0 引言
電腦鼠(Micromouse)是智能機(jī)電鼠的簡(jiǎn)稱，是一個(gè)由微處理器控制的集探測(cè)、分析、行走功能于一體，能夠自動(dòng)搜索最佳路徑到達(dá)目的地的微型機(jī)器人。實(shí)際上電腦鼠就是一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)小車，而這個(gè)電動(dòng)小車是由一個(gè)或多個(gè)微控制器來控制，通過傳感器和其他各功能器件的配合，具備一定的智能。同時(shí)，電腦鼠需擁有探測(cè)障礙物、行走、轉(zhuǎn)彎、加減速和制動(dòng)等基本功能。
本文是以“IEEE國際電腦鼠競(jìng)賽”為背景，以美國Luminary Micro公司生產(chǎn)的ARM CortexM3內(nèi)核的ARM處理器LM3S615為主控制器，控制和檢測(cè)紅外傳感器；微控制器根據(jù)檢測(cè)到的傳感信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)整行走，按照載入搜索算法進(jìn)行迷宮的探測(cè)，尋找最短路徑，最終實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的沖刺。
1 電腦鼠系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可以大致分為以下主要部分：電源模塊，控制模塊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，傳感器模塊，機(jī)身模塊?？梢宰鲂蜗蟮谋扔鳎弘娫茨K是電腦鼠的葡萄糖，控制模塊是電腦鼠的大腦，傳感器模塊是電腦鼠的眼睛，機(jī)身模塊是電腦鼠的軀干，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電腦鼠的腿；各模塊之間相互配合使電腦鼠正常工作并尋找到終點(diǎn)。
2 電腦鼠硬件研究與實(shí)現(xiàn)
2．1 電腦鼠硬件設(shè)計(jì)原理
本文研究的電腦鼠是一個(gè)跨學(xué)科的綜合作品，主要由電源、傳感器、步進(jìn)電機(jī)、控制核心電路、機(jī)身5個(gè)部分組成，如圖1所示。所以，電腦鼠的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源模塊、微控制器單元模塊、傳感器模塊、電機(jī)控制模塊4個(gè)部分的設(shè)計(jì)。其中LM3S615微控制器是電腦鼠的核心，通過檢測(cè)到的傳感器信號(hào)，結(jié)合載入的搜索算法，控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電腦鼠在迷宮中的行走。
2．2 電源模塊
電源模塊包括供電電池和電壓調(diào)節(jié)電路。供電電池為2 200 mAh，7．4 V的可充電鋰電池。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓由電源直接供給；LM3S615微控制器需3．3 V電壓供電，電壓調(diào)節(jié)電路采用Exar公司生產(chǎn)的SPX1117M3-3．3芯片將電源電壓穩(wěn)至3．3V；電腦鼠所使用的紅外線傳感器工作電壓為5 V，升壓芯片采用Exar公司生產(chǎn)的SP6641A將已經(jīng)較為穩(wěn)定的3．3 V電壓升至5 V。
2．3 微控制器單元模塊
本文采用美國Luminary Micro公司生產(chǎn)的CorteX-M3內(nèi)核的ARM處理器LM3S615，該芯片具有32位RISC性能，具備32 KB單周期FLASH，8 KB單周期SRAM，29個(gè)中斷，帶8個(gè)優(yōu)先級(jí)。微控制器模塊和其他模塊共同構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，通過對(duì)路程信號(hào)、岔口信號(hào)和姿勢(shì)修正信號(hào)的檢測(cè)，經(jīng)由LM3S615進(jìn)行運(yùn)算，再將結(jié)果賦給電機(jī)執(zhí)行，由此實(shí)現(xiàn)電腦鼠的智能穿越迷宮。
2．4 傳感器模塊
2．4．1 傳感器模塊組成
傳感器模塊采用紅外傳感器：紅外線發(fā)射對(duì)管SIR563ST3F和IRM8601S，紅外線收發(fā)對(duì)管IR204和PD204-6B。紅外線發(fā)射管SIR563ST3F最大輻射角約為30°，工作中心頻率38 kHz；紅外線接受管IRM8601S為一體式紅外線接收頭，最佳工作波長(zhǎng)940 nm。可以通過設(shè)置不同的發(fā)射頻率來實(shí)現(xiàn)用一個(gè)紅外傳感器完成遠(yuǎn)距和近距探測(cè)的功能。紅外線發(fā)射管IR204和紅外線接收管PD204-6B工作波長(zhǎng)均為940 nm，它們固定在兩輪內(nèi)側(cè)，并在輪內(nèi)貼上黑白碼盤，碼盤隨車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)傳感器正對(duì)著碼盤黑色條紋時(shí)，輸出高電平，反之低電平。通過GPIO口中斷檢測(cè)電平變化，就可以計(jì)算并記錄電腦鼠行走的距離。
2．4．2 傳感器模塊功能
(1)路程檢測(cè)。由安裝在兩輪內(nèi)側(cè)的紅外線收發(fā)管IR204和PD204-6B，對(duì)黑白碼盤條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)，按照迷宮單元的長(zhǎng)度為單位進(jìn)行路程計(jì)數(shù)，以記錄電腦鼠在迷宮中的方位坐標(biāo)，同時(shí)還可以精確地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。
(2)岔口檢測(cè)。岔口檢測(cè)由安裝在正前、左前、右前的3個(gè)紅外線發(fā)射對(duì)管SZR563ST3F和IRM8601S實(shí)現(xiàn)，工作波長(zhǎng)940 nm，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外測(cè)距功能，探測(cè)前、左、右有無障礙。
(3)姿勢(shì)修正。姿勢(shì)修正由左右2個(gè)紅外線發(fā)射對(duì)管SIR563ST3F和IRM8601S實(shí)現(xiàn)，發(fā)射信號(hào)約30．5 kHz，實(shí)現(xiàn)近紅外測(cè)距功能，保持電腦鼠在中軸線附近行走，避免撞擊迷宮。值得注意的是，在轉(zhuǎn)彎過程中不要進(jìn)行姿勢(shì)修正，這樣有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎的角度出現(xiàn)偏差，即電腦鼠只是在前進(jìn)的過程中才進(jìn)行姿勢(shì)修正。
2．5 電機(jī)控制模塊
電機(jī)控制模塊主要負(fù)責(zé)控制電腦鼠的運(yùn)動(dòng)，包括電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩部分。電機(jī)為兩個(gè)兩相四線制步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為7．4 V。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用BA6845FS，每個(gè)芯片包含2個(gè)H橋，它的最大驅(qū)動(dòng)電流為1 A，且在輸入邏輯的控制下輸出有3種模式：正向、反向和停止。
3 電腦鼠軟件研究與實(shí)現(xiàn)
電腦鼠的軟件部分主要用來檢測(cè)迷宮環(huán)境，傳送控制信號(hào)給相應(yīng)的硬件模塊，對(duì)在迷宮中行走的電腦鼠進(jìn)行制導(dǎo)與導(dǎo)航。其主要由迷宮搜索主程序和其他實(shí)現(xiàn)各種功能的子程序組成，主程序主要起到搜索探測(cè)迷宮和決策功能，而其他各種功能則是通過調(diào)用其相應(yīng)子程序來實(shí)現(xiàn)的，搜索流程如圖2所示。
3．1 迷宮搜索主程序
在沒有預(yù)知迷宮路徑的情況下，電腦鼠必須優(yōu)先探索迷宮中的所有單元格，直到抵達(dá)終點(diǎn)為止。做這個(gè)處理的電腦鼠要隨時(shí)知道自己的位置及姿態(tài)，同時(shí)要記錄所有訪問過的方塊四周是否有墻壁，并且在搜索過程中盡量避免重復(fù)搜索它搜索過的地方。迷宮搜索流程圖如圖3所示。
3．1．1 左手法則
電腦鼠在前進(jìn)的方向上存在兩條和兩條以上支路時(shí)，優(yōu)先考慮左轉(zhuǎn)，其次是向前，最后才考慮向右。示意圖如圖4所示。
3．1．2 右手法則
電腦鼠在前進(jìn)方向存在兩條和兩條以上的支路時(shí)，優(yōu)先考慮右轉(zhuǎn)，其次向前，最后才向左。示意圖如圖4所示。
3．1．3 求心法則
求心法則就是當(dāng)電腦鼠有至少兩個(gè)方向可以選擇時(shí)，則優(yōu)先轉(zhuǎn)向離中心點(diǎn)最近的方向前進(jìn)。如圖5所示，把迷宮分為對(duì)等區(qū)域(1，2，3，4)?？梢杂^察出，在區(qū)域1中，電腦鼠向右和向上更能接近中心，其他區(qū)域同理。如果電腦鼠可供選擇的前進(jìn)方向包含兩個(gè)都有可能是離迷宮中心點(diǎn)最近的方向時(shí)，優(yōu)先選擇可以直接前進(jìn)的方向，其次選擇只用轉(zhuǎn)90°的方向前進(jìn)。如果可前進(jìn)方向都是遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的方向時(shí)，優(yōu)先選擇直線運(yùn)行方向，其次選擇轉(zhuǎn)彎90°的方向。其搜索示意圖如圖6所示。
3．2 其他功能子程序
3．2．1 路程檢測(cè)子程序
通過安裝在兩輪內(nèi)側(cè)的紅外線收發(fā)管和黑白碼盤來測(cè)算電腦鼠走過的路程，確定電腦鼠在迷宮中的位置，并在岔口實(shí)現(xiàn)精確的90°和180°轉(zhuǎn)彎。
3．2．2 岔口檢測(cè)子程序
由安裝在正前、左前、右前方向的3個(gè)紅外發(fā)射管發(fā)射38 kHz的信號(hào)完成遠(yuǎn)距檢測(cè)，根據(jù)傳感器讀入值，判斷迷宮中障礙信息、路口信息。
3．2．3 姿勢(shì)修正子程序
根據(jù)左右兩側(cè)紅外傳感器接收的反饋信號(hào)來判斷電腦鼠偏離迷宮巷道中軸線的程度，通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)工作脈沖使某一邊電機(jī)減速來修正電腦鼠的行駛方向，使其基本行走在中軸線附近。
3．2．4 轉(zhuǎn)彎子程序
當(dāng)電腦鼠檢測(cè)到岔口，且需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，調(diào)用該子程序。
3．2．5 最優(yōu)路徑子程序
通過對(duì)迷宮環(huán)境進(jìn)行搜索檢測(cè)，數(shù)組自動(dòng)記錄迷宮地圖信息以及迷宮中每一單元格到起始點(diǎn)的路程，運(yùn)行最優(yōu)路徑子程序，就能找到一條從始點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑。其實(shí)質(zhì)是一種路徑優(yōu)化算法，常用的算法有等高圖法和蟻群算法。
3．2．6 沖刺子程序
調(diào)用此程序可使電腦鼠循著最短路徑從起點(diǎn)以最快的速度沖到終點(diǎn)。
4 結(jié)語
本文從分析“IEEE標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠”走迷宮比賽規(guī)則入手，介紹了電腦鼠硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和流程?；陔娔X鼠的產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，譬如自動(dòng)盲人導(dǎo)引小車、足球機(jī)器人、滅火機(jī)器人、影像機(jī)器人等等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電腦鼠的深入研究將具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。