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1、视觉机器人实验报告学 院: 姓 名: 专 业: 二零一六年一月目录第1章背景和意义3第2章 系统方案设计4第3章硬件设计53.1电脑鼠基本硬件组成53.2电脑鼠基本动作8第4章 软件设计94.1电脑鼠软件设计概要说明94.2等高图制作模块114.3冲刺模块124.4转弯模块124.5搜索模块134.6迷宫地图相对方向与绝对方向的建立134.7墙壁资料存储154.8电脑鼠搜索策略16参考文献16附件：17第1章 背景和意义电脑鼠可看作是一种具有人工智能的小型机器人，依照比赛规则，当电脑鼠放入“迷宫”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中前进、转弯、记忆迷宫墙壁资料、计算最短路径
2、、搜寻终点等功能。电脑鼠结合了机械、电机、电子、控制、光学、程序设计和人工智能等多方面的科技识。国际电工和电子工程学会（IEEE）每年都要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛。首场电脑鼠迷宫竞赛1979年于纽约举行，1991年以来，每年都有世界级的比赛。2007年，国内开始举行IEEE标准电脑鼠走迷宫邀请赛,自举办以来高校参赛踊跃，许多大学还开设了“电脑鼠原理和制作”选修课程。电脑鼠走迷宫竞赛具有一定难度，是一项富有挑战性和趣味性的比赛。电脑鼠可看作一个集多项工程学科知识于一体的小型系统，成功的设计者通常都是合作团体。他们必须考虑电子、电气、机械以及计算机各方面的问题，重量、速度、功耗、传感技术重
3、心以及程序各方面都是设计中需要决定和综合考虑的因素。电脑鼠结合了多学科知识，对于提升我们的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进课堂知识的消化和扩展自身的知识面都非常有帮助；另外成立小组合作参赛，不仅使我们学到了知识，而且加强了同学之间的交流，交际能力语言表达能力等也得到了锻炼和提升；最后电脑鼠走迷宫竞赛极具趣味性，容易得到学生的认同及参与，并能很好的激发和引导学生这方面的兴趣和爱好，为继续参加比赛和深入学习提供了良好的条件。第2章 系统方案设计硬件部分设计概要：软件部分结构设计：第3章硬件设计3.1电脑鼠基本硬件组成电脑鼠的硬件大致分为以下几部分：传感器、执行部件、微处理器、机械结构，如图3
4、-1所示电脑鼠传感器执行部件微处理器机械结构红外传感器车身设计步进电机LM3S615图3-1电脑鼠硬件结构图1.传感器它是电脑鼠感知外界环境的窗口，是电脑鼠的双眼。好的传感器是电脑鼠准确获取外部环境信息以做出正确判断的依据，是电脑鼠灵敏快捷的保证。红外测距方式在电脑鼠上应用最广。常见的红外如图3-2所示本次电脑鼠使用6组红外传感器，每组红外传感器由红外发线射器和红外线接收器组成用于检测迷宫墙壁信息，分别用于检测左、左前、前、前、右前和右六个方向的墙壁信息。我们用U1-U5表示红外线接收头传感器，RF1-RF5为发送红外线装置，使用6组可调电阻W1-W5控制红外信号发射强度，调整可见距离。信号采
5、用载波调制，增强抗干扰性。传感器由高功率 880nm 红外发射管和高灵敏度红外接收管组成，传感器返回数据为模拟量，通过ADC 读取，通过数值，可估算障碍物的距离。图3-2 红外传感器2.执行部件电机是电脑鼠的动力源，是电脑鼠的四肢。只有具备健壮且灵活的四肢的电脑鼠才有可能在比赛中高效的解开迷宫。电机不但要能输出足够的马力还要便于控制，在此基础上再配以合适的控制算法就能使电脑鼠快速而精确的行走。电脑鼠中常用的是步进电机和直流电机，步进电机控制容易，但直流电机使电脑鼠控制更加灵敏。本次电脑鼠上有两个两相四线制的步进电机，左电机和右电机用来控制电脑鼠前进，左转和右转，停止。步进电机是一种将电脉冲转化
6、为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。四相步进电机如图3-3所示，电机驱动采用 ROHM 公司 MOS 全桥芯片驱动，压降低，给电机提供较大的输入电压。电机控制简单，每个电机采用三个控制信号：两个 I/O 控制电机的正反转、刹车，一个 PWM 控制电机调速，PWM范围 20KHz100KHz。图3-3 四相步进电机3.微处理器微处理器是电脑鼠的核
7、心部分，是电脑鼠的大脑。几乎所有的信息，包括墙壁信息，位置信息，角度信息和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。所有的数据分析，算法实现和执行指令的发出等都需要由微处理器来完成。主控芯片STM32F103RET6 具有 72MHz 的主频，512K Flash，64K RAM，加个外部 Flash，足够比较使用。4.机械结构电脑鼠要能够在迷宫里面灵活穿梭，必须有一副好身板，有适合在迷宫中快速运行的身体结构。首先他必须结实，拥有两只东倒西歪的轮子的电脑鼠是很难不在迷宫中碰壁的，其次身材娇小的电脑鼠在迷宫里是会更灵活的，它有更大的空间用于完成转弯，有更大的空间用于纠正姿，最后体重太
8、大和没有平衡感的老鼠也是不适宜迷宫竞赛的。基于如此多的考虑，一只学富五车而又娇小玲珑的电脑鼠要求我们从机械上面有更多创新。电脑鼠的机械结构如图3-4所示。图3-4 电脑鼠的机械结构 3.2电脑鼠基本动作电脑鼠基本动作包括路口检测，行走控制和转弯。路口检测：由安装在前、右、左的三个红外线发射对管和接收部件实现，利用时钟中断来控制，实现远红外测距功能，探测前、右、左有无障碍。行走控制：由左、右45角的两个红外线发射对管和接收部件实现，利用时钟中断来控制，实现近红外测距功能，保持电脑鼠在中轴线上行走，避免撞墙。转弯：由于电机采用的是步进电机，只要对一个电机的步数进行设定，电机采用PWM进行驱动，另外
9、一个电机停止或者反转同样的步数，当然这个步数要自己实际测量。第4章 软件设计4.1电脑鼠软件设计概要说明图4-1 软件主要模块图电脑鼠软件主要模块等高图制作模块冲刺模块转弯模块搜索模块相对方向与绝对方向转变模块墙壁资料存储模块电脑鼠搜索策略模块电脑鼠的软件主要可以分为等高图制作模块、冲刺模块、转弯模块、搜索模块、相对方向与绝对方向转变模块、墙壁资料存储模块和电脑鼠搜索策略模块这七个模块。如图3-5所示。下面介绍一下电脑鼠运行中必须要知道的一些参数，及其在程序运行过程中的用途。电脑鼠在运行中可以划分为四个状态：等待，启动，搜索迷宫和冲刺状态。1.等待状态在该状态中，电脑鼠静止在起点，等待开始命令
10、。同时实时显示传感器检测结果和电池电压，这样方便调试传感器的灵敏度和更换电池。当控制启动的按键按下后，电脑鼠进入启动状态。2.启动状态在该状态中，电脑鼠根据第一次转弯的方向判断起点是在坐标的（0，0）点还是在（15，0）点。其程序流程图见图3-6所示：图4-2判断起点坐标程序流程图3. 搜索迷宫状态 在该状态中，电脑鼠的任务就是搜索并记忆迷宫地图，以采用右手搜索法则为例搜索全迷宫，其流程图如图3-7所示。图4-3 迷宫搜索流程图4.冲刺状态迷宫搜索完毕后，根据算法找出一条最优路径冲刺到终点，冲刺结束后返回到起点。4.2等高图制作模块等高图就是等高线地图的简称，有如一般地图可以标出同一高度的地区
11、范围，或有如气象报告时的等气压的范围和大小。那么等高图运用在迷宫地图上，可以标出每个迷宫格到起点相等步数的关系，许多封闭路径的逃脱与冲刺的关卡都可以在制作出等高图后迎刃而解，使电脑鼠更容易逃脱，少走一些弯路。首先开辟一块16 16的二维数组空间(MapStep1616)，其中每一个元素代表迷宫的一个方格，用以计算后储存各方格至起点的最短路径步数（所谓步数即为路径中经过的方格数）。当起点坐标处标识为1时，可以直接达到的相邻方格均为2，再远的方格的等高值依次递增，这样距离越远的地方等高值越大。4.3冲刺模块冲刺函数的实现是建立在等高图已经建立好的基础上的。当电脑鼠要进行冲刺的时候，调用冲刺函数时，
12、首先会调用等高图制作函数将等高图制作好。然后该函数通过等高图和墙壁信息来进行电脑鼠的行进控制。当然，我们认为电脑鼠在走直道的时候应该会比走弯道的时候，来的更快一点，所以我们没有进行特殊的加权，直接是走直道的。电脑鼠从起点开始，一直利用等高图信息和墙壁信息进行一格一格的对比，只有当这一格在电脑鼠绝对方向上时，这一格才算记录到进行直道冲刺，同时直道格数加一。当遇到电脑鼠要转弯的时候，已经将要走的步数记录下来了，接下来直接调用行进函数，控制电脑鼠走完记录好的步数后，即走到电脑鼠要转弯的地方后，再进行转弯，然后接着继续进行上一步的动作。4.4转弯模块转弯也是电脑鼠运行时必不可少一部分，同时转弯也分为静
13、止转弯和行进中转弯。静止转弯要求电脑鼠首先要停止，主要用在电脑鼠进行搜索中，这时要求电脑鼠要绝对的稳定，所以采用静止转弯比较好。行进中转弯的特点是消除了静止转弯的要求电脑鼠停止的弊端，可以节省一些时间，主要用在电脑鼠进行冲刺时，这时要求电脑鼠要以竟可能短的时间从起点到达终点，所以行进中转弯可以节省不少的时间。静止转弯时，对两个电机设置走相同的步数，如当要转左转90时，设置左电机向后走40步，右电机向前走40步。通过两个电机走的方位不同，来实现静止转弯，但静止转弯的缺点就是，在转弯前首先要让电机停止，然后再对电机的要走的步数进行赋值，这样会浪费一点时间。行进中转弯时，让一个轮子停止，一个轮子进行
14、运转来实现。如当要左转90时，设置左电机停止转动，右电机转动80步。与静止转弯区别开来的是，电机的步数在其他的函数中赋值好了，在转弯函数中只要一开始将一个电机停止转动就可以了，而不用一开始就将两个电机都停止，然后对电机的步数进行赋值，这样的话，就可以节省一些不必要的时间。4.5搜索模块电脑鼠一开始进行迷宫搜索时必须要用到这个模块。通过这个模块电脑鼠进行迷宫的墙壁信息的采集，电脑鼠所走过的每个坐标都会有一个相应的墙壁信息，这些墙壁信息是电脑鼠后来进行等高图制作和冲刺的基础。在进行搜索时，电脑鼠的红外是在时钟中断下，不停地被驱动的，这一连串的动作有发射短波红外，发射长波红外，和接受红外。处理器通过读取红外接收器对应引脚的信息来判断四周的情况，同时将迷宫的信息进行编码后存储在对应坐标的一个迷宫情况数组中。当遇到岔路时，程序跳出搜索函数，回到主函数中将岔路坐标进行处理，将这个坐标进行入栈，再回到搜索函数中，根据所选用的搜索法则选择好一条路后，继续搜索，并这样一直下去直到电脑鼠运行
