一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法，属于实验技术领域，包括实验桌以及显示屏，实验桌的三侧边沿上连接挡板，显示屏放置在实验桌上，并被挡板围住；所述实验桌位于显示屏的前端划为电路连接操作区，并在显示屏两侧的实验桌上分别设置元器件放置机构和导线放置机构；将每根导线相连的出现最多次数的两个元器件视为最终的相连的元器件，将最终的连接关系用一个邻接矩阵来表示，并根据此邻接矩阵，在元器件库中挑选所需的元器件，并依据邻接矩阵将元器件以待测电阻为起点，一一连接起来，并动态的展示出来，并根据所有电路元器件的连接关系确定最终的完整电路搭建方式，并根据完整的电路搭建方式自动绘制出电路图。

A device and method of automatic drawing circuit diagram of physics circuit experiment in middle school

【技术实现步骤摘要】
一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法
本专利技术涉及实验
，特别涉及一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法。
技术介绍
实验是检验学生对理论知识的掌握水平的一种重要的教学手段。目前的中学实验技能评分方法都是按照一定的实验操作要求的评分要点，由评分老师进行主观评分，评分过程中的实验操作涉及到精细操作、操作顺序与实验结论的判断，这个需要对中学试验操作经验丰富的专业实验学科老师才能够完成对操作的评价。例如在物理电学实验中的电路装置搭建操作，在电路实验的搭建过程中，必须等到该操作的评分要点时，现场评分老师逐一进行确认才能进行下一步评分。而在中学物理电路中的实验操作及评分过程中，判断电路连接的串并联关系是电路实验的重难点，也是对电路实验操作正确与否的进一步判断的依据。传统的现场评分需要现场监考人员逐一厘清每一组考生在实验操作过程中的电路连接关系才能得出结论，这也导致现场的人工评分工作量巨大，而且对于同一操作不同的评分老师的评分尺度不同，得到的评分结果也就无法做到一定的客观性。近年来，随着大数据以及人工智能技术在机器视觉、图像处理技术上的快速应用，基于学生实验过程中采集的大量数据，结合最新的人工智能算法、深度学习算法，并根据中学物理电路实验的评分的需要，设计一种基于中学物理电路实验并自动绘制实验操作电路图的方法，利用实验操作过程中的电路元器件的连接拓扑关系，自动绘制学生操作过程中所连接的电路图，并将得到的自动绘制的电路图展示出来以及进行下一步评分操作，这样就能够对电路搭建过程中存在的评分人员素质要求高、评分工作量极大以及评分标准难以统一等一系列问题进行很好的改进，在减轻评分人员工作量的同时也能很大程度上促进中学实验操作的可视化，更好地激发学生实验课的趣味性与积极性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置及方法，可以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置，包括实验桌以及显示屏，实验桌的三侧边沿上连接挡板，显示屏放置在实验桌上，并被挡板围住；所述实验桌位于显示屏的前端划为电路连接操作区，并在显示屏两侧的实验桌上分别设置元器件放置机构和导线放置机构；所述显示屏的背面上通过螺栓安装旋转架，旋转架的顶端连接顶视摄像头，其顶视摄像头的摄像口朝向实验桌，并输出数据至显示屏；所述元器件放置机构包括顶部开口的盒体、隔板、压板和转轴，隔板分隔盒体内部空间，隔成多个相互独立的放置槽，放置槽内对应放置不同的元器件，转轴的一端插入盒体的顶部边沿上，压板的侧壁固定在转轴上，压板与转轴同步旋转卡在放置槽的上方，压板用于卡住元器件；所述导线放置机构包括底架、第一侧板和第二侧板，底架的两端分别与第一侧板和第二侧板相接，第一侧板和第二侧板的顶端上加工多个线槽，第一侧板和第二侧板的线槽分别夹持在导线的两端。进一步地，导线包括第一线头、第二线头和线体，线体的两端分别与第一线头和第二线头相接，第一线头和第二线头的侧壁上加工槽孔，每组第一线头和第二线头的颜色一致，不同组别的导线颜色不同。进一步地，顶视摄像头内置红外采集模块，显示屏内置图像捕捉模块和指令模块，红外采集模块采集电路连接操作区内导线和元器件的连接图像，图像数据上传至图像捕捉模块，图像捕捉模块分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别在该帧图像中该元器件的状态，指令模块得到的图像数据帧中每一根导线相连的元器件生成最终的电路连接邻接表。本专利技术提出的另一种技术，包括一种中学物理电路实验电路图自动绘制的方法，包括以下步骤：S1：搭建实验过程视频数据采集的硬件环境，采集学生在进行电路实验过程连接元器件的视频数据，由于需要将学生在实验桌上操作的电路连接过程都能够拍摄完整，该电路实验采集过程所采用的摄像头为一个顶视摄像头，拍摄角度为从上到下，拍摄范围为整张实验桌；S2：由S1得到的学生实验操作过程的红外采集模块采集视频，首先将采集到的顶视视频切分成一帧帧的按照时间拍列的原始视频图像，然后再利用深度学习目标检测算法及图像处理算法识别采集到的视频中每一帧图像的目标物体及其状态并记录在列表中，得到采集视频中所有图像的所有目标物体的目标框位置与元器件状态标志数据列表；S3：由S2得到的顶视视频中的每一帧图像的所有目标的目标框位置信息及元器件状态标志信息的数据列表，筛选原始视频图像帧，将满足一定条件的图像帧挑选为绘制电路图的图像数据；S4：由S3得到的经过挑选的满足一定条件的图像帧数据集，统计所获得的图像帧中的导线与各目标元器件框的位置关系，逐一确定各个电路元器件之间的电学连接关系，最后根据图像帧数据集将所有元器件的连接关系整理生成为邻接矩阵表示的电路连接关系图；S5：由S4得到的各元器件连接关系邻接矩阵，以及由邻接矩阵表示的所有检测到的元器件的连接关系、元器件的种类及其状态标志，依据由邻接矩阵表示的电路连接关系将所有涉及的元器件传了起来，即为最终的电路图。进一步地，针对S2包括以下步骤：S21：电路实验需要检测的目标主要分为两类，一类是电路实验操作过程使用到的元器件，一类是某些元器件的状态如开关是否闭合、灯泡是否点亮及电表是否有读数等；S22：将S1采集到顶视视频分解成一帧帧的图像数据，将每一帧的图像通过目标识别算法将电路元器件识别并框出目标在图像中的位置；S23：将S22得到的元器件的矩形框位置的图像区域分割出来，通过图像分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别在该帧图像中该元器件的状态。进一步地，针对S3包括以下步骤：S31：由S2得到的所有采集视频图像的元器件检测结果及元器件状态信息，并且将每一帧图像数据与检测结果的元器件状态信息进行一一对应；S32：由S31得到对应好每一帧图像的元器件检测结果及状态信息的数据，而这其中绘制电路图使用到的仅为电路图连接确定后的图像帧，电路连接确定的图像帧也即为电路通电过程中的图像数据；S33：当满足开关状态为闭合、电流表或电压表读数状态为正及画面中检测到本次实验所有的元器件以上三个条件时，即可挑选出来作为后续绘制电路图的图像数据帧。进一步地，针对S4包括以下步骤：S41：对于检测试验操作中不同元器件的连接关系，必须要将通过导线直接相连的元器件进行分组，这里需要对电路元器件上的导线插头位置及导线外绝缘层进行改造，元器件上的插头位置要不在同一侧，所有导线的外层颜色要不同区分；S42：通过S3得到的具有固定电路连接关系的图像数据帧及每一帧对应的元器件目标框及状态信息，再利用图像分割算法将图像数据帧中不同颜色的导线分割出来，并将每一根分割出来的导线与元器件的矩形框区域位置进行判断，当两个不同的元器件上的插头位置出现同一颜色的导线时，则认为这两个不同的元器件属于电学上的连接关系；S43：根据S42所得到的所有组具有连接关系的元器件，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置，其特征在于，包括实验桌（1）以及显示屏（2），实验桌（1）的三侧边沿上连接挡板（11），显示屏（2）放置在实验桌（1）上，并被挡板（11）围住；/n所述实验桌（1）位于显示屏（2）的前端划为电路连接操作区（4），并在显示屏（2）两侧的实验桌（1）上分别设置元器件放置机构（5）和导线放置机构（6）；/n所述显示屏（2）的背面上通过螺栓安装旋转架（21），旋转架（21）的顶端连接顶视摄像头（3），其顶视摄像头（3）的摄像口朝向实验桌（1），并输出数据至显示屏（2）；/n所述元器件放置机构（5）包括顶部开口的盒体（51）、隔板（52）、压板（53）和转轴（54），隔板（52）分隔盒体（51）内部空间，隔成多个相互独立的放置槽（7），放置槽（7）内对应放置不同的元器件（71），转轴（54）的一端插入盒体（51）的顶部边沿上，压板（53）的侧壁固定在转轴（54）上，压板（53）与转轴（54）同步旋转卡在放置槽（7）的上方，压板（53）用于卡住元器件（71）；/n所述导线放置机构（6）包括底架（61）、第一侧板（62）和第二侧板（63），底架（61）的两端分别与第一侧板（62）和第二侧板（63）相接，第一侧板（62）和第二侧板（63）的顶端上加工多个线槽（8），第一侧板（62）和第二侧板（63）的线槽（8）分别夹持在导线（9）的两端。/n...

【技术特征摘要】
1.一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置，其特征在于，包括实验桌（1）以及显示屏（2），实验桌（1）的三侧边沿上连接挡板（11），显示屏（2）放置在实验桌（1）上，并被挡板（11）围住；
所述实验桌（1）位于显示屏（2）的前端划为电路连接操作区（4），并在显示屏（2）两侧的实验桌（1）上分别设置元器件放置机构（5）和导线放置机构（6）；
所述显示屏（2）的背面上通过螺栓安装旋转架（21），旋转架（21）的顶端连接顶视摄像头（3），其顶视摄像头（3）的摄像口朝向实验桌（1），并输出数据至显示屏（2）；
所述元器件放置机构（5）包括顶部开口的盒体（51）、隔板（52）、压板（53）和转轴（54），隔板（52）分隔盒体（51）内部空间，隔成多个相互独立的放置槽（7），放置槽（7）内对应放置不同的元器件（71），转轴（54）的一端插入盒体（51）的顶部边沿上，压板（53）的侧壁固定在转轴（54）上，压板（53）与转轴（54）同步旋转卡在放置槽（7）的上方，压板（53）用于卡住元器件（71）；
所述导线放置机构（6）包括底架（61）、第一侧板（62）和第二侧板（63），底架（61）的两端分别与第一侧板（62）和第二侧板（63）相接，第一侧板（62）和第二侧板（63）的顶端上加工多个线槽（8），第一侧板（62）和第二侧板（63）的线槽（8）分别夹持在导线（9）的两端。


2.如权利要求1所述的一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置，其特征在于，导线（9）包括第一线头（91）、第二线头（92）和线体（93），线体（93）的两端分别与第一线头（91）和第二线头（92）相接，第一线头（91）和第二线头（92）的侧壁上加工槽孔（10），每组第一线头（91）和第二线头（92）的颜色一致，不同组别的导线（9）颜色不同。


3.如权利要求1所述的一种中学物理电路实验电路图自动绘制的装置，其特征在于，顶视摄像头（3）内置红外采集模块（31），显示屏（2）内置图像捕捉模块（22）和指令模块（23），红外采集模块（31）采集电路连接操作区（4）内导线（9）和元器件（71）的连接图像，图像数据上传至图像捕捉模块（22），图像捕捉模块（22）分割及图像处理算法对分割出来的图像块进行进一步的状态分类，判别在该帧图像中该元器件（71）的状态，指令模块（23）得到的图像数据帧中每一根导线（9）相连的元器件（71）生成最终的电路连接邻接表。


4.一种如权利要求1-3任一项所述的中学物理电路实验电路图自动绘制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建实验过程视频数据采集的硬件环境，采集学生在进行电路实验过程连接元器件（71）的视频数据，由于需要将学生在实验桌（1）上操作的电路连接过程都能够拍摄完整，该电路实验采集过程所采用的摄像头为一个顶视摄像头（3），拍摄角度为从上到下，拍摄范围为整张实验桌（1）；
S2：由S1得到的学生实验操作过程的红外采集模块（31）采集视频，首先将采集到的顶视视频切分成一帧帧的按照时间拍列的原始视频图像，然后再利用深度学习目标检测算法及图像处理算法识别采集到的视频中每一帧图像的目标物体及其状态并记录在列表中，得到采集视频中所有图像的所有目标物体的目标框位置与元器件（71）状态标志数据列表；
S3：由S2得到的顶视视频中的每一帧图像的所有目标的目标框位置信息及元器件（71）状态标志信息的数据列表，筛选原始视频图像帧，将满足一定条件的图像帧挑选为绘制电路图的图像数据；
S4：由S3得到的经过挑选的满足一定条件的图像帧数据集，统计所获得的图像帧中的导线（9）与各目标元器件（71）框的位置关系，逐一确定各个电路元器件（71）之间的电学连接关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王重阳，
申请(专利权)人：上海中科教育装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31