电脑鼠的原理分析及算法研究

电脑鼠的原理分析及算法研究

摘要：本文阐述了电脑鼠的定义和意义，并对电脑鼠的工作原理及硬件、软件设备进行一定的分析，研究了一些传统和经典的算法。

关键词：电脑鼠，模块，算法，蚂蚁算法

Analysis of the Principle and Study of Algorithm of

MicroMouse

Wang Huinan 04010515

(Southeast University, Nanjing, 211189)

Abstract:This paper describes the definition and significance of MicroMouse. And analyzing the work principle of MicroMouse’s hardware and software equipment. Studying a number of traditional and classical algorithms.

Key words: MicroMouse; Module; Algorithms; Ant algorithm

本学期，我选修了机电一体化——电脑鼠。通过学习和查找资料，我对电脑鼠的运行原理有了一定的了解，并产生了一些新的想法。

1电脑鼠的基本知识

1.1电脑鼠的定义

所谓“电脑鼠”，英文名叫做MicroMouse，是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。

实际上电脑鼠就是一个电力驱动小车，而这个电动小车是由一个或多个为控制器来控制，通过传感器和其他各功能器件的配合，具备一定的智能。同时，电脑鼠拥有探测障碍物、行走、转弯、加减速好制动等基本功能。

1.2电脑鼠的意义

电脑鼠可谓是一种具有人工智能的小型机器人，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与发明更加复杂的机械。

2电脑鼠的整体设计方案

如图所示。整个系统可以初步分为以下主要部分：电源模块，控制模块，执行机构模块，传感器模块，机身模块。可以形象地认为，电源模块是电脑鼠的“动力源泉”，控制模块是电脑鼠的“大脑”，传感器模块是电脑鼠的“眼睛”，机身模块是电脑鼠的“躯干”，执行机构是电脑鼠的“脚”，几个模块之间要相互配合才能使这个电脑鼠最终“逃离”迷宫。

3电脑鼠的硬件原理

3.1电脑鼠的硬件设计原理

本文研究的电脑鼠是一个跨学科的综合作品，主要由电源、传感器、步进电机、控制核心电路、机身5个部分组成，如图1所示。所以，电脑鼠的硬件设计主要包括电源模块、

微控制器单元模块、传感器模块、电机控制模块4个部分的设计。其中LM3S615微控制器是电脑鼠的核心，通过检测到的传感器信号，结合载入的搜索算法，控制步进电机，实现电脑鼠在迷宫中的行走。

3.2电源模块

MicroMouse615 采取外接锂电池供电，并为整个系统提供三种不同的电压，分别用来驱动电机、给传感器供电和给微控制器供电。

MicroMouse615 装有两个永磁式步进电机，系统中直接把电池的输出电压连接到电机的驱动芯片上。

LM3S615 微控制器需要3.3V 供电，电路如图，外接电源经过C36、C2 滤波，然后通过SPX1117M-3.3 将电源稳压至 3.3V。SPX1117M-3.3 是Exar 公司生产的LDO 芯片，其特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。其输入电压范围为4.7V 到12V，输出电流可达800mA。在其输出端的C3、C4 用来改善瞬态响应和稳定性。

MicroMouse615 使用的红外传感器的工作电压为5V，在一般情况下可以把电池的输出电压经过LDO 稳到5V。但若电池电压较低或瞬间被拉低时，系统就不能为传感器提供稳定的电源，这将严重影响传感器的灵敏度。所以原电路把系统中已经较为稳定的3.3V 电压升到5V。

3.3微控制器单元模块

本文采用美国Luminary Micro公司生产的CorteX-M3内核的ARM处理器LM3S615，该芯片具有32位RISC性能，具备32 KB单周期FLASH，8 KB单周期SRAM，29个中断，带8个优先级。微控制器模块和其他模块共同构成一个闭环的反馈控制系统，通过对路程信号、岔口信号和姿势修正信号的检测，经由LM3S615进行运算，再将结果赋给电机执行，由此实现电脑鼠的智能穿越迷宫。

3.4传感器原理

MicroMouse615 使用一体化红外接收头IRM8601S，它内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路。

当连续收到38KHz 的红外线信号时，将产生脉宽10ms 左右的低电平，有效电平维持时间TWL 的范围为400μs

3.5电机原理

电机控制模块主要负责控制电脑鼠的运动，包括电机和电机驱动电路两部分。电机为两个两相四线制步进电机，工作电压为7.4 V。电机驱动芯片采用BA6845FS，每个芯片包含2个H桥，它的最大驱动电流为1 A，且在输入逻辑的控制下输出有3种模式：正向、反向和停止。

一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，

其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持互相垂直，从