基于 電腦鼠運動控制 研 究 基于 電腦鼠運動控制 研究 摘要 所謂“電腦鼠”，英文名叫做 使用嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構(gòu)成的一種智能 行走裝置的 俗 稱，它可以在“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，尋找出口，最終達到所設(shè)定的目的地。電腦鼠可謂是一種具有人工智能的小型機器人，依照新制的比賽規(guī)則，當(dāng)電腦鼠放入起點，按下啟動鍵之后，它就必須自行決定搜尋法則并且在迷宮中前進、轉(zhuǎn)彎、記憶迷宮墻壁資料、計算最短路徑、搜尋終點等功能。電腦鼠更結(jié)合了機械、電機、電子、控制、光學(xué)、程序設(shè)計和人工智能 等多方面的科技知識。人類在科技的發(fā)展史上，一直在嘗試著想要創(chuàng)造出一個具有肢體、感官、腦力等綜合一體的智能機器人，而電腦鼠就是一個很能夠用來詮釋肢體、感官及腦力綜合工作的基本實例。這也是當(dāng)初電腦鼠被發(fā)明的理由，希望能夠借助電腦鼠的創(chuàng)作來進而研究于發(fā)明更加復(fù)雜的機械。 一只電腦鼠是具有機電知識整合的基本架構(gòu)，本身就像是一個智能的機器人。要在指定的迷宮中比賽，就像是一個人置身于競賽中，必須要靠本身的判斷力、敏捷動作及正確探查周報環(huán)境，來贏得勝利。一般來說，一只電腦鼠需具備有下列三件基本能力： （ 1） 擁有穩(wěn)定且快速的行 走能力； （ 2） 能正確判斷的能力； （ 3） 記憶路徑的能力。 行走能力指的是電機，當(dāng)電機收到訊號時，系統(tǒng)必須判斷是否能同步行走，遇到轉(zhuǎn)角時，轉(zhuǎn)彎的角度是否得當(dāng)，一個好的電機驅(qū)動程序，可以減少行走所需要做的校正時間。判讀能力的關(guān)鍵就在于傳感器，它的地位如同人類的雙眼，一個好的傳感器驅(qū)動程序，可以避免一些不必要的錯誤動作，如撞壁、行走路線的偏移等等。 而記憶能力就像是大腦，它的功能并沒有因為看不見而遭到忽視，相反地，它的地位在整場比賽中是最重要的，他必須把所走過的路都能一一記下來，并將其資料傳送給系統(tǒng)，讓系統(tǒng)整理出最佳路徑以避 開不必要的路段。 國際電工和電子工程學(xué)會（ 年都要舉辦一次國際性的電腦鼠走迷宮競賽 ， 這項比賽的 目的是制作一個微型機器人，它能在最短的時間內(nèi)穿越迷宮到達終點。 一個符合 6元格，起點在迷宮的一個角，終點在迷宮中央。 電腦鼠的基本功能是從起點開始走到終點，這個過程稱為一次 “ 運行 ” (也稱為“沖刺” )，所花費的時間稱為 “ 運行時間 ” 。從終點回到起點所花費的時間不計算在運行時間內(nèi)。從電腦鼠的第一次激活到每次運行開始，這段期間所花費的時間稱為 “ 迷宮時間 ” 。如果電腦鼠在比賽時需要手動輔 助，這個動作稱為 “ 碰觸 ” 。競賽使用這三個參數(shù)，從速度求解迷宮的效率和電腦鼠的可靠性三個方面來進行評分。 （本課題主要關(guān)注求解迷宮的效率） 。 成績的計算規(guī)則為 排障時間 =運行時間 +迷宮時間 /30 無碰觸的獎勵時間 +碰觸的懲罰時間 。 其中 迷宮時間是指 從電腦鼠的第一次激活到每次運行開始 這段期間所花費的時間 ；排障時間就是被記錄的競賽時間，時間 越短 成績 越好 。 由廣州致遠電子有限公司設(shè)計生產(chǎn)的一款電腦鼠，它的微控制器是由司生產(chǎn)的 核的 理器 機電運 基于 電腦鼠運動控制 研 究 動部件采用兩個兩相四線制步進電機，傳感器采用了紅外線傳感器。另外， 示板，供調(diào)試使用。 本課題 為對 電腦鼠的運動控制進行研究，其目的 是要保證電腦能根據(jù)迷宮探索算法，迅速、準(zhǔn)確的完成前進、轉(zhuǎn)彎和沖刺等動作。 為了達到這個目的，本課題進行了以下工作： 首先，對電腦鼠的硬件進行分析，了解 個模塊的原理和使用方法 ，這些模塊主要包括步進電機、 紅外線傳感器和 示板 。 步進電機是驅(qū)動電腦鼠運 動的關(guān)鍵部件，這部分工作研究了 進電機驅(qū)動芯片 握了步進電機前進、后退和省電這三種模式的程序控制方法。紅外線傳感器是電腦鼠探測迷宮路徑和實現(xiàn)自身姿態(tài)調(diào)整的重要工具，這部分的研究主要針對紅外線傳感器的 工作原理。 開發(fā)者進行調(diào)試，這部分工作研究了 和微控制器的連接 線以及顯示數(shù)據(jù)的三種譯碼方式。 其次，針對電腦鼠在走迷宮時所要面臨的各種問題，設(shè)計實現(xiàn)了一套基本的運動控制系統(tǒng)。電腦鼠要 想完成走迷宮的任務(wù)，第一要能夠自由的加速或減速，以達到運動的目的。第二，電腦鼠要想在迷宮中正常的行進，就要能夠辨別出哪里是墻壁，哪里是道路，所以要能夠?qū)γ詫m墻壁進行檢測。第三， 在復(fù)雜的迷宮中，電腦鼠為了不迷路，就得知道自己的位置和終點的位置，因此需要編寫程序?qū)﹄娔X鼠的位置信息進行記錄。第四， 電腦鼠在 實際的走直線過程中容易偏離 運動軌跡，這個時候就需要對電腦鼠的姿態(tài)進行調(diào)整，讓它回到正確的軌跡上。第 五，在遇到分岔路口時，電腦鼠可能會選擇轉(zhuǎn)彎，因此需要增加電腦鼠轉(zhuǎn)彎的控制程序。完成上面所述的五個部分，就能夠滿足電 腦鼠的走迷宮的基本需求了，但是要想在電腦鼠走迷宮比賽中獲得好的成績，就還需要進行優(yōu)化。 最后，對電腦鼠的運動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。通過觀察電腦鼠走迷宮的比賽規(guī)則，我們發(fā)現(xiàn)電腦鼠 沖刺 的 時間在最終成績中占有很大的比例，因此 筆者采用了一些優(yōu)化方法用來提供電腦鼠的沖刺效率。具體的就是采用行進中轉(zhuǎn)彎的方法代替原來的 停止轉(zhuǎn)彎 方法，省去電腦鼠轉(zhuǎn)彎前減速和轉(zhuǎn)彎后加速的時間。這部分還通過實際的實驗來對新的轉(zhuǎn)彎方法的效率進行分析，實驗結(jié)果證明行進中轉(zhuǎn)彎的方法能較大的提升電腦鼠走迷宮的比賽成績。 在迷宮比賽中，電腦鼠的運動控制和 迷宮探索算法是決定比賽成敗的兩個關(guān)鍵因素，目前也有不少較為成熟的迷宮探索算法，如左手法則、右手法則、中心法則等，而電腦鼠運動控制部分可供參考的資料 確 比較稀缺。 電腦鼠運動控制的研究不僅對迷宮比賽有著重要的意義，對其它機器人相關(guān)的課題，如拼字母、障礙清除和未知區(qū)域探測等也有著重要的意義。 本課題旨在對電腦鼠運動控制進行研究，設(shè)計一套適于周立功公司 電腦鼠的運動控制系統(tǒng)，其中的一些問題是所有電腦鼠在比賽中會遇到的共同問題，希望本課題的研究成果會對他們有所幫助。 本文從電腦鼠硬件組成及其使用， 帶修正的電腦鼠直線運動控制，電腦鼠加減速控制，電腦鼠 停止轉(zhuǎn)彎 控制等幾個子問題對整個運動控制系統(tǒng)進行闡述。并且介紹了電腦鼠進行中轉(zhuǎn)彎的運動控制方法，用這種運動控制方法對電腦鼠運動控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，通過實驗證明對電腦鼠迷宮比賽的成績有著較大的提升。 關(guān)鍵詞 ：電腦鼠，迷宮比賽，行進中轉(zhuǎn)彎，運動控制， 基于 電腦鼠運動控制 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 電腦鼠運動控制 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 電腦鼠運動控制 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 電腦鼠運動控制 研 究 目錄 第一章 緒論 . 7 腦鼠和 準(zhǔn)電腦鼠走迷宮競賽簡介 . 7 腦鼠比賽規(guī)則 . 7 腦鼠的發(fā)展歷史 . 8 電腦鼠簡介 . 9 文的組織結(jié)構(gòu) . 10 第二章 硬件組成及其使用 . 10 腦鼠驅(qū)動模塊 . 11 進電機原理 . 11 機驅(qū)動芯片 紹 . 13 部信息探測模塊 . 16 射式紅外線傳感器硬件原理 . 16 化紅外接收頭工作原理 . 17 測障礙物的軟件設(shè)計 . 17 外線傳感器抗干擾處理 . 19 示板的使用 . 19 第三章 運動控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 21 進電機勻加減速控制 . 21 加減速時定時器計數(shù)值生成 . 21 加減速的程序控制 . 23 宮墻壁的檢測 . 23 腦鼠走直線時的姿勢修正 . 24 側(cè)都存在擋板時的修正原理 . 25 有一側(cè)存在擋板時的修正原理 . 26 腦鼠坐標(biāo)的確定 . 26 腦鼠在迷宮中前進方向的確定 . 26 腦鼠前進步數(shù)到坐標(biāo)的變換 . 28 腦鼠靜止時轉(zhuǎn)彎 . 31 腦鼠左轉(zhuǎn)的控制 . 32 腦鼠往前走的控制 . 33 第四章 電腦鼠行進中轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn) . 34 腦鼠行進中轉(zhuǎn)彎需要解決的問題 . 34 腦鼠行進中轉(zhuǎn)彎時的坐標(biāo)更新 . 34 腦鼠行進中轉(zhuǎn)彎時的運動控制 . 35 腦鼠行進中轉(zhuǎn)彎效率測試 . 37 第五章 結(jié)論 . 38 文總結(jié) . 38 作展望 . 38 參考文獻 . 39 謝辭 . 40 基于 電腦鼠運動控制 研 究 第一章 緒論 本章將介紹 腦鼠走迷宮競賽的背景，電腦鼠運動控制的研究意義和全文的組織結(jié)構(gòu)。 腦鼠研究背景和意義 電腦鼠，是一種智能行走裝置的俗稱，它結(jié)合了機械、電機、電子、控制、光學(xué)、程序設(shè)計和人工 智能等多方面的科技知識。 國際電工和電子工程學(xué)會（ 年都要舉辦一次國際性的電腦鼠走迷宮競賽 ， 上海市計算機學(xué)會 也 在 2007 國內(nèi)主辦了 三 次 準(zhǔn)電腦鼠走迷宮邀請賽 ， 腦鼠競賽在全國乃至全世界都有著巨大的影響。 因此對于電腦鼠硬件和算法的研究一直是各地電腦鼠愛好者研究的熱點問題。本文主要從硬件控制方面對于電腦鼠的運動控制進行研究，幫助算法研究者方便的控制電腦鼠，解決電腦鼠走迷宮過程可能遇到的一些問題，使電腦鼠能夠按照設(shè)定的算法完成迷宮比賽，并且通過優(yōu)化電腦鼠轉(zhuǎn)彎方法等措施來提高電腦 鼠走迷宮的成績。 腦鼠比賽規(guī)則 最新的電腦鼠比賽規(guī)則是 2006 年國際電工和電子工程學(xué)會（ 定的電腦鼠走迷宮競賽規(guī)則，這個規(guī)則將會對制作電腦鼠具體方案的設(shè)計提供依據(jù)。其內(nèi)容如下： （ 1） 目的 電腦鼠走迷宮競賽的目的是制作一個微型機器人，它能在最短的時間內(nèi)穿越迷宮到達終點。參賽的機器人稱為“電腦鼠”，將電腦鼠放入迷宮并啟動操作的人稱為“操作員”。 （ 2） 競賽規(guī)則 電腦鼠的基本功能是從起點開始走到終點，這個過程稱為一次 “運行 ”，所花費的時間稱為 “運行時間 ”。從終點回到起點所花費的時間不計算在運行時間內(nèi)。從 電腦鼠的第一次激活到每次運行開始，這段期間所花費的時間稱為 “迷宮時間 ”。如果電腦鼠在比賽時需要手動輔助，這個動作稱為 “碰觸 ”。競賽使用這三個參數(shù)，從速度求解迷宮的效率和電腦鼠的可靠性三個方面來進行評分。 電腦鼠的得分是通過計算每次運行的 “排障時間 ”來衡量的，排障時間越短越好。排障時間是這樣計算的： 排障時間 =迷宮時間 /30+沖刺 時間 如果這次運行結(jié)束以后電腦鼠沒有被碰觸過，那么還要再減去 10 秒的獎勵時間，這樣得到的就是排障時間。每個電腦鼠允許運行多次，取其中最短的排障時間作為參賽的計分成績。 例子：一個電 腦鼠在迷宮中迷宮時間為 4 分鐘（ 240 秒）沒有碰觸過，運行時間使用了 20 秒，這次運行的排障時間就是： 20 秒 +（ 240 秒 1/30） - 10 秒 = 18 秒 競賽中電腦鼠在迷宮中的總時間不可超過 15 分鐘，在該限時內(nèi)，電腦鼠可以運行任意次。 基于 電腦鼠運動控制 研 究 電腦鼠到達迷宮中心的目的地后，可以使用手動放回起點，或讓電腦鼠自動回到起點，前者被視為碰觸，因此在以后的運行中，將失去減 10 秒的獎勵。 從電腦鼠離開起點到進入終點的這段時間為運行時間。迷宮時間是從電腦鼠第一次激活開始計算的，電腦鼠第一次激活后不需要馬上就開始運動，但必須在迷宮 起點處整裝待命。 穿越迷宮的時間由競賽工作人員人工測量或由裝在起點和終點處的紅外線傳感器自動測量。使用紅外傳感器時，起點紅外傳感器應(yīng)放置在起點單元和下一個單元之間的邊界上；終點傳感器應(yīng)放置在終點單元的入口處。傳感器沿水平方向發(fā)射紅外線，高出地面約 1 電腦鼠在啟動過程中，操作員不可再選擇策略。一旦競賽迷宮的布局揭曉，操作員不能將任何有關(guān)迷宮布局的信息再傳輸給電腦鼠。迷宮所在房間的亮度、溫度和濕度與周圍環(huán)境相同。改變亮度的要求是否被接受須由競賽組織者決定。 如果電腦鼠出現(xiàn)故障，操作員可以在裁判的許可下放 棄該次運行，并放回到起點重新開始。但不能僅因為轉(zhuǎn)錯彎就要求重新開始。 如果參賽因為技術(shù)原因決定停止當(dāng)前運行，裁判可以允許該隊重新運行，但要增加 3 分鐘的迷宮時間作為懲罰。例如，一個電腦鼠在比賽開始以后 4 分鐘停止，重新運行后用去的迷宮時間為 7 分鐘，那么該電腦鼠在迷宮中還可以重新再開始運行的時間就只剩下 8 分鐘了。 如果電腦鼠在比賽中任何部分被替換，比如電池、 者作出其它重要的調(diào)整，必須清除電腦鼠中有關(guān)迷宮信息的內(nèi)存。細微的調(diào)節(jié)，例如調(diào)整傳感器，可以在裁判的許可下進行，無須清除內(nèi)存，但是對速度或策略控制 的調(diào)節(jié)，則必須要清除內(nèi)存。 一個電腦鼠的任意部分（除電池外）都不能用到其它的電腦鼠上。例如，如果一個底盤使用兩個可互換的微控制器芯片，即它們屬于同一個電腦鼠，最大運行時間也是 15 分鐘。當(dāng)需要更換微控制器時，先前的內(nèi)存必須被清除。 當(dāng)比賽官方認(rèn)為某電腦鼠的運行將破壞或損毀迷宮時，有權(quán)停止其運行或取消其參賽資格。 腦鼠的發(fā)展歷史 最初 的電腦鼠是機械的。 1972 年，機械設(shè)計雜志發(fā)起了一場比賽。在比賽中，僅有捕鼠器彈簧驅(qū)動的機械鼠不停地與其它參賽鼠競賽，以判斷哪個機械鼠能夠沿著跑道跑出最長的距離。冠軍是 “ 它跑了 尺。 1977 年， 志提出電腦鼠的觀念。電腦鼠是一個小型的由微處理器控制的機器人車輛，在復(fù)雜迷宮中具有譯碼和導(dǎo)航的功能和能力。 1977 年 5 月， 布首場美國令人震驚的電腦鼠迷宮大賽在 1979 年于紐約舉行。在 6000 個參賽作品中僅有 15個電腦鼠比賽勝出。一些電腦鼠被報道為“大腦智障”（“ ，另外一些則被宣布為電腦鼠“爆炸”（“ 。當(dāng)大家都非常關(guān)心這個話題時，只能電腦鼠的設(shè)計和制作顯 然就被證實比想象中的困難得多。 1980 年，在倫敦 0 舉辦了一場歐洲版的比賽，但是 18 個參賽鼠都沒能成功地完成這個迷宮賽。在比賽的觀眾當(dāng)中，有五位來自日本新科學(xué)基金會的代表。他們將此比賽規(guī)則帶回了東京，后來還在 1980 年 11 月舉辦了首場全日本電腦鼠比賽。 1985 年 8 月，在日本 行了首場世界電腦鼠大賽。電腦鼠來自整個歐洲和美國， 基于 電腦鼠運動控制 研 究 使用的傳感器有紅外的、超聲波的和 ，驅(qū)動裝置有步進電機的和伺服電機的。所有最高獎項均由日本的電腦鼠 得，一舉成為世界冠軍。 1987 年，電機工程協(xié)會（ 倫敦舉辦了一場電腦鼠錦標(biāo)賽， 13 個電腦鼠角逐冠軍。來自美國麻省理工學(xué)院（ 著他的兩個參賽鼠 和 I 獲得了一等獎和二等獎。比賽蠶蛹新的得分體制，以獎勵那些能夠智能、高效地解開迷宮的方案和能夠獨立運行的電腦鼠。 一位新加坡工程協(xié)會（ 議會成員在 1986 年偶然發(fā)現(xiàn)了電腦鼠。因為他對電腦鼠以及電腦鼠的復(fù)雜程度和前景非常感興趣，所以他覺得再新加坡舉辦一場國際電腦鼠大賽非常合適（ 為主要的贊 助商）。 1987 年 10 月，新加坡舉行了新一屆新加坡電腦鼠比賽。比賽的冠軍 來自 1988 年在倫敦舉行的 K 國際電腦鼠比賽的季軍。 1989 年 7 月，由第二屆新加坡電腦鼠比賽的獲勝者組成比較大的新加坡隊參加了在倫敦舉行的 1989 年 K 國際電腦鼠大賽。新加坡參賽者獲得了最高 8 個獎項中的 6 個。 得了亞軍， 企業(yè)則獲得了第五名。 在 1989 年 10 月 21 日， 請澳大利亞、日本、臺灣、 美國最好的電腦 鼠來參加新加坡首場國際電腦鼠大賽。來自美國和臺灣的電腦鼠等待著復(fù)仇的時機，因為他們在 7月份的倫敦大賽曾一度被新加坡打敗。 13 個來及當(dāng)?shù)氐暮屯鈬膮①愓叩碾娔X鼠在 3 個小時的比賽中，表演出來的速度和敏捷程度使得觀眾嘆為觀止。新加坡獲得第二名、第四名、第五名和第七名的事實出乎了很多人的意料。 1991 年，世界錦標(biāo)賽在香港舉行，這是繼 1985 年 界錦標(biāo)賽的又一場最大的國際盛會：來自 13 個國家