電腦鼠畢業(yè)論文初稿.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：電腦鼠電路的改進(jìn)及搜索算法的研究學(xué)生姓名：陳昱 學(xué)號(hào)：200600930012 專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué) 指導(dǎo)教師：楊濟(jì)民 學(xué) 院：物理與電子科學(xué)學(xué)院 1 2010年 5月 5日畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹設(shè) 計(jì)題 目電腦鼠電路的改進(jìn)及搜索算法的研究選題時(shí)間2009.12.31完成時(shí)間2010.5.5設(shè)計(jì)字?jǐn)?shù)11711關(guān) 鍵 詞數(shù)字PID 迷宮算法 紅外測(cè)距 電機(jī)控制 RTOS設(shè)計(jì)題目的來(lái)源、理論和實(shí)踐意義： 本論文題目來(lái)源于電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，為了使電腦鼠以更快的速度完成比賽，需對(duì)其電路和算法進(jìn)行研究和改進(jìn)。本論文應(yīng)用了電子技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)，自動(dòng)控制,動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)，對(duì)其算法進(jìn)行了較深入的研究并提出了一套操作性較強(qiáng)的硬件改進(jìn)方案。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)： 提出了對(duì)Micromouse615電源電路、傳感器電路的改進(jìn)方案。給出了電機(jī)控制算法、用于糾正姿態(tài)的數(shù)字PID算法、傳感器驅(qū)動(dòng)算法、連續(xù)轉(zhuǎn)彎算法、迷宮信息采集算法以及迷宮搜索與迷宮最短路徑算法等算法模塊。用基于RTOS的多進(jìn)程架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了上述各算法模塊，并用無(wú)線模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)了算法的實(shí)時(shí)跟蹤與可視化。本文主要的創(chuàng)新點(diǎn)是將數(shù)字PID算法應(yīng)用在姿態(tài)修正，用基于RTOS的多進(jìn)程架構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)上述算法模塊，以及用遠(yuǎn)程桌面調(diào)試算法。附：設(shè)計(jì)本人簽名： 年 月 日 目 錄中文摘要 4 英文摘要 4一、 引言 5 二、 硬件改進(jìn) 7（1） 電源電路的改進(jìn) 7 1、原電路 7 （1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電 7（2） 系統(tǒng)供電 7（3） 傳感器供電 7 2、改進(jìn)方案 8（2） 傳感器電路的改進(jìn) 10 1、工作原理 102、 原電路 10 3、改進(jìn)方案 113、 底層算法的研究 12（1） 傳感器驅(qū)動(dòng) 12（2） 電機(jī)控制 14 （3） 姿態(tài)糾正 17 （4） 信息采集 19（5） 連續(xù)轉(zhuǎn)彎 21 4、 迷宮算法的研究 21 （1） 傳統(tǒng)算法 21 （2） 本文的迷宮算法 22 5、 算法的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試 24 （1） 基于 uC/OS-II 多進(jìn)程的軟件設(shè)計(jì) 24（2） 軟件調(diào)試 346、 總結(jié) 347、 致謝 35參考文獻(xiàn) 35電腦鼠電路的改進(jìn)及搜索算法的研究陳昱 （山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 濟(jì)南） 摘要: 簡(jiǎn)要介紹了電腦鼠走迷宮競(jìng)賽。分析了MicroMouse615中電源系統(tǒng)和紅外發(fā)射系統(tǒng)的不足，提出了改進(jìn)方案，并給出了電路圖。給出了電機(jī)控制算法、用于姿態(tài)糾正的數(shù)字PID算法、傳感器驅(qū)動(dòng)算法、連續(xù)轉(zhuǎn)彎算法、迷宮信息采集算法以及迷宮搜索與最短路徑算法等算法模塊。用基于RTOS的多進(jìn)程架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了上述各算法模塊，并給出了各個(gè)算法的流程圖。用無(wú)線模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)了算法的實(shí)時(shí)跟蹤與可視化。關(guān)鍵詞: 數(shù)字PID 迷宮算法 紅外測(cè)距 電機(jī)控制 RTOS中圖分類號(hào)： TP242.6Micromouse circuit improvements and search algorithmChen yu （Shandong Normal University Colleges of Physics & Electronics , Jinan）Abstract : Introduced the Micromouse maze competition.Analysised the power system and infrared emission system of MicroMouse615 , proposed a improvement program, and gived the circuit diagram. Motor control algorithm was given, together with the Digital PID algorithm to correct posture, sensor-driven algorithm, continuous turning algorithms, maze of information acquisition algorithm and a maze search algorithm with the shortest path algorithm module.RTOS-based framework for multi-process mechanism was used to achieve the above algorithm module, and the flow chart of each algorithm was given .Real-time tracking and visualization of algorithm were achieved through communicating with the host computer algorithm by wireless module .Key words: Digital PID; Maze algorithm; Infrared range; Motor Control; RTOSCLASSNO: TP242.6一、引言 電腦鼠英文名叫做MicroMouse，是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置（微型機(jī)器人）。電腦鼠要在指定的迷宮中比賽，在迷宮中探索以找出通往終點(diǎn)的路徑，并隨時(shí)掌握自身的位置信息，準(zhǔn)確獲取墻壁信息并做記錄，最終依靠記憶找出走出迷宮的最佳路徑，以最短的時(shí)間解開(kāi)迷宮，贏得比賽。一只優(yōu)秀的電腦鼠必須具備良好的感知能力，有良好行走能力，優(yōu)秀的智能算法和強(qiáng)健體魄。國(guó)際電工和電子工程學(xué)會(huì)（IEEE）每年都要舉辦一次國(guó)際性的電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，自舉辦以來(lái)參加國(guó)踴躍，為此許多大學(xué)還開(kāi)設(shè)了“電腦鼠原理和制作”選修課程。2007年和2008年，上海市計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)率先在國(guó)內(nèi)主辦了兩次IEEE標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮邀請(qǐng)賽（長(zhǎng)三角地區(qū)），有三十多所院校參加。2009年廣州致遠(yuǎn)電子有限公司贊助了全國(guó)“IEEE標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮” 邀請(qǐng)賽，共邀請(qǐng)全國(guó)9個(gè)賽區(qū)的52所高校參賽，反響強(qiáng)烈。如圖一所示為電腦鼠，圖二所示為比賽迷宮。 圖一 電腦鼠 圖二 比賽迷宮為了更好的普及電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，廣州志公遠(yuǎn)電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一款電腦鼠MicroMouse615,它的元件布局圖如圖三所示。它的原理圖如圖四所示。 圖三 MicroMouse615元件布局圖 圖四 MicroMouse615原理圖本文以MicroMouse615為原始硬件平臺(tái)，結(jié)合2009年參加濟(jì)南賽區(qū)電腦鼠走迷宮競(jìng)賽中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出了一套硬件改進(jìn)方案，并對(duì)底層算法和迷宮算法進(jìn)行了一番研究，最后給出了算法的具體實(shí)現(xiàn)以及軟件調(diào)試方法。2、 硬件改進(jìn)（一）電源電路的改進(jìn) 1、原電路MicroMouse615采取外接鋰電池供電，并為整個(gè)系統(tǒng)提供三種不同的電壓，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、給傳感器供電和給微控制器供電。（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電MicroMouse615裝有兩個(gè)永磁式步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)中直接把電池的輸出電壓連接到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片上。（2） 系統(tǒng)供電 LM3S615微控制器需要3.3V供電，電路如圖五所示，外接電源經(jīng)過(guò)C36、C2濾波，然后通過(guò)SPX1117M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3V。SPX1117M-3.3是Exar公司生產(chǎn)的LDO芯片，其特點(diǎn)是輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。其輸入電壓范圍為4.7V到12V，輸出電流可達(dá)800mA。在其輸出端的C3、C4用來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。 圖五 3.3V電源電路（3） 傳感器供電MicroMouse615使用的紅外傳感器的工作電壓為5V，在一般情況下可以把電池的輸出電壓經(jīng)過(guò)LDO穩(wěn)到5V。但若電池電壓較低或瞬間被拉低時(shí)，系統(tǒng)就不能為傳感器提供穩(wěn)定的電源，這將嚴(yán)重影響傳感器的靈敏度。所以原電路把系統(tǒng)中已經(jīng)較為穩(wěn)定的3.3V電壓升到5V。升壓芯片采用Exar公司的低靜態(tài)電流、高效率的升壓芯片SP6641A，升壓電路如圖六所示。 圖六 5V升壓電路 2、改進(jìn)方案整個(gè)系統(tǒng)仍由一個(gè)7.2V鋰電池供電。電腦鼠在行走過(guò)程中，由于需要不停的加減速，電機(jī)負(fù)載會(huì)不停的變化，因此電源電壓將在很大范圍內(nèi)變化。比如鋰電池充足電時(shí)的電壓為7.8V，放完電后的電壓為5.0V，如果負(fù)載大時(shí)會(huì)更低。為了保證供電電壓穩(wěn)定不變，系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓器供電。原系統(tǒng)采用常見(jiàn)的SPX1117芯片把電壓穩(wěn)到3.3V給微控制器供電，再用SP6641A-5V芯片把3.3V升到5V給傳感器接收管供電。由于SPX1117的輸入輸出電壓差為1.4V,因此SPX1117允許的最小輸入電壓為3.3+1.4=4.7V。當(dāng)某個(gè)時(shí)刻電機(jī)負(fù)載較大時(shí)電池電壓有可能瞬間被拉到很低(尤其是當(dāng)電池快沒(méi)電時(shí))，甚至?xí)陀赟PX1117的最低工作電壓4.7V，所以SPX1117的輸出電壓可能會(huì)不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者選擇了支持更低壓差且微功耗的三端穩(wěn)壓芯片HT1034，其輸出電壓為3.3V，且輸入輸出壓差低。HT1034的主要參數(shù)如表一所示。 表一 HT1034的主要參數(shù)而且將兩路供電改成了三路供電，用兩片HT1034分別供給微控制器和傳感器，如圖五所示，這樣進(jìn)一步保證了傳感器和微控制器工作電壓的穩(wěn)定，同時(shí)也減小了每一路的電流。 圖五 三路供電注意到原紅外接收管的工作電壓為4.5V至5.5V，HT1034輸出的3.3V電壓無(wú)法提供其工作。因此選擇了一塊工作電壓為3.3V的紅外接收管從而避免了使用升壓芯片，使電路更加簡(jiǎn)單高效。（2） 傳感器電路的改進(jìn)1、 工作原理 MicroMouse615使用一體化紅外接收頭IRM8601S，它內(nèi)部集成自動(dòng)增益控制電路、帶通濾波電路、解碼電路及輸出驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)連續(xù)收到38KHz 的紅外線信號(hào)時(shí)，將產(chǎn)生脈寬10ms 左右的低電平，有效電平維持時(shí)間TWL的范圍為400sTWL800s。如果沒(méi)有收到信號(hào)，便在TWL結(jié)束后輸出高電平。再根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，其調(diào)制信號(hào)應(yīng)為周期1000us的方波。IRM8601S內(nèi)部的帶通濾波器的中心頻率為38KHz,所以發(fā)射紅外線的載波信號(hào)為38KHz時(shí)經(jīng)過(guò)濾波器衰減最小，傳感器最靈敏，越是偏離就衰減的越多，這是一體化接收頭抗干擾的關(guān)鍵原理。有效發(fā)射信號(hào)是指接收頭所能識(shí)別的信號(hào)，改變有效發(fā)射信號(hào)的方法有兩種： 1. 改變輸出信號(hào)的能量，改變輸出信號(hào)的能量又有兩種方法：（1）改變輸出信號(hào)的幅度（2）改變輸出信號(hào)的占空比2. 改變輸出信號(hào)的頻率，由于一體化接收頭是 38KHz 的帶通濾波器，所以發(fā)射信號(hào)的頻率偏離38KHz 越多，能檢測(cè)到的有效信號(hào)就越少。這樣也就可以改變有效發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度。2、 原電路原電路的紅外發(fā)射電路如圖六所示。通過(guò)W4調(diào)節(jié)紅外線發(fā)光管的發(fā)光強(qiáng)度。 圖六 發(fā)射電路 圖七 接收電路接收電路如圖七所示。U4 為一體式紅外線接收傳感器IRM8601S，它內(nèi)部集成自動(dòng)增益控制電路、帶通濾波電路、解碼電路及輸出驅(qū)動(dòng)電路。但由于它是開(kāi)漏輸出，所以輸出端需接一個(gè)上拉電阻，見(jiàn)圖七中的R10。其中R4 是限流電阻。由圖六可知，每個(gè)發(fā)射二極管接一個(gè)電位器后直接接到微控制器的PWM引腳上，在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)這個(gè)電路雖然簡(jiǎn)單易行但存在三個(gè)問(wèn)題。第一，由于二級(jí)管工作曲線的非線性，實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)不能充分利用電位器的調(diào)節(jié)作用，大大增加了調(diào)節(jié)的難度和精度。第二，由于五個(gè)發(fā)射模塊彼此獨(dú)立，故需要調(diào)節(jié)五次，調(diào)節(jié)次數(shù)多，容易照成調(diào)節(jié)的不對(duì)稱。第三，不能通過(guò)程序來(lái)控制發(fā)射電流的大小。3、改進(jìn)方案 改進(jìn)后的電路如圖六所示，三級(jí)管的作用是作為一個(gè)電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射二級(jí)管。運(yùn)放LM324作為一個(gè)電壓跟隨器，跟隨PWM的輸出。通過(guò)合理調(diào)配各電阻的阻值，使三級(jí)管工作在線性區(qū)。其中電容C1、C2的作用是濾出電源高頻干擾。當(dāng)調(diào)節(jié)電位器時(shí)相應(yīng)的改變PWM的占空比從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射電流大小的控制。 圖六 改進(jìn)后的紅外發(fā)射電路3、 底層算法的研究（1） 傳感器驅(qū)動(dòng) 電腦鼠在迷宮中行進(jìn)時(shí)要隨時(shí)偵測(cè)路面情況。它的左右傳感器不但要檢測(cè)是否存在支路（沒(méi)有擋板就是一條支路）還要避免和擋板碰觸。因此電腦鼠每一側(cè)就需要完成兩組參數(shù)的檢測(cè)，一組檢測(cè)稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的距離是否有墻，判斷是否存在支路，另一組檢測(cè)稍微近一點(diǎn)的距離，判斷是否即將碰觸擋板。如果只用一組傳感器來(lái)完成兩組參數(shù)的檢測(cè)的話，若使用非調(diào)制的普通紅外接收頭，可以根據(jù)接收到的信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算距離，可是非調(diào)制的抗干擾差，但是如果使用調(diào)制的一體化接收頭，檢測(cè)信號(hào)輸出的是數(shù)字信號(hào)，這樣通過(guò)檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算距離的方法肯定行不通。解決的方法是把上面測(cè)距的原理反過(guò)來(lái)，可以通過(guò)改變有效發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)接收頭剛好能接收到信號(hào)時(shí)，記錄下此時(shí)發(fā)射的強(qiáng)度，這樣也就可以大致測(cè)算出距離。本文讓五個(gè)發(fā)射頭輪流發(fā)射38KHz及35KHz的調(diào)制信號(hào)，由上文可知這可以改變有效發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，從而能夠粗略判斷障礙物的遠(yuǎn)近距離，完成兩組參數(shù)的檢測(cè)，于是可以指示出沒(méi)有障礙物、檢測(cè)到障礙物和障礙物靠的太近三種狀態(tài)。然而，如果五個(gè)發(fā)射管同時(shí)發(fā)射紅外信號(hào)，由于漫反射的作用，信號(hào)之間可能發(fā)生相互干擾，如圖七所示。左前發(fā)射頭發(fā)射的信號(hào)錯(cuò)誤的被前接收頭收到了。解決這一問(wèn)題的方法是分組分時(shí)發(fā)射。所謂分組分時(shí)發(fā)射是指左、前、右三個(gè)傳感器為一組同時(shí)發(fā)射，左前、右前兩個(gè)傳感器為一組同時(shí)發(fā)射，這樣做的目的是使組內(nèi)各個(gè)傳感器的發(fā)射頭彼此垂直，避免相互間的干擾。所謂分時(shí)發(fā)射是指當(dāng)?shù)谝唤M發(fā)射時(shí)，第二組接收，而當(dāng)?shù)谝唤M接收時(shí)第二組發(fā)射。如圖八所示，其中PWM1連接斜左、斜右兩個(gè)傳感器，PWM2連接左、前、右三個(gè)傳感器。 圖七 漫反射示意圖 圖八 分時(shí)分組發(fā)射示意圖PWM2輪流以38KHz和35KHz驅(qū)動(dòng)第一組發(fā)射頭（左、前、右），檢測(cè)左、前和右的遠(yuǎn)距離和近距離。PWM2發(fā)射時(shí)PWM1停止發(fā)射。而當(dāng)PWM2停止發(fā)射時(shí)，PWM1以35KHz或38KHz檢測(cè)第二組發(fā)射頭（左前和右前）。這樣做的目的是使兩組傳感器可并行的工作，縮短一倍的采樣周期。紅外線在空氣中傳播和反射受外界的干擾，如果測(cè)量距離剛好處在能夠檢測(cè)到信號(hào)的臨界狀態(tài)，保持距離不變，傳感器輸出信號(hào)也可能不確定。這樣就需要在合適的時(shí)機(jī)讀取接收頭輸出端的狀態(tài)。圖九為IRM8601S信號(hào)處于臨界狀態(tài)時(shí)用邏輯分析儀抓到的波形圖，Pulse 為38KHz 的輸出信號(hào)，Send 高電平有效，有效時(shí)發(fā)送紅外線脈沖，OUT 為一體化接收頭輸出端。由圖可知當(dāng)剛剛結(jié)束上次發(fā)射時(shí)讀接收頭輸出端的狀態(tài)，此時(shí)正處于OUT 有效信號(hào)的中間，讀能保證正確檢測(cè)到信號(hào)。 圖九 傳感器檢測(cè)波形圖綜上所述，傳感器驅(qū)動(dòng)的流程圖如圖十所示。 圖十 傳感器流程圖（二）電機(jī)控制 為了減少輪胎的打滑，降低車身的晃動(dòng)，防止電機(jī)的震蕩與失步，一種有效地解決方案是對(duì)電機(jī)進(jìn)行勻加減速的控制，本系統(tǒng)使用的是步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)不能像直流電機(jī)那樣自動(dòng)加減速，它的的加減速需要通過(guò)設(shè)定節(jié)拍的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)每步的平均速度等于中心時(shí)間的速度。 電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的步數(shù)n為： 由得 但上式需要開(kāi)平方，不適合沒(méi)有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的LM3S615處理器，因此還需進(jìn)一步變換 由泰勒公式代入式可近似得到 將n換成i ，得： 減速過(guò)程是加速過(guò)程的逆過(guò)程，如果減速過(guò)程中要跑m步，同理可得 由表中數(shù)據(jù)可以看出除C1/C2外其他比值誤差都很小，故可單獨(dú)令C1=0.4142C0，而C2，C3，C4Cn可由公式或計(jì)算出。 n精確的Cn/Cn-1近似的Cn/Cn1近似值誤差 10.41420.60000.4485 20.76730.77780.0136 30.84300.84620.00370 40.88100.88240.00152 50.90410.90487.6610-4 100.95110.95129.4210-51000.99500.99509.3810-810000.99950.99559.3710-11 表二 近似誤差實(shí)際使用公式求每步定時(shí)器初值時(shí)，可以把事先計(jì)算好的加速和減速表存儲(chǔ)在微控制器的ROM中，需要時(shí)直接查表即可。例如下面這個(gè)數(shù)組，存儲(chǔ)了加速度為1200步/s2的加速度表。const unsigned int AccelTable1200120 = 2041241,845482,657598,556430,490968,444210,408674,380490,357430,338110,321617,307323,294780,283657,273705,264732,256587,249150,242324,236030,230203,224787,219736,215011,210578,206409,202478,198763,195246,191909,188737,185718,182839,180090,177461,174944,172531,170216,167991,165851,163791,161806,159892,158044,156259,154533,152863,151246,149679,148160,146686,145255,143865,142515,141202,139925,138682,137471,136291,135141,134020,132926,131859,130817,129799,128805,127833,126883,125954,125045,124155,123284,122431,121596,120778,119976,119190,118419,117663,116921,116193,115478,114777,114088,113411,112746,112093,111451,110820,110200,109590,108990,108400,107819,107248,106686,106132,105587,105050,104521,104000,103487,102981,102483,101992,101508,101031,100560,100096,99638,99187,98742,98303,97869,97441,97019,96602,96191,95785,95384;（三）姿態(tài)糾正由于左右輪摩擦以及初始位置方向不正，要使電腦鼠在直線的迷宮中正常運(yùn)行，需要電腦鼠在前進(jìn)的過(guò)程中不斷調(diào)整姿勢(shì)，以免碰到擋板。電腦鼠在迷宮中理想的姿勢(shì)是處于迷宮格的中央，且前進(jìn)方向平行于擋板，如圖七所示。圖中箭頭為左前右前傳感器能夠檢測(cè)到的大致距離。 圖七 正確姿勢(shì) 圖八 偏左 圖九 偏右 圖十 斜左 圖十一 斜右 在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)電腦鼠在迷宮格中姿態(tài)不需要時(shí)時(shí)刻刻調(diào)整，只需當(dāng)兩側(cè)都有擋板時(shí)對(duì)電腦鼠姿態(tài)進(jìn)行糾正，這樣可以使算法更加簡(jiǎn)潔高效。當(dāng)且僅當(dāng)電腦鼠處在如圖八、九、十、十一所示位置時(shí)才需要執(zhí)行糾正。仔細(xì)觀察這四種姿勢(shì)可發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同點(diǎn)，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)左邊信號(hào)強(qiáng)于右邊時(shí)應(yīng)向右轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)右邊信號(hào)強(qiáng)于左邊時(shí)應(yīng)向左轉(zhuǎn)。姿態(tài)糾正算法的核心是當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要對(duì)姿態(tài)進(jìn)行糾正時(shí)，如何合理控制其左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的快慢。理想的姿態(tài)修正算法應(yīng)該使電腦鼠不僅可以很快的回到中心線上而且在中心線附近的震蕩越小越好。為了同時(shí)滿足以上兩個(gè)要求，策略是采用數(shù)字PID算法，比例控制具有快速對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行糾正的特性，是系統(tǒng)糾正更加靈敏快速，積分控制具有利用歷史狀態(tài)進(jìn)行修正的特性，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，微分控制具有利用系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行修正的特性，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。數(shù)字PID控制的結(jié)構(gòu)圖如圖十二所示。 圖十二 數(shù)字PID控制結(jié)構(gòu)圖由圖可知： 將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量： 則： 實(shí)際的控制系統(tǒng)中，存在著飽和特性。當(dāng)控制變量達(dá)到一定值后，系統(tǒng)的輸出變量不再增長(zhǎng)，系統(tǒng)進(jìn)入飽和區(qū)。這就要求系統(tǒng)的控制變量必須限制在某個(gè)范圍之內(nèi)，即 采用積分分離法： 有關(guān)比例系數(shù)Kp，積分系數(shù)Ti，微分系數(shù)Td的調(diào)節(jié)可參照以下口訣：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線震蕩很頻繁，比例增益要減小曲線漂浮繞大彎，比例增益要增大曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)曲線震蕩頻率快，先把微分降下來(lái)動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)當(dāng)確定了全部參數(shù)后，可定義一個(gè)數(shù)字PID函數(shù)，如下:unsigned int PID(unsigned int e1,unsigned int e2,unsigned int e3)return P*(e3-e2)+I*e3+D*(e3-2*e2-e1);其中P=KP I=KI D=KD該函數(shù)在下文介紹姿態(tài)糾正進(jìn)程時(shí)會(huì)被用到。姿態(tài)糾正算法的實(shí)現(xiàn)可參照30頁(yè)圖十五。（四）信息采集算法要想使電腦鼠具備智能選路的本領(lǐng)，必須使其具備記憶迷宮信息的能力，除此之外電腦鼠還需記憶當(dāng)前所在迷宮格和前進(jìn)方向的信息，這些信息將隨著電腦鼠在迷宮格中行走而不斷被刷新。用CurDir存儲(chǔ)當(dāng)前方向，用CurPosition11存儲(chǔ)當(dāng)前坐標(biāo)，用Cellshape1616存儲(chǔ)每個(gè)迷宮格的形狀，用CurEye存儲(chǔ)當(dāng)前傳感器采集到迷宮格墻壁情況。信息采集算法的核心是確定何時(shí)刷新信息以及輸入?yún)?shù)。為此用三張表格來(lái)表示這三個(gè)刷新邏輯。觸發(fā)事件j件參數(shù)NSWE左轉(zhuǎn)執(zhí)行完WESN右轉(zhuǎn)執(zhí)行完EWNS后轉(zhuǎn)執(zhí)行完SNEW 表三 CurDir刷新邏輯觸發(fā)事件參數(shù)N，（X,Y）S,（X,Y）W,（X,Y）E,（X,Y）直行（N/2+Nc）+nN步(X,Y+1)(X,Y-1)(X-1,Y)(X+1,Y)準(zhǔn)備直行左轉(zhuǎn)準(zhǔn)備直行右轉(zhuǎn)剛執(zhí)行完左轉(zhuǎn)剛執(zhí)行完右轉(zhuǎn)剛執(zhí)行完后轉(zhuǎn) 表四 CurPosition刷新邏輯觸發(fā)事件參數(shù)N,(X,Y)CurEyeS,(X,Y)CurEye W,(X,Y)CurEyeE,(X,Y)CurEyeCurPosition賦新值CurEye直接賦給CellshapeXYCurEye順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180賦給CellshapeXYCurEye順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90賦給CellshapeXYCurEye逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90賦給CellshapeXY表五 Cellshape刷新邏輯注：式中Nc表示當(dāng)MicroMouse處在迷宮格中心位置時(shí)，其左右傳感器發(fā)射頭離該迷宮格前沿的距離所對(duì)應(yīng)的步數(shù)，N表示迷宮格的邊長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的步數(shù)，n取0,1,2,3.迷宮格的坐標(biāo)系如圖十三所示。(0,3)(1,3)(2,3)(3,3)（0,2）（1,2）(2,2)(3,3)（0,1）（1,1）（2,1）（3,1）（0,0）（1,0）（2,0）（3,0） 圖十 迷宮坐標(biāo)系 由上述三個(gè)刷新邏輯表可知：Cellshape需要CurPosition作為觸發(fā)事件，而CurPosition需要CurDir作為輸入?yún)?shù)。因此當(dāng)需要同時(shí)刷新三個(gè)變量的兩個(gè)或三個(gè)時(shí)，應(yīng)先刷新CurDir 再刷新CurPosition最后刷新Cellshape。（五）連續(xù)轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)彎共有兩種方式：一種是在前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎，即一個(gè)電機(jī)快轉(zhuǎn)，一個(gè)電機(jī)慢轉(zhuǎn)。另外一種方式是在原地轉(zhuǎn)彎，即車體先停在轉(zhuǎn)彎口，然后一個(gè)輪正轉(zhuǎn)，另一個(gè)輪反轉(zhuǎn)。前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎節(jié)約時(shí)間，效率高，原地轉(zhuǎn)彎控制較為簡(jiǎn)單。由于原地轉(zhuǎn)彎需要減速停下來(lái)，轉(zhuǎn)完后再加速，非常浪費(fèi)時(shí)間，嚴(yán)重影響比賽成績(jī)，故選取連續(xù)轉(zhuǎn)彎方法。R1表示內(nèi)側(cè)輪胎劃出的軌道半徑，R2表示外側(cè)輪胎劃出的軌道半徑。當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)輪保持當(dāng)前速度不變，而內(nèi)測(cè)輪的速度降至外側(cè)輪的K=R1/R2 倍，電腦鼠便開(kāi)始轉(zhuǎn)彎，直到走過(guò)一定步數(shù)或內(nèi)側(cè)傳感器檢測(cè)到有墻時(shí)，此次轉(zhuǎn)彎便結(jié)束。由于摩擦和慣性，實(shí)際的K值可能不等于R1/R2,需要在實(shí)驗(yàn)中反復(fù)調(diào)試才能獲得。連續(xù)轉(zhuǎn)彎算法的實(shí)現(xiàn)可參照32頁(yè)圖十七。4、 迷宮算法的研究（一）傳統(tǒng)算法電腦鼠的迷宮算法分為迷宮搜索算法和迷宮最優(yōu)路徑算法。迷宮搜索算法的目的是在沒(méi)有預(yù)知迷宮路徑的情況下從起點(diǎn)迷宮格搜索到終點(diǎn)迷宮格，再?gòu)慕K點(diǎn)迷宮格搜索到起點(diǎn)迷宮格，好的搜索算法要求以更短的時(shí)間搜索到更多的迷宮格，盡量避免重復(fù)搜索已經(jīng)搜索過(guò)的地方。迷宮最短路徑算法要求根據(jù)已知的迷宮信息找出一條從入口到出口的最優(yōu)路徑，最優(yōu)路徑不僅要短而且要求彎道盡量少。常見(jiàn)的迷宮搜索算法有：1.右手法則: 以右邊為優(yōu)先的前進(jìn)方向,然后是直線方向、左邊方向。2.左手法則: 以左邊為優(yōu)先的前進(jìn)方向,然后是直線方向、右邊方向。3.中左法則: 以直線為優(yōu)先的前進(jìn)方向,然后是左邊方向、右邊方向4.中右法則: 以直線為優(yōu)先的前進(jìn)方向,然后是右邊方向、左邊方向5.亂數(shù)法則: 取隨機(jī)值作為前進(jìn)方向。6.向心法則: 遇有交叉時(shí),以指向迷宮中心的方向?yàn)閮?yōu)先的前進(jìn)方向。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)采用上述搜索法則混合的搜索策略。因?yàn)楫?dāng)電腦鼠在迷宮中遇到“孤島”時(shí)，如果采取的是單一搜索法則，則電腦鼠很容易陷入死循環(huán)。 經(jīng)典的最優(yōu)路徑算法有：1.深度優(yōu)先搜索(DFS)：從入口出發(fā)，順著某一方向向前探索，若能走通，則繼續(xù)往前走；否則沿原路退回(回溯)，換一個(gè)方向再繼續(xù)探索直至所有可能的通路都探索到為止。如果恰好某一步探索到出口，則就找到了從入口到出口的路徑。為了保證在任何位置上都能沿原路退回，防止死循環(huán)，需要使用堆棧來(lái)保存大量記錄。而要求解迷宮最短路徑，則必須用深度優(yōu)先搜索出所有到達(dá)出口的路徑，通過(guò)比較得到最短距離的路徑這樣也必然要求增加數(shù)據(jù)空間來(lái)保存搜索過(guò)程中當(dāng)前最短路徑增加了空間復(fù)雜度。2.廣度優(yōu)先搜索(BFS)：從入口出發(fā)，離開(kāi)入口后依次訪問(wèn)與當(dāng)前位置鄰接的單元格(上下左右方向)，然后分別從這些相鄰單元格出發(fā)依次訪問(wèn)它們的鄰接格，并使“先被訪問(wèn)的單元格的鄰接格先于后被訪問(wèn)的單元格的鄰接格”被訪問(wèn)，直至訪問(wèn)到迷宮出口，則找到了迷宮問(wèn)題的最優(yōu)解，即迷宮最短路徑。該算法的顯著特點(diǎn)是“層層推進(jìn)”，探索點(diǎn)會(huì)隨著探索的深入急劇增加，相應(yīng)地，需要大量的空間用來(lái)保存探索過(guò)程的記錄?？臻g復(fù)雜度大。 但是上述兩種算法都比較抽象復(fù)雜, 編程時(shí)由于牽涉到回溯、遞歸等較復(fù)雜的算法，實(shí)現(xiàn)起來(lái)容易出現(xiàn)問(wèn)題,非常容易出錯(cuò)，尤其牽涉到復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧( 深度優(yōu)先搜索) 、隊(duì)列( 廣度優(yōu)先搜索) 的操作, 調(diào)試跟蹤比較麻煩。（2） 本文的迷宮算法 本文算法思想：想象你站在一個(gè)迷宮里，迷宮格之間的隔板由不透水的材料制成。你手中有一個(gè)帶開(kāi)關(guān)的水管。當(dāng)你想找出通往迷宮出口的最短路徑時(shí)，你可以打開(kāi)水管開(kāi)關(guān)，此時(shí)水便從你所在的迷宮格向四周漫出，第一支到達(dá)出口的水流所代表的路徑便是你想找的最短路徑。 算法改進(jìn)：上述算法成立的前提條件是你已經(jīng)掌握了迷宮格的墻壁資料。當(dāng)你站在入口處還沒(méi)進(jìn)行迷宮格搜索時(shí)迷宮情況是未知的，因而不能直接用上述算法得到最短路徑，但是如果將該算法用在已經(jīng)探索過(guò)的迷宮格上，并且每當(dāng)探索到一個(gè)新的迷宮格就用該算法刷新一下地圖，同樣可以找到最短路徑。 以16*16迷宮為例，用數(shù)組CellOrder1616存儲(chǔ)迷宮格序號(hào)，迷宮格序號(hào)表示從入口到此迷宮格的距離。用數(shù)組Cellshape1616存儲(chǔ)迷宮格墻壁信息。函數(shù)LowestNeighbouringcelll(x,y)返回與（x,y）相鄰的賦過(guò)值的且沒(méi)有隔板隔開(kāi)的迷宮格序號(hào)最大的迷宮格的序號(hào)，若周圍迷宮格未被賦值則返回-1。每次刷新地圖前除了入口處迷宮格序號(hào)賦0外，其余迷宮格均賦-1。每次刷新按照從（0,0）開(kāi)始從下到上從左到右的順序遍歷每一個(gè)迷宮格，若該迷宮格未被賦值且周圍有已賦值的迷宮格則將函數(shù)LowestNeighbouringcelll(x,y)的返回值加1后賦予它。如果未能給出口迷宮格賦值則再次重復(fù)上述順序遍歷一遍直至給出口迷宮格賦值后才結(jié)束本次刷新。具體代碼如下：while(1)for(x=0;x=15;x+)for(y=0;y比較的是優(yōu)先級(jí)的大?。嚎偩€進(jìn)程 姿態(tài)糾正進(jìn)程控制進(jìn)程決策進(jìn)程，以及四個(gè)中斷（比較的是中斷優(yōu)先級(jí)的大?。簾o(wú)線ISR傳感器ISR左電機(jī)ISR右電機(jī)ISR。系統(tǒng)的總體關(guān)聯(lián)圖如圖十一所示。 圖十一 系統(tǒng)的總體關(guān)聯(lián)圖全局變量中的Permit1和Permit2的作用是控制是否允許姿態(tài)糾正進(jìn)程進(jìn)行姿態(tài)糾正。具體當(dāng)Permit1與Permit2都等于1時(shí)允許糾正，否則為不允許。當(dāng)左電機(jī)執(zhí)行非直走任務(wù)時(shí)Permit1被賦0，當(dāng)發(fā)現(xiàn)斜左或斜右遠(yuǎn)距離無(wú)墻時(shí)Permit2被賦0。圖中消息隊(duì)列的作用是接收各進(jìn)程發(fā)來(lái)的報(bào)文，報(bào)文的格式如圖十二所示。目的進(jìn)程源進(jìn)程控制數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容 圖十二 報(bào)文格式報(bào)文中“控制/數(shù)據(jù)”部分表達(dá)了該條消息是作為控制信息還是作為數(shù)據(jù)信息。從系統(tǒng)的總體關(guān)聯(lián)圖可以看出每個(gè)進(jìn)程配有一個(gè)控制郵箱和一個(gè)數(shù)據(jù)郵箱，控制郵箱接收總線進(jìn)程發(fā)來(lái)的控制信息，數(shù)據(jù)郵箱接收總線進(jìn)程發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。 總線進(jìn)程負(fù)責(zé)接收消息郵箱中的報(bào)文，根據(jù)報(bào)頭中的信息，將報(bào)文分發(fā)到正確的郵箱中。 傳感器中斷負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)五對(duì)傳感器工作，并刷新全局變量CurEye. 無(wú)線進(jìn)程負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送與接收?qǐng)?bào)文。決策進(jìn)程負(fù)責(zé)從宏觀上完成搜索迷宮、返回起點(diǎn)、沖刺三個(gè)任務(wù)。28頁(yè)圖十三為決策進(jìn)程流程圖。紅色箭頭表示信號(hào)流，藍(lán)色箭頭表示控制流。平行四邊形表示全局變量，云朵表示其它進(jìn)程。控制進(jìn)程負(fù)責(zé)利用全局變量CellShape,CurDir,CurPosition得到下一步的操作（直走，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后轉(zhuǎn)），并將該操作交給左、右電機(jī)中斷完成。29頁(yè)圖十四為控制進(jìn)程流程圖。 姿態(tài)糾正進(jìn)程負(fù)責(zé)根據(jù)左、右傳感器信號(hào)的差值由PID函數(shù)給出糾正量，具體PID函數(shù)的實(shí)現(xiàn)前文已有介紹。30頁(yè)圖十五為姿態(tài)糾正流程圖。左電機(jī)中斷與右電機(jī)中斷共同負(fù)責(zé)根據(jù)控制進(jìn)程下達(dá)的操作（直走，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后轉(zhuǎn)）控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。左電機(jī)機(jī)中斷還負(fù)責(zé)刷新電腦鼠的狀態(tài)和迷宮格形狀等全局變量。圖十六為直走任務(wù)左電機(jī)流程圖。 直走任務(wù)右電機(jī)流程圖與直走任務(wù)左電機(jī)流程圖類似，只是少了對(duì)CurDir,CurPosition,CellShaped的刷新。圖十七為右轉(zhuǎn)任務(wù)左電機(jī)流程圖。圖十八為右轉(zhuǎn)任務(wù)右電機(jī)流程圖。 圖十九為后轉(zhuǎn)任務(wù)左電機(jī)流程圖。 后轉(zhuǎn)任務(wù)右電機(jī)流程圖與后轉(zhuǎn)任務(wù)左電機(jī)流程圖類似，只是少了對(duì)CurDir,CurPosition,CellShaped的刷新。 圖十三 決策進(jìn)程流程圖 圖十四 控制進(jìn)程流程圖。 圖十五 姿態(tài)糾正進(jìn)程流程圖 圖十六 直走任務(wù)左電機(jī)流程圖 圖十七 右轉(zhuǎn)任務(wù)左電機(jī)流程圖 圖十八 右轉(zhuǎn)任務(wù)右電機(jī)流程圖 圖十九 后轉(zhuǎn)任務(wù)左電機(jī)流程圖（二）軟件調(diào)試寫程序不是一蹴而就的，它需要反反復(fù)復(fù)的調(diào)試與修改才能最終完成。調(diào)試的難度不亞于編寫或架構(gòu)。電腦鼠程序同樣也需要調(diào)試。電腦鼠本身的狀態(tài)如果在其自身所帶的數(shù)碼管上顯示有兩個(gè)弊端。第一，由于電腦鼠本身是不停運(yùn)行的，數(shù)碼管上的信息不便于觀察；第二，數(shù)碼管顯示信息數(shù)量有限。為了克服上述弊端，在電腦鼠的擴(kuò)展IO口接上一個(gè)無(wú)線收發(fā)模塊。使用一塊微控制器開(kāi)發(fā)板LM3S1138作為上位機(jī)，上位機(jī)也配有一塊無(wú)線收發(fā)模塊來(lái)與電腦鼠通信，另外主機(jī)還配有一個(gè)彩屏和一個(gè)PS2鍵盤并移植mini-gui作為人機(jī)交互接口，方便顯示電腦鼠傳來(lái)的信息和向老鼠發(fā)送調(diào)試命令，截圖如圖二十所示，可知當(dāng)前電腦鼠CPU使用率為2%，當(dāng)前芯片溫度為40.0，任務(wù)切換數(shù)為42次每秒，運(yùn)行時(shí)間為101秒，鋰電池電壓為7.5V，設(shè)定的當(dāng)前加速度為1400步每秒，最快速度為110步每秒，還可知當(dāng)前方遠(yuǎn)處和左方遠(yuǎn)處有墻。 圖二十 遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試6、 總結(jié) 本文介紹的電腦鼠軟硬件設(shè)計(jì)方案已經(jīng)過(guò)大賽的考驗(yàn),取得了可喜的成績(jī)。實(shí)踐證明,使用本文的迷宮算法搜索IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮,能夠準(zhǔn)確快速的找到最短路徑,使得電腦鼠能夠以較短的時(shí)間沖刺到終點(diǎn)。但若想進(jìn)一步提高電腦鼠比賽成績(jī)，僅僅靠電路和算法的改進(jìn)還不夠，還需要提升電腦鼠機(jī)械性能，比如選擇性能更好的電機(jī)，使用抓地力更強(qiáng)的輪胎，改進(jìn)底盤以降低重心等，不過(guò)限于目前條件有限，無(wú)法對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行大的改進(jìn)故決定以后再做研究。7、 致謝 本論文的工作是在楊濟(jì)民教授的悉心指導(dǎo)下完成的，楊老師不僅為我校申請(qǐng)到參加比賽的機(jī)會(huì)而且悉心指導(dǎo)我越過(guò)一個(gè)個(gè)的技術(shù)難關(guān)，對(duì)我的論文都提