郝艺婷，董悦宁

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨150000）

随着科学技术水平的不断提高，特别是智能化控制技术在近年来得到了突飞猛进的发展，人们的生活质量在不断地提高。同时，对工业产品的环保技术和节能技术性能方面的要求显得更为重要，这两项技术性能的优劣直接关系着使用者身体健康和投入成本的高低。

黑板擦作为教学系统中必不可少的教学工具，有着极其重要的作用。普通粉笔以熟石灰[Ca（OH）2]为原料制成，在板书和擦除过程中产生大量的粉末，对人体肺部伤害很大，严重影响师生健康，而且影响了投影仪、电脑等教学设备的运行和维护。

为克服传统黑板使粉笔造成的粉尘对环境的污染等弊端，近几年研制出一些新型产品，如无尘粉笔配黑板、水彩笔配白板的组合使用、自动化黑板擦。无尘粉笔虽在板书过程中不会产生大量粉尘，但在一些板书量较大的课堂上，如数理化课堂，板书清除是一个既费时又费力的过程；使用白板板书过程中水彩笔水的有机书写液散发的气味同样对人身体有害；市场上目前的自动黑板擦只可一次性擦除整个板书，在修改板书细节时仍需教师亲自擦除。这些问题的存在仍然困扰着使用者，严重影响了授课效果，浪费能源，不能满足环保要求。

本文所设计的智能化防尘黑板擦，是在现行自动黑板擦的基础上，通过激光笔遥控对指定区域内字迹进行擦除的自动化装置，有效地避免了人与黑板擦的直接接触，且操作简便，使用灵活，使教学更加人性化，既可解放双手，又可极大地减小粉尘对人的危害。智能化黑板擦的设计将从根本上解决传统自动黑板擦操作灵活性差、除尘效果欠佳的不足，能有效提高教师的授课效率，避免教师身体因板书时产生的粉尘或气味而受到不良影响，达到节能、高效、无环境污染的良好效果，具有可靠的实用价值及良好的经济效益和社会效益，前景广阔。

1 装置设计构思

在基本实现教学计算机全覆盖的现状下，使黑板擦智能化：教师手握激光笔，通过激光引导划定擦除范围，利用USB 镜头记录激光轨迹图像，系统自动识别激光的轨迹和覆盖范围，自动黑板擦装置根据接收的数据信息快速作出反应，准确地运动到指定区域进行擦除工作。防尘黑板擦装置主要包括无线控制模块、防尘模块和传动模块三个部分；PC机作为控制系统，分为区域识别模块和无线控制模块；外部设备包括激光笔和USB 镜头。

2 装置结构设计

2.1 无线控制模块

外部激光笔与自动黑板擦装置和PC 机通过蓝牙无线连接和控制，使整个系统相互关联映射，使装置稳定运行。激光笔为信号发射端，自动黑板擦为信号接收端，控制系统既为信号接收端也为信号发射端。随着按下激光按钮并手动划出擦除范围的同时，USB 镜头捕捉激光点轨迹，控制端接收到轨迹信号并编译为黑板擦运动信号，传输到黑板擦装置运行。机械装置中插入主控芯片来接收PC 控制端的命令以及驱动电机。

2.2 防尘模块

黑板擦设计为矩形结构，采用储水方式进行湿擦，进而实现干湿擦结合，技术难度低。矩形的四个边为储水海绵-擦布的结构，通过细孔源源不断获取水流，实现湿擦；板擦中心为正常板擦结构，实现干擦。

通过控制水的流速及流量，尽量缩短擦除后进行板书的时间。水的流速及流量由储水盒下端的细孔的大小和分布状况确定，细孔的作用是令储水盒中的水缓慢均匀流下，保证储水海绵保持湿润状态。

黑板擦防尘结构如图1 所示。

图1 黑板擦防尘结构

2.3 传动模块

基于机械传动原理和黑板擦的摩擦力问题，在标准黑板面上，采用电机驱动齿轮齿条的传动方式，同时操作横-纵方向的运动，电机正转时带动黑板擦向右（下）运动，反转时带动黑板擦向左（上）运动，使黑板擦快速准确地到达指定位置完成工作。确定一个安全高效的装置运行速度，速度过快会存在安全隐患，且由于惯性会影响到黑板擦运行终点位置的准确性，速度过慢则会影响效率。黑板擦装置简图如图2 所示。黑板擦实体模拟如图3 所示。

图2 黑板擦装置简图

图3 黑板擦实体模拟图

2.4 区域识别模块

基于深度学习中的分类问题，PC 机通过获取的激光图像，对激光的轨迹进行识别与跟踪，构建卷积神经网络，通过卷积计算获取目标的轨迹和范围面积等信息，划分出待擦除区域，设计擦除轨迹和自动归位的算法，明确黑板擦的擦除轨迹有助于改良黑板擦的擦除工作，而编写归位算法是令黑板擦在每次擦除工作后回到原位，以便于下次使用的关键方法，以保证装置运行到激光指定范围进行擦除工作的高准确率。

3 结论

智能化防尘黑板擦的特色如下：采用储水方式进行湿擦，进而实现干湿擦结合，技术难度低。通过调整细孔大小和分布进行水流控制，获取最佳的湿擦效果，避免了频繁添水操作；自动黑板擦装置与激光笔和PC 机通过蓝牙无线连接和控制，使整个系统相互关联映射，实现装置的稳定运行；将外部激光笔引导和内部智能化有机结合，采用图像智能识别技术，为使用者提供便捷；对黑板擦装置进行深度学习训练，使黑板擦装置运动到指定位置，具有反应速度快、准确性高的特点，且成本低，利于大范围推广。

防尘黑板擦装置巧妙地采用激光笔触发调节擦除范围的方式启动装置运行，既避免了师生与粉笔粉尘接触，又使操作简便且省力，极大地解放了师生的双手，黑板擦采取干-湿结合的方式，利用细孔最大限度抑制粉尘飞扬，将热门的深度学习应用到教育实践中，实现智能化教学，具有很高的实用价值。