常都是合作團(tuán)體，他們必須考慮電子、電氣、機(jī)械以及計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)中需要決定和綜合考慮的因素。電腦鼠是一個(gè)多學(xué)科的綜合體，與多各學(xué)科關(guān)系精密：
(1) 機(jī)械工程：首先電腦鼠必須是個(gè)實(shí)實(shí)在在的機(jī)器人，而對(duì)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(jìn)電機(jī)的電腦鼠可以直接將車輪安裝在電機(jī)軸上，而使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電腦鼠往往許多添加減速和傳動(dòng)裝置，如何既使輪子安裝穩(wěn)定不顫動(dòng)，保證高傳動(dòng)效率，又使車體輕巧美觀是機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的問題。
(2) 電子工程：電腦鼠是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，需要廣泛的涉及信號(hào)處理、通信、微處理器應(yīng)用和電機(jī)控制等。
(3) 自動(dòng)控制：控制電腦鼠在迷宮中快速而準(zhǔn)確的行走屬于自動(dòng)控制技術(shù)范疇。測(cè)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(duì)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(jī)動(dòng)作以帶動(dòng)輪子產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，這整個(gè)構(gòu)成一個(gè)大自動(dòng)控制系統(tǒng)。而在這個(gè)大系統(tǒng)內(nèi)還可以包含其他的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
(4) 人工智能：電腦鼠走迷宮競(jìng)賽的整個(gè)過程可大體分為兩個(gè)部分：一、搜索迷宮，從起點(diǎn)出發(fā)，找到終點(diǎn)并找出一條最短路徑；二、沖刺，從起點(diǎn)開始，在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)。搜索迷宮過程是電腦鼠學(xué)習(xí)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(gè)決策過程。
(5) 程序設(shè)計(jì)：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(shí)時(shí)性才能保證電腦鼠的控制精和靈敏度。
(6) 傳感與測(cè)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(cè)試墻壁信息紅外傳感器測(cè)量距離，使用霍爾傳感器測(cè)試車輪轉(zhuǎn)速以控制轉(zhuǎn)速和測(cè)量路程等。電腦鼠是一個(gè)精密控制體，足夠的控制精度才能保證在高速行走的時(shí)候不撞墻和迷失自我。不但要求能夠準(zhǔn)確測(cè)量，還必須有足夠快的響應(yīng)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(diǎn)。對(duì)電腦鼠進(jìn)行升級(jí)后可以應(yīng)用在許多場(chǎng)合。電腦鼠技術(shù)可以應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人設(shè)計(jì)中，并可以將電腦鼠技術(shù)說涉及的各學(xué)科知識(shí)分別應(yīng)用在各相關(guān)領(lǐng)域。
電腦鼠結(jié)合了多學(xué)科知識(shí)，對(duì)于提升在校學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識(shí)的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面都非常有幫助。另外電腦鼠走迷宮競(jìng)賽極具趣味性，容易得到學(xué)生的認(rèn)同及參與，并能很好的激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生這方面的興趣和愛好。競(jìng)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(yīng)用能力，為技術(shù)創(chuàng)新提供平臺(tái)。可以培養(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才,進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。通過舉辦競(jìng)賽可以向社會(huì)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(jìn)與其他國家的技術(shù)交流，增進(jìn)國際友誼，提升我國在機(jī)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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