一种新型电动黑板擦拭系统的研究

1. 引言

随着科技的发展，教育领域也迎来了智能化的变革。电动黑板擦作为一种新兴的教学工具，以其高效快捷、清洁环保的特点， 逐渐受到广大师生的关注。目前市场上大多数智能黑板擦拭产品因其操作繁琐、成本过高、功能和效果不尽如意。因此，如何优化该类产品的功能和效果、提高产品易用性仍是需要重点关注的问题。

2. 研究背景与意义

电动黑板擦作为一种智能化教学工具，近年来在全球范围内受到了广泛的关注和研究。首先，它改变了传统教学工具的使用模式，推动教育场景向智能化、人性化方向发展，符合现代教育技术发展的趋势。其次，通过减少粉尘污染，它能有效改善教室空气质量，降低师生患呼吸道疾病的风险，具有显著的卫生健康意义。此外，这一发明还体现了绿色环保理念，符合可持续发展需求。长远来看，电动黑板擦不仅是一项工具创新，更可激发教育领域对智能教具的持续探索，为构建高效、健康、科技融合的教学环境提供示范价值。

现有的机械化电动黑板擦拭装 的特定区域进行精准清洁。传统黑板擦在擦拭后，对已擦 智能化的黑板擦拭与恢复系统，对现有电动黑板擦功能 投影仪、传统书写黑板、相机以及现有的机械黑板擦拭装 传统粉笔字黑板的整板擦拭、指定区域擦拭，还可将已擦除的整 内容以图片形 实现对已擦除内容的恢复功能，可极大提高广大师生的课堂学习效率

3. 研究内容

该系统由 通讯模块、语音识别模块、图像算法模块和控制模块四个核心部分组成。

通讯模块：采用无线通信技术，设计高效的数据协议，确保指令传输的实时性和准确性，通过微控制器实现数据的接收、处理和转发。当用户通过语音发出“擦除指令”时，通讯模块将接收语音识别模块的指令，并将其传递给控制模块执行相应动作。通讯模块是整个系统的核心枢纽，它是各模块之间的桥梁和纽带， 确保各部分之间高效协同工作。

语音识别模块：采用自然语言处理（NLP）技术，使用嵌入式语音识别芯片，结合语音识别算法，设计成用户友好的语音指令集，用户通过 AI 语音遥控器发出“擦除”指令后，语音识别模块将该指令转化为系统可执行的命令，并通过通讯模块传递给控制模块。通过内置麦克风采集语音信号，采集到的语音信号进行调整大小、归一化等预处理，从预处理后的语音信号中提取特征，使其有效地表示语音信号的关键信息。使用Python 音频库进行语音模型的训练与加载，训练好的语音模型会被保存下来，与系统接收到的新语音信号进行比对。 当系统接收到语音信号时，会与系预先训练好的Python 音频库语音模型进行比对。若匹配失败，系统会进入自动识别模式，比对三次仍未识别会提示重新输入指令，若匹配成功，则会对控制系统发出相应的指令并执行相关操作。

图像算法模块：采用计算机视觉技术，结合图像处理算法（边缘检测、目标识别）和深度学习模型，实现对黑板内容的实时识别和分析。通过高分辨率相机拍摄黑板内容，识别需要局部擦除的区域，提取需要擦除区域的位置坐标，便于控制模块执行精准擦拭。并设计图像恢复算法，可将已擦除的内容以图片形式保存，随时可通过投影仪重新展示出来。

Canny 边缘检测技术：通过梯度计算和非极大值抑制处理 有效地提取图像中的边缘信息，用于精确识别黑板上的粉笔字迹边缘，锁定需要擦除的区域 黑板背景，又提高清洁精度和效率。梯度计算：使用 Sobel 算子计算图像中每个像素的梯度强度和方向。 在图像中，梯度是一个向量，表示像素值在水平和垂直方向上的变化率。梯度的大小表示变化的强度，梯度的方向表示变化的方向。

沿着梯度方向比较当前像素与相邻像素的梯度强度，细化边缘，只保留梯度强度最大的像素，精准定位边缘检测的位置。

控制模块：采用微控制器，实现对电机、擦拭装置和投影仪的整体控制。当通讯模块传递“擦除指定区域”指令时，控制模块驱动电动黑板擦移动到目标位置并执行清洁操作，当用户需要恢复已擦除内容时，控制模块启动投影仪，将保存的图像重新投影到黑板上。

系统工作流程：用户通过 AI 语音遥控器发出指令， 语音识别模块将语音指令转化为系统命令，通过通讯模块传递给图像算法模块和控制模块，图像算法模块通过相机拍摄黑板内容，识别目标区域并提取相应位置坐标，控制模块根据坐标信息，驱动电动黑板擦执行指定区域擦拭工作，如果需要恢复擦除的内容，则通过控制模块启动投影仪，将保存的图像重新投影到黑板上。

4. 技术路线

当用户发出擦拭指令时，可通过激光笔人为圈出擦除区域，之后系统利用语音识别算法将语音信号转换为控制信号，再通过图像处理算法，使相机对激光束圈出的区域进行图像识别与坐标提取，拍摄并保存需要擦拭的区域，最后驱动电动黑板擦执行擦拭功能和实现已擦除内容的恢复工作，具体流程如图3.1 所示：

图3.1- 智能擦拭与恢复系统-- 整体技术路线图

5. 使用方法

当需要进行局部擦拭时，点击遥控器局部擦拭按钮 用激光笔圈出需要擦除的区域，相机会发出采集指令，对激光束的轨迹进行实时动态捕捉， 通过图像处理算 擦除的区域，相机拍照并保存该区域的图片，将提取目标区域的坐标信息传递给控制系统，从而启动擦拭装置的小黑板擦执行局部擦拭任务。同理，大黑板擦执行整板擦拭任务。

当需要对已擦除内容进行整板恢复时 器图片查询按钮查找图片 显示屏上出现所需要恢复的图片时，点击图片恢复功能，可将保 对已擦除的内容进行指定区域恢复时，同样找到所需图片点击恢复 存的图像数 对图像的位置坐标以及根据黑板大小调整图片尺寸，使其与黑板内容完美匹配，进而将指定区域的内容重新投影到黑板相应位置上。

开发AI 语音遥控器，支持自然语言指令识别，用户可以通过语音指令和按钮操作，控制黑板擦的工作模式，实现操作流程的简单化，提升设备的易用性和灵活性。

AI 遥控示意图

6. 使用范围

该系统在进行整体或局部擦拭时，需要以计算机或电脑为载体，配合相机、擦拭装置进行工作。对已擦除内容进行恢复投影时，还需要投影仪的配合，所以对教室的硬件设施条件有一定的要求。同时，执行擦拭工作的装置为能嵌在黑板上的机械性电动黑板擦，可完成对传统写字黑板的擦拭与 恢复工作。将该系统置于智慧黑板中，可完成智慧黑板的擦拭与恢复工作。

结论

此系统能使现有的电动黑板擦缩短擦拭时间，提高清洁效率，极大的提高了教师对黑板的利用率。它通过革命性恢复投功能，解决了传统黑板需要反复擦写的痛点，无缝衔接板书与电子内容，显著提升了教学效率和课堂效果。

参考文献：

[1] 许春园 . 一种新型自动黑板擦的设计 [J]. 今日制造与升级 ，2022（06）：2.

[2] 陈德谦 ， 王志坤 . 对一款全自动无尘黑板擦的研究 [J]. 电子世界 ，2014（4）：188-189.

项目来源：郑州科技学院校级大学生创新创业项目，项目编号：DC202542，经费编号：23030125042

作者简介：刘阳（2005-- 汉族， 河南省洛阳市人，学生，食品科学与工程专业.罗潮杰（2004--），男，汉族， 河南省濮阳市人，学生，人工智能专业.张良（2005--），男，汉族 阳市人，学生，人工智能专业.李梅（1990-- 女， 汉族 南阳市人，助教，理学硕士.李莎莎（1994--），女，汉族，河南省南阳市人，讲师，理学硕士.