电脑鼠设计与制作文档

电脑鼠的设计与制作

0．序言

0.1电脑鼠

电脑鼠是机电一体化装置，是使用微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置，是一种具有人工智能的小型机器人。电脑鼠可以在不同“迷宫”中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地达到所设定的目的地。集成了计算机、电子和机械、电机、自动化和传感器等技术，是真正具有独创性的东西，其制作为学生提供了创意、制作、实现和展示的机会。

必要的知识（可以百度）：

（1）电子部分

•电路设计

•微处理器

•传感器

（2）机械结构

（3）算法设计

0.2电脑鼠的设计目标

本项目要实现的是用电脑鼠找出迷宫中通往终点的最短路径并以最快速度到达迷宫的终点。

电脑鼠从迷宫起点位置前进，由程序判断通过前视距离探测器探测到的迷宫状况，控制驱动机构前进或转向并记录路径和距离（控制车轮编码器可完成），由于起点位置和终点位置是已知的，虽然不知道具体路径，但通过编写算法程序即可找到最短路径，在重新开始时便可以最快速度从最短路径到达终点。

设计的电脑鼠应该具有三种最基本的能力：

•拥有稳定、准确、快速的行走能力

•能争取判断环境的能力（如有墙、有路）

记忆路径的能力

图1 8*8迷宫布局图

总之，电脑鼠的设计目标是：在最短的时间内找到一条通往总店的最短路径，并以最快速度从起点到达终点。如何衡量：

迷宫时间（搜索时间）：电脑鼠激活到每次运行开始的时间；

注：搜索结束，从终点返回到起点的时间不算在迷宫时间内；

运行时间：电脑鼠从起点走到终点的时间；

如果电脑鼠在比赛时需要手动辅助，这个动作就成为“碰触”。若“碰触”了，则需要失去10秒的奖励时间。

比赛使用者三个参数，从速度、求解迷宫的效率和电脑鼠的可靠性三个方面来进行评分。

成绩=迷宫时间/30+运行时间-奖励时间（非碰触）

例子：一个电脑鼠在迷宫中的搜索时间为4分钟，没有碰触过，运行时间使用了20秒，这次运行的排障时间就是：

20+（240×1／30）-10=18秒

1.电脑鼠的构成

电脑鼠是指由车身、轮子、和相关软件构成。车体是电脑鼠最基本的架构，它的设计在电脑鼠的整体规划中战友想到重要的地位，应当遵守整体结构坚固耐用、材质轻、重心低的原则。在设计中，既要考虑到符合各零件的规格，又要考虑到配合迷宫的规格。

车体内是由微控制器、前视距离探测器、车轮编码器和驱动机构等组成的一个综合的系统；其中微控制器加上程序就相当于脑袋，前视距离探测器相当于眼睛，驱动机构（车轮编码器）相当于腿。

电脑鼠主要包括三部分：机械部分（执行机构）、电子控制装置、软件。

图2 电脑鼠总体结构

2.材料准备

2.1 机械部分

2.1.1承载底盘的选择

为了减轻重量，尽可能的减少惯性对电脑鼠行走的影响，可以直接采用电路板作为电脑鼠底盘。以电路板作为基板，可同时将机械部件和电子部件装接于上面，简化电脑鼠硬件结构，减轻电脑鼠重量。

由于条件所限，实际制作时采用万用板做搭载底盘。理论上来说，电脑鼠车体应越小越好，但是实际制作时机械部件不容易做得很小，因此车体的大小选择只要合适即可。参照IEEE电脑鼠走迷宫竞赛的规则，迷宫格大小为

18*18cm，选取底盘大小为迷宫格一半8*8cm左右。底盘是搭载机械与电子部件的基板，需要有一定的机械强度，不能选用通常使用的机械强度不高的纸基万用板，实际制作时采用9*15cm的玻纤万用板加工成8*8cm大小作为电脑鼠的搭载底盘。如图1所示，是选用的9*15cm玻纤万用板实物图。

2.1.2电机的选择

可根据实际需要选择直流电机、带减速的直流电机、步进电机、伺服电机等。不同的电机，其控制是不同的，本次选择伺服电机。

电脑鼠在探索迷宫的过程中需要知道当前所处的位置，记忆每一个迷宫格的通行状况以及根据当前所处的位置来进行路径选择。由IEEE电脑鼠走迷宫竞赛规则可知每一个迷宫格大小是相同的，因此可以通过计算电脑鼠走的距离与方向来确定相对于起点的迷宫格位置。基于计算距离的考虑，在选择电脑的驱动电机时不能选用普通的直流电机，可选的电机有步进电机、伺服电机等都可以控制行走距离。相对来说，步进电机的速度没有伺服电机快，并且容易出现失步现象影响电脑鼠对位移距离的计算。因此在实际制作时，选用带光电码盘的伺服电机作为电脑鼠的驱动。通过光电码盘输出脉冲的反馈，不仅可以计算电脑鼠行走距离，实现对位置坐标的确定，加上PWM调速和PID控制还可以对电脑鼠进行复杂的运动控制让电脑鼠完成复杂的动作。如图3所示，是实际制作时选用的334线AB相伺服电机实物图。

图3 334线AB相伺服电机实物图

2.1.3移动机构（轮子）的选择

电脑鼠行走轮子分为驱动轮和辅助轮两类，驱动轮直接由驱动电机动力带动，驱动轮转动通过与地面的摩擦力使得轴心相对于地面产生位移，从而带动整个底盘的运动。要求驱动轮与地面要有一定的静摩擦力，尽量采用与地面静摩擦系数大的驱动轮，减小打滑对电脑鼠位移计算的影响。为了使设计的电脑鼠具有更好的机械灵活性，基于降低重心的考虑，驱动轮的直径大小不能太

大，使得难于降低底盘和地面的高度，造成重心过高。实际制作时选用成本较为低廉的直径30mm的塑料轮外套橡胶圈作为电脑鼠驱动轮。如图4所示，是选用的电脑鼠驱动轮实物图。

图4 驱动轮实物图

整个车体仅由两个驱动轮驱动，通过两个驱动轮的差速比来转弯，调整电脑鼠行走方向。为了使电脑鼠可以很灵活原地转弯，驱动轮在底盘上的安装位置应靠近中间，将转弯轴心设计在车体中心。很明显只通过两个驱动轮来支撑电脑鼠搭载底盘，是不能让电脑鼠站稳的。因此需要在底盘前后位置增加两个辅助万向轮，使车体保持平稳。如图5所示，是选用的辅助轮实物图，图6为行走轮安装图。

图5 辅助轮实物图

图6 行走轮安装图驱动轮

辅助轮

底盘