电脑鼠实验报告.

《视觉机器人》

实验报告

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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 (5)

3.1电脑鼠基本硬件组成 (5)

3.2电脑鼠基本动作 (9)

第4章软件设计 (9)

4.1电脑鼠软件设计概要说明 (9)

4.2等高图制作模块 (11)

4.3冲刺模块 (12)

4.4转弯模块 (12)

4.5搜索模块 (13)

4.6迷宫地图相对方向与绝对方向的建立 (13)

4.7墙壁资料存储 (15)

4.8电脑鼠搜索策略 (16)

参考文献 (17)

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、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3-1所示

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。

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 20KHz~100KHz 。

图3-2 红外传感器

图3-3 四相步进电机

3.微处理器

微处理器是电脑鼠的核心部分，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

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

图4-1 软件主要模块图