【毕业学位论文】（Word原稿）基于MicroMouse615的电脑鼠运动控制研究-软件工程

基于 电脑鼠运动控制 研 究 基于 电脑鼠运动控制 研究 摘要 所谓“电脑鼠”，英文名叫做 使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能 行走装置的 俗 称，它可以在“迷宫”中自动记忆和选择路径，寻找出口，最终达到所设定的目的地。电脑鼠可谓是一种具有人工智能的小型机器人，依照新制的比赛规则，当电脑鼠放入起点，按下启动键之后，它就必须自行决定搜寻法则并且在迷宫中前进、转弯、记忆迷宫墙壁资料、计算最短路径、搜寻终点等功能。电脑鼠更结合了机械、电机、电子、控制、光学、程序设计和人工智能 等多方面的科技知识。人类在科技的发展史上，一直在尝试着想要创造出一个具有肢体、感官、脑力等综合一体的智能机器人，而电脑鼠就是一个很能够用来诠释肢体、感官及脑力综合工作的基本实例。这也是当初电脑鼠被发明的理由，希望能够借助电脑鼠的创作来进而研究于发明更加复杂的机械。 一只电脑鼠是具有机电知识整合的基本架构，本身就像是一个智能的机器人。要在指定的迷宫中比赛，就像是一个人置身于竞赛中，必须要靠本身的判断力、敏捷动作及正确探查周报环境，来赢得胜利。一般来说，一只电脑鼠需具备有下列三件基本能力： （ 1） 拥有稳定且快速的行 走能力； （ 2） 能正确判断的能力； （ 3） 记忆路径的能力。 行走能力指的是电机，当电机收到讯号时，系统必须判断是否能同步行走，遇到转角时，转弯的角度是否得当，一个好的电机驱动程序，可以减少行走所需要做的校正时间。判读能力的关键就在于传感器，它的地位如同人类的双眼，一个好的传感器驱动程序，可以避免一些不必要的错误动作，如撞壁、行走路线的偏移等等。 而记忆能力就像是大脑，它的功能并没有因为看不见而遭到忽视，相反地，它的地位在整场比赛中是最重要的，他必须把所走过的路都能一一记下来，并将其资料传送给系统，让系统整理出最佳路径以避 开不必要的路段。 国际电工和电子工程学会（ 年都要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛 ， 这项比赛的 目的是制作一个微型机器人，它能在最短的时间内穿越迷宫到达终点。 一个符合 6元格，起点在迷宫的一个角，终点在迷宫中央。 电脑鼠的基本功能是从起点开始走到终点，这个过程称为一次 “ 运行 ” (也称为“冲刺” )，所花费的时间称为 “ 运行时间 ” 。从终点回到起点所花费的时间不计算在运行时间内。从电脑鼠的第一次激活到每次运行开始，这段期间所花费的时间称为 “ 迷宫时间 ” 。如果电脑鼠在比赛时需要手动辅 助，这个动作称为 “ 碰触 ” 。竞赛使用这三个参数，从速度求解迷宫的效率和电脑鼠的可靠性三个方面来进行评分。 （本课题主要关注求解迷宫的效率） 。 成绩的计算规则为 排障时间 =运行时间 +迷宫时间 /30 无碰触的奖励时间 +碰触的惩罚时间 。 其中 迷宫时间是指 从电脑鼠的第一次激活到每次运行开始 这段期间所花费的时间 ；排障时间就是被记录的竞赛时间，时间 越短 成绩 越好 。 由广州致远电子有限公司设计生产的一款电脑鼠，它的微控制器是由司生产的 核的 理器 机电运 基于 电脑鼠运动控制 研 究 动部件采用两个两相四线制步进电机，传感器采用了红外线传感器。另外， 示板，供调试使用。 本课题 为对 电脑鼠的运动控制进行研究，其目的 是要保证电脑能根据迷宫探索算法，迅速、准确的完成前进、转弯和冲刺等动作。 为了达到这个目的，本课题进行了以下工作： 首先，对电脑鼠的硬件进行分析，了解 个模块的原理和使用方法 ，这些模块主要包括步进电机、 红外线传感器和 示板 。 步进电机是驱动电脑鼠运 动的关键部件，这部分工作研究了 进电机驱动芯片 握了步进电机前进、后退和省电这三种模式的程序控制方法。红外线传感器是电脑鼠探测迷宫路径和实现自身姿态调整的重要工具，这部分的研究主要针对红外线传感器的 工作原理。 开发者进行调试，这部分工作研究了 和微控制器的连接 线以及显示数据的三种译码方式。 其次，针对电脑鼠在走迷宫时所要面临的各种问题，设计实现了一套基本的运动控制系统。电脑鼠要 想完成走迷宫的任务，第一要能够自由的加速或减速，以达到运动的目的。第二，电脑鼠要想在迷宫中正常的行进，就要能够辨别出哪里是墙壁，哪里是道路，所以要能够对迷宫墙壁进行检测。第三， 在复杂的迷宫中，电脑鼠为了不迷路，就得知道自己的位置和终点的位置，因此需要编写程序对电脑鼠的位置信息进行记录。第四， 电脑鼠在 实际的走直线过程中容易偏离 运动轨迹，这个时候就需要对电脑鼠的姿态进行调整，让它回到正确的轨迹上。第 五，在遇到分岔路口时，电脑鼠可能会选择转弯，因此需要增加电脑鼠转弯的控制程序。完成上面所述的五个部分，就能够满足电 脑鼠的走迷宫的基本需求了，但是要想在电脑鼠走迷宫比赛中获得好的成绩，就还需要进行优化。 最后，对电脑鼠的运动控制系统进行优化。通过观察电脑鼠走迷宫的比赛规则，我们发现电脑鼠 冲刺 的 时间在最终成绩中占有很大的比例，因此 笔者采用了一些优化方法用来提供电脑鼠的冲刺效率。具体的就是采用行进中转弯的方法代替原来的 停止转弯 方法，省去电脑鼠转弯前减速和转弯后加速的时间。这部分还通过实际的实验来对新的转弯方法的效率进行分析，实验结果证明行进中转弯的方法能较大的提升电脑鼠走迷宫的比赛成绩。 在迷宫比赛中，电脑鼠的运动控制和 迷宫探索算法是决定比赛成败的两个关键因素，目前也有不少较为成熟的迷宫探索算法，如左手法则、右手法则、中心法则等，而电脑鼠运动控制部分可供参考的资料 确 比较稀缺。 电脑鼠运动控制的研究不仅对迷宫比赛有着重要的意义，对其它机器人相关的课题，如拼字母、障碍清除和未知区域探测等也有着重要的意义。 本课题旨在对电脑鼠运动控制进行研究，设计一套适于周立功公司 电脑鼠的运动控制系统，其中的一些问题是所有电脑鼠在比赛中会遇到的共同问题，希望本课题的研究成果会对他们有所帮助。 本文从电脑鼠硬件组成及其使用， 带修正的电脑鼠直线运动控制，电脑鼠加减速控制，电脑鼠 停止转弯 控制等几个子问题对整个运动控制系统进行阐述。并且介绍了电脑鼠进行中转弯的运动控制方法，用这种运动控制方法对电脑鼠运动控制系统进行了优化，通过实验证明对电脑鼠迷宫比赛的成绩有着较大的提升。 关键词 ：电脑鼠，迷宫比赛，行进中转弯，运动控制， 基于 电脑鼠运动控制 研 究 F N he is is an it is in a it in to be is a to of it in As in of to a an is a be to of is of to on of A is a of of an To a to we on to In a (1) a (2) to (3) to to is of it a to do is s as a as so is in is he it to to to of 基于 电脑鼠运动控制 研 究 to a in as as 6 X 16 is at a in at of of is to an is by a , is as to be in to is as of If in is in of of of in 30 - in is of to is as is is is a o., its is In of of is to to as To do to of to of is to C a of of of an to of on of s is to to of is on PI in to be a To is be to or to in of to we be to is is so to be to of in a to 基于 电脑鼠运动控制 研 究 in to so it is to on to in is to a it on in of to so it is to of if we to in to be is By of we in to to is is by is In I do to of of in 基于 电脑鼠运动控制 研 究 目录 第一章 绪论 . 7 脑鼠和 准电脑鼠走迷宫竞赛简介 . 7 脑鼠比赛规则 . 7 脑鼠的发展历史 . 8 电脑鼠简介 . 9 文的组织结构 . 10 第二章 硬件组成及其使用 . 10 脑鼠驱动模块 . 11 进电机原理 . 11 机驱动芯片 绍 . 13 部信息探测模块 . 16 射式红外线传感器硬件原理 . 16 化红外接收头工作原理 . 17 测障碍物的软件设计 . 17 外线传感器抗干扰处理 . 19 示板的使用 . 19 第三章 运动控制系统的设计 . 21 进电机匀加减速控制 . 21 加减速时定时器计数值生成 . 21 加减速的程序控制 . 23 宫墙壁的检测 . 23 脑鼠走直线时的姿势修正 . 24 侧都存在挡板时的修正原理 . 25 有一侧存在挡板时的修正原理 . 26 脑鼠坐标的确定 . 26 脑鼠在迷宫中前进方向的确定 . 26 脑鼠前进步数到坐标的变换 . 28 脑鼠静止时转弯 . 31 脑鼠左转的控制 . 32 脑鼠往前走的控制 . 33 第四章 电脑鼠行进中转弯的实现 . 34 脑鼠行进中转弯需要解决的问题 . 34 脑鼠行进中转弯时的坐标更新 . 34 脑鼠行进中转弯时的运动控制 . 35 脑鼠行进中转弯效率测试 . 37 第五章 结论 . 38 文总结 . 38 作展望 . 38 参考文献 . 39 谢辞 . 40 基于 电脑鼠运动控制 研 究 第一章 绪论 本章将介绍 脑鼠走迷宫竞赛的背景，电脑鼠运动控制的研究意义和全文的组织结构。 脑鼠研究背景和意义 电脑鼠，是一种智能行走装置的俗称，它结合了机械、电机、电子、控制、光学、程序设计和人工 智能等多方面的科技知识。 国际电工和电子工程学会（ 年都要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛 ， 上海市计算机学会 也 在 2007 国内主办了 三 次 准电脑鼠走迷宫邀请赛 ， 脑鼠竞赛在全国乃至全世界都有着巨大的影响。 因此对于电脑鼠硬件和算法的研究一直是各地电脑鼠爱好者研究的热点问题。本文主要从硬件控制方面对于电脑鼠的运动控制进行研究，帮助算法研究者方便的控制电脑鼠，解决电脑鼠走迷宫过程可能遇到的一些问题，使电脑鼠能够按照设定的算法完成迷宫比赛，并且通过优化电脑鼠转弯方法等措施来提高电脑 鼠走迷宫的成绩。 脑鼠比赛规则 最新的电脑鼠比赛规则是 2006 年国际电工和电子工程学会（ 定的电脑鼠走迷宫竞赛规则，这个规则将会对制作电脑鼠具体方案的设计提供依据。其内容如下： （ 1） 目的 电脑鼠走迷宫竞赛的目的是制作一个微型机器人，它能在最短的时间内穿越迷宫到达终点。参赛的机器人称为“电脑鼠”，将电脑鼠放入迷宫并启动操作的人称为“操作员”。 （ 2） 竞赛规则 电脑鼠的基本功能是从起点开始走到终点，这个过程称为一次 “运行 ”，所花费的时间称为 “运行时间 ”。从终点回到起点所花费的时间不计算在运行时间内。从 电脑鼠的第一次激活到每次运行开始，这段期间所花费的时间称为 “迷宫时间 ”。如果电脑鼠在比赛时需要手动辅助，这个动作称为 “碰触 ”。竞赛使用这三个参数，从速度求解迷宫的效率和电脑鼠的可靠性三个方面来进行评分。 电脑鼠的得分是通过计算每次运行的 “排障时间 ”来衡量的，排障时间越短越好。排障时间是这样计算的： 排障时间 =迷宫时间 /30+冲刺 时间 如果这次运行结束以后电脑鼠没有被碰触过，那么还要再减去 10 秒的奖励时间，这样得到的就是排障时间。每个电脑鼠允许运行多次，取其中最短的排障时间作为参赛的计分成绩。 例子：一个电 脑鼠在迷宫中迷宫时间为 4 分钟（ 240 秒）没有碰触过，运行时间使用了 20 秒，这次运行的排障时间就是： 20 秒 +（ 240 秒 1/30） - 10 秒 = 18 秒 竞赛中电脑鼠在迷宫中的总时间不可超过 15 分钟，在该限时内，电脑鼠可以运行任意次。 基于 电脑鼠运动控制 研 究 电脑鼠到达迷宫中心的目的地后，可以使用手动放回起点，或让电脑鼠自动回到起点，前者被视为碰触，因此在以后的运行中，将失去减 10 秒的奖励。 从电脑鼠离开起点到进入终点的这段时间为运行时间。迷宫时间是从电脑鼠第一次激活开始计算的，电脑鼠第一次激活后不需要马上就开始运动，但必须在迷宫 起点处整装待命。 穿越迷宫的时间由竞赛工作人员人工测量或由装在起点和终点处的红外线传感器自动测量。使用红外传感器时，起点红外传感器应放置在起点单元和下一个单元之间的边界上；终点传感器应放置在终点单元的入口处。传感器沿水平方向发射红外线，高出地面约 1 电脑鼠在启动过程中，操作员不可再选择策略。一旦竞赛迷宫的布局揭晓，操作员不能将任何有关迷宫布局的信息再传输给电脑鼠。迷宫所在房间的亮度、温度和湿度与周围环境相同。改变亮度的要求是否被接受须由竞赛组织者决定。 如果电脑鼠出现故障，操作员可以在裁判的许可下放 弃该次运行，并放回到起点重新开始。但不能仅因为转错弯就要求重新开始。 如果参赛因为技术原因决定停止当前运行，裁判可以允许该队重新运行，但要增加 3 分钟的迷宫时间作为惩罚。例如，一个电脑鼠在比赛开始以后 4 分钟停止，重新运行后用去的迷宫时间为 7 分钟，那么该电脑鼠在迷宫中还可以重新再开始运行的时间就只剩下 8 分钟了。 如果电脑鼠在比赛中任何部分被替换，比如电池、 者作出其它重要的调整，必须清除电脑鼠中有关迷宫信息的内存。细微的调节，例如调整传感器，可以在裁判的许可下进行，无须清除内存，但是对速度或策略控制 的调节，则必须要清除内存。 一个电脑鼠的任意部分（除电池外）都不能用到其它的电脑鼠上。例如，如果一个底盘使用两个可互换的微控制器芯片，即它们属于同一个电脑鼠，最大运行时间也是 15 分钟。当需要更换微控制器时，先前的内存必须被清除。 当比赛官方认为某电脑鼠的运行将破坏或损毁迷宫时，有权停止其运行或取消其参赛资格。 脑鼠的发展历史 最初 的电脑鼠是机械的。 1972 年，机械设计杂志发起了一场比赛。在比赛中，仅有捕鼠器弹簧驱动的机械鼠不停地与其它参赛鼠竞赛，以判断哪个机械鼠能够沿着跑道跑出最长的距离。冠军是 “ 它跑了 尺。 1977 年， 志提出电脑鼠的观念。电脑鼠是一个小型的由微处理器控制的机器人车辆，在复杂迷宫中具有译码和导航的功能和能力。 1977 年 5 月， 布首场美国令人震惊的电脑鼠迷宫大赛在 1979 年于纽约举行。在 6000 个参赛作品中仅有 15个电脑鼠比赛胜出。一些电脑鼠被报道为“大脑智障”（“ ，另外一些则被宣布为电脑鼠“爆炸”（“ 。当大家都非常关心这个话题时，只能电脑鼠的设计和制作显 然就被证实比想象中的困难得多。 1980 年，在伦敦 0 举办了一场欧洲版的比赛，但是 18 个参赛鼠都没能成功地完成这个迷宫赛。在比赛的观众当中，有五位来自日本新科学基金会的代表。他们将此比赛规则带回了东京，后来还在 1980 年 11 月举办了首场全日本电脑鼠比赛。 1985 年 8 月，在日本 行了首场世界电脑鼠大赛。电脑鼠来自整个欧洲和美国， 基于 电脑鼠运动控制 研 究 使用的传感器有红外的、超声波的和 ，驱动装置有步进电机的和伺服电机的。所有最高奖项均由日本的电脑鼠 得，一举成为世界冠军。 1987 年，电机工程协会（ 伦敦举办了一场电脑鼠锦标赛， 13 个电脑鼠角逐冠军。来自美国麻省理工学院（ 着他的两个参赛鼠 和 I 获得了一等奖和二等奖。比赛蚕蛹新的得分体制，以奖励那些能够智能、高效地解开迷宫的方案和能够独立运行的电脑鼠。 一位新加坡工程协会（ 议会成员在 1986 年偶然发现了电脑鼠。因为他对电脑鼠以及电脑鼠的复杂程度和前景非常感兴趣，所以他觉得再新加坡举办一场国际电脑鼠大赛非常合适（ 为主要的赞 助商）。 1987 年 10 月，新加坡举行了新一届新加坡电脑鼠比赛。比赛的冠军 来自 1988 年在伦敦举行的 K 国际电脑鼠比赛的季军。 1989 年 7 月，由第二届新加坡电脑鼠比赛的获胜者组成比较大的新加坡队参加了在伦敦举行的 1989 年 K 国际电脑鼠大赛。新加坡参赛者获得了最高 8 个奖项中的 6 个。 得了亚军， 企业则获得了第五名。 在 1989 年 10 月 21 日， 请澳大利亚、日本、台湾、 美国最好的电脑 鼠来参加新加坡首场国际电脑鼠大赛。来自美国和台湾的电脑鼠等待着复仇的时机，因为他们在 7月份的伦敦大赛曾一度被新加坡打败。 13 个来及当地的和外国的参赛者的电脑鼠在 3 个小时的比赛中，表演出来的速度和敏捷程度使得观众叹为观止。新加坡获得第二名、第四名、第五名和第七名的事实出乎了很多人的意料。 1991 年，世界锦标赛在香港举行，这是继 1985 年 界锦标赛的又一场最大的国际盛会：来自 13 个国家