1、當3D打印遇上人工智能智能龍舟案例的創作探索在國家大力提倡“大眾創業， 萬眾創新”的環境下,創客運動猶如 雨后春筍般涌現，筆者所在學校也 創建了創客社團，小創客們正以初 生牛犢的探索精神為學校的多元 發展注入更多新鮮的活力。下面，筆 者以小創客們制作的智能龍舟為 例,分享他們的探索創作過程。案例背景2019年5月,學校創客社團的小 創客們受邀組隊參加一個創客活 動,活動要求圍繞以下主題進行人 工智能作品創作。作品主題：十九大報告中提 到，要“堅定文化自信，推動社會主 義文化繁榮興盛”，“深入挖掘中華 優秀傳統文化蘊含的思想觀念、人 文精神、道德規范,結合時代要求 繼承創新，讓中華文化展現出永久

2、 魅力和時代風采”。民間藝術是中華 優秀傳統文化的重要體現,繼承和 發揚民間藝術是我們的歷史使命。 你的家鄉有哪些民間藝術？它背后 的文化是什么？在人工智能飛速發 展的今天，想一想如何結合人工智 能讓家鄉的民間藝術更具有時代的 特征，從而被更多人了解，讓其更有 生命力地傳承下去。初步設想在接到活動的通知后，學生們 開始自行組隊并提出自己的設想， 結合學生現有的技術水平、各種可 利用的資源和可行性分析,經過篩 選，最終確定了智能龍舟創作方 向。端午節是我國的傳統節日，在這 一傳統節日里很多地方都有賽龍舟 的習俗，傳統意義上的龍舟都是通 過人力進行驅動的,智能龍舟的設 想是在保留傳統龍舟外形的基礎

3、 上進行人工智能的升級改造，使其 更加智能和更具時代氣息,與本次 活動的主題要求也極為匹配。經過研究討論，學生提出創作 的智能龍舟作品應具有以下功能： 通過聲音指令控制船槳的劃行 快慢程度;自動檢測行進的前方 是否有障礙物，保障船的安全;能 自行檢測船身的震動，并反饋信息， 確保船的平穩行駛;給龍舟增加 聲控動力助推器，使龍舟在賽道上 更加如魚得水；語音交互介紹 播報。項目分析要實現以上的創作設想，必須 有相關的硬件和軟件支持。硬件部 分主要包括龍舟的船身和零部件， 還有具有語音識別功能的主控板 和各種探測傳感器等。其中，龍舟的 船身和零部件沒有現成的模型可 以使用，只能根據需求來制作,考慮

4、到學校可以供學生們使用的各種加 工器械有限,于是決定選擇目前較 為流行的3D打印技術來完成龍舟 船體的制作。筆者所在學校在建設 創客實驗室時購置了多臺3D打印 機，這次的龍舟船體制作正好可以 利用3D打印機這一資源。軟件則需要能具備語音識別 的程序編寫平臺。經過對比和測 試，這次智能龍舟案例的創作選擇 了 “創造栗”,“創造栗”是一款針對 中小學人工智能科普教育解決方 案的產品，包含有人工智能開源硬 件和人工智能編程軟件平臺，可實 現人工智能的語音識別、圖形圖像 識別和人機交互等功能，具有圖形 化的編程界面，這非常有利于低年 級學生的操作使用。實踐創作1.利用3D one軟件進行船體 的設計船

5、身主體在進行智能龍舟的船體設計 時，需保留傳統的龍舟外形,同時也 需在設計上預留出足夠的空間來裝 載主控板和傳感器等元器件，還需 要注意在船身的合適位置預留開 口，用作帶動軸等零部件的安裝。 在船身主體的設計上，先是利用3D one軟件中的草圖繪制功能,根據尺 寸大小按比例繪制出船身的輪廓， 再利用特征造型模塊中的拉伸功 能將船身的平面輪廓變為立體圖 形，然后利用組合編輯命令中的減 運算,將船體中不需要保留的部分 進行掏空處理，經過多次的掏空處 理和調整后,龍舟的船體大致可以 達到預期的效果，下一步的工作就 是利用3D打印機進行打印,輸出實 體模型。船槳船槳需足夠輕便，能被轉軸帶 動，方便安裝

6、和固定，基于以上考 慮，在3D one軟件設計時,船槳采 用六面體和圓柱體組合而成。為了 能與轉軸更好地連接，還在船槳的 中間部位掏空一個三角形狀的缺 口，同時，將帶動軸的兩端也設計成 大小相當的三角形狀，使其與船槳 能完美連接,有效解決了后續的安 裝和固定的問題。齒輪在3D one軟件中，先用圓柱體 繪制出尺寸大小合適的圓盤,再通 過草圖繪制拉伸的方法制作出其中 一個齒輪的凸角，通過基本編輯中 的圓形陣列功能繪制出48個相同的 凸角,再整合成一個完整的48齒的 齒輪,最后用減運算的方法將齒輪 的中心位置預留出用于與轉軸銜接 的開口。模型制作好后，要用3D打印機 配套的切片軟件對三維模型的數

7、據進行處理，因為3D打印機只能讀 取和打印其配套的切片軟件打開的 STL文件，因此學生將以上設計好 的.Z1文件分別轉化為STL格式文 件,再用3D打印機配套的切片軟件 進行實物打印輸出。人工智能程序編寫這次智能龍舟的程序是利用 “創造栗”產品所配套的在線編程 軟件進行編寫的，需要使用到的核 心功能是人工智能模塊中的語音 識別。(1)搭建具有語音識別的 程序設置程序初始化，從人工智能 模塊庫中依次調出人工智能初始化 和所需使用的語言,目前該編程平 臺支持中文和英文兩種語言，為了 讓安裝在龍舟上的主控板能學習 和識別某項語音指令，需添加對應 的語句和識別號，按照對應的識別 號18,分別輸入qi

8、dong “kuai dian fei su guan bi等語 音指令。接著添加“創建聲學模 型”“創建發音字典”“創建語言模 型”和“創建解碼器”四個模塊的 程序，“創建聲學模型”的作用是協 助解碼器分析聲波特征，將聲音識 別為連續的音素創建發音字典” 模塊能將音素生成最大概率的文 字創建語言模型”則是將最大概 率的文字生成詞組或句子；“創建 解碼器”這個模塊是語音識別的引 擎,作用是將聲波解碼成語句,但需 要匯入聲學模型、發音字典和語言 模型。最后加上設置靈敏度大小、 揚聲器音量和麥克風音量三個模 塊語句，這三個模塊的取值范圍均 為0255。通過實際測試發現，設置 靈敏度的值越高，主控板

9、對聲音的 反應就越靈敏，但這樣極容易受到 周圍環境的影響，會影響到具體指 令的接收，為了避免這種情況的發 生，將本次程序的靈敏度的值設置 為100。以上語音識別的初始化程序 基本搭建完成，但為了能更清楚地 知道語音初始化程序執行的情況， 學生還在初始化的程序后面加入了 語音播放文本的語句:“您好!歡迎 來到中國智能龍舟邀請賽現場，精 彩比賽馬上開始。”這樣，初始化是 否完成了，就會心中有數。(2)搭建語音指令的執行 程序通過if語句與“偵測到聲音” 模塊的組合,檢測是否有人說話的 聲音，執行“聲波分幀并提取特征 向量”和“解碼器聲學模型、發音 字典、語言模型”模塊，目的是把偵 測到的聲波進行分

10、幀處理,然后提 取特征向量,再把特征向量導入到 解碼器中，通過聲學模型、發音字 典和語言模型進行解碼，比對出與 發音最為接近的字音。在初始化程序中定義一個名 為“result”的整數變量，并在語音 執行程序中將“讀取識別號”賦值為 “result”，在其后加入switch語句 將result”的值與case中的數值進 行比對，符合即可執行相應部分的 程序。根據智能龍舟的最初設想， 將執行的程序編寫如下：當說出qi dong”時，執行 播報語音“說”這一模塊，播報文本 “智能龍舟系統已準備就緒”，同時 增加“寫入數字管腳2狀態高”，使 船身的LED燈同時亮起來。當說出jie shao long

11、zhou”時,通過“說”模塊播報智能 龍舟的介紹語音，需要提前在“說” 程序中輸入相關的介紹文本。當說出kai shi bi sai” 時，需要讓船槳按一定的節奏擺動 起來，這一動作需要借助舵機進 行旋轉角度來帶動。為了使整體程 序更加簡化和有條理，在處理舵 機的程序上,專門針對舵機的擺動 角度創建了一個函數，并將這個函 數命名為“duo ji”，在“duo ji”里 分別加入“轉動舵機管腳7角度為 0”和“轉動舵機管腳7角度為20” 的程序模塊，在這兩個模塊之間 增加延時模塊控制舵機轉角停留 的時間，從而達到控制舵機帶動船 槳擺動快慢的目的。最后，只需將 “duo ji”這個函數的簡化模塊加

12、 到執行程序里即可,極大地簡化了 程序的編寫篇幅。當說出“kuai dian”時，需 要讓船槳劃動的速度加快,這一功 能就可以參照前面“duo ji”中的程 序,只需將“duo ji”函數中的延時 模塊時間間隔縮短即可，在這里延 時設置為300毫秒。當說出“fei su”時,需要將 安裝在船身尾部位置的助推器打 開,學生選擇了減速電機作為船 的助推器，在程序編寫時,加入了“說”模塊，讓主控板在接收到指 令后，播放語音“好的，明白,馬上開 啟飛速模式”，同時增加“寫入脈沖 寬度調制管腳3賦值為255”,讓輸 出的電頻信號為最大值，使電機的 轉速達到最快。同理，如果想要關 閉助推器，說出“guan

13、 bi”時，在對 應的執行程序加上“寫入脈沖寬度 調制管腳3賦值為0”即可使電機 停止轉動，也就是關閉了助推器。當檢測到船的前方有障礙 物時，需要發出提示聲，程序中需用 到“如果執行”的模塊,在如果 后加入條件判斷模塊“紅外線動作 感測器管腳5觸發條件有動作”，執 行“說:注意，注意，前方有障礙物” 模塊。當船身下沉幅度過大，說明 此時船的承載重量較大，需發出提 示聲，通過與滑桿配件的結合，在 程序中繼續使用“如果執行” 模塊，如果后面加入“讀取模擬管腳 A0500”語句,執行后面加入“說： 注意!注意!船載超重!”。當風浪過大，影響船身顛簸 震動時，需發出提示聲，為了解決這 一問題，學生用傾斜開關來處理， 在程序上使用“如果+讀取數字 管腳11=真，執行+說注意!注意！ 當前風浪較大船體容易震動，小心 行駛”。整體拼裝及測試龍舟的船體、零部件和程序準 備好之后，就可以進行作品的整體 拼裝和測試了。學生先將各元器件 逐一固定在船體相應的位置上，再 參考編寫的程序腳本，用杜邦線分 別將各元器件與主控板上的數字 接口、模擬接口連接起來。由于這次 智能龍舟作品所用到的元器件比較 多，而創造栗主控板上可供