电脑鼠

　　所谓"电脑鼠" ,英文名叫做 Micromouse,是一种具有人工智能的轮式机器人,是由嵌 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。“电脑鼠走迷宫”的竞赛今年在国际和国内上都很流行，依照新制的比赛规则，当电脑鼠放入起点，按下启动键之后，它就必须自行决定搜寻法则并且在迷宫中前进、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。

　　一只电脑鼠是具有机电知识整合的基本架构, 要在指定的迷宫中比赛, 在迷宫中探索以 找出通往终点的路径,并随时掌握自身的位置信息,准确获取墙壁信息并做记录,最终依靠 记忆找出走出迷宫的最佳路径,以最短的时间解开迷宫,赢得比赛.一只优秀的电脑鼠必须 具备良好的感知能力,有良好行走能力,优秀的智能算法和强健体魄.一只完整的电脑鼠可 大体分为以下五个部分:

　　1. 传感器

　　传感器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.电脑鼠不但要求测距传感器能够准确测量,对测量速度也有较高要求,而且必须 能够抗干扰.此外加速度计和角度传感器等也越来越多的在电脑鼠上使用.

　　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.优秀的电机配上合适的减速和 速度反馈装置使电脑鼠控制精度更高,更加灵敏.

　　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. 由于需要实时控制以保证 电脑鼠的速度和灵敏度就必须要求处理器有足够快的中断处理能力和运算能力, 另外还需要 有足够的数据和代码存储空间.

　　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.在 IEEE 竞赛标准中就有规定电脑鼠长宽.事实上,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势. 另外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需要 我们从机械上面有更多创新.

　　5. 算法

　　算法是电脑鼠的灵魂. 电脑鼠必须采用一定的算法才能找到终点, 才能找到一条最短的 路径,在最短的时间内到达终点.算法的效率决定了解迷宫的效率.优良的电机控制算法能 让电脑鼠走得更快更平稳,降低微处理器负荷.

　　在国际赛事和一些其他赛事中广泛的采用 IEEE 电脑鼠竞赛规则.2006 IEEE 电脑鼠比 赛规则规定电脑鼠允许在迷宫中运行的最大时间是 15 分钟. 在这 15 分钟时间内电脑鼠可以 运行任意多次.比赛成绩由运行时间,迷宫时间与碰触奖励时间组成.运行时间指电脑鼠从 起点到终点的时间. 迷宫时间从电脑鼠第一次被激活开始计. 碰触指电脑鼠在运行期间由操 作者手动干预,若有碰触则减去 10 秒的碰触奖励时间,否则不减.

　　为了满足具体需求, 目前在许多国家都有专门针对在校学生和刚参与这项比赛新手的电 脑鼠走迷宫竞赛,大体都是在 IEEE 标准竞赛规则上做一些修改以降低难度,考核的是标准 电脑鼠的一个或几个性能,如速度,加速度和转弯速度和精度等.

　　英国 The Schools Micromouse competition 中使用 Line following 电脑鼠竞赛,降低比赛 难度,以适合在校学生参与.Line following 电脑鼠竞赛有多种形式,其中一种简单的形式 是设计一只简单的电脑鼠从起点以最快的速度沿着白色直线跑向终点, 进入刹车去后开始刹 车,最后听在停车区,这个比赛考察的是电脑鼠的传感器精度,速 度和加速度.

　　wall follower 电脑鼠竞赛是另一类电脑鼠竞赛.它同样使用全迷宫,但在这样的迷宫中 顺着左手边的墙一定有通路到达迷宫中央的终点. 这就允许没有解迷宫能力的简单电脑鼠可 以顺着墙走到终点,大大降低了参加比赛的门槛.wall follower 电脑鼠竞赛又可分为两类: 一是接触墙,靠着墙走,另一种是不接触墙,沿着墙走.这个比赛降低了解迷宫算法难度.

　　Time trial 电脑鼠竞赛也采用标准全迷宫,不过只使用最外面的 60 个迷宫格,wall followers 电脑鼠和解迷宫电脑鼠都可以参加. 比赛的目的是测试电脑鼠的速度, 加速度和在 确定轨道下的直线和转弯控制精度.

　　在电脑鼠走迷宫竞赛中国既可以采用 IEEE 标准规则于国际接轨,又可以简化以适合具 体需求.

　　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.此外,它还是一 个很好的教学工具. 电脑鼠可看作是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 鼠是一个多学科的综合体,与多各学科关系精密:

　　(1) 机械工程:首先电脑鼠必须是个实实在在的机器人,而对于在迷宫中高速穿梭 的电脑鼠, 身材的好坏极其重要.大多数使用步进电机的电脑鼠可以直接将 车轮安装在电机轴上,而使用直流电机驱动的电脑鼠往往许多添加减速和传动 装置,如何既使轮子安装稳定不颤动,保证高传动效率,又使车体轻巧美观是 机械设计时需要解决的问题.

　　(2) 电子工程:电脑鼠是一个嵌入式系统,需要广泛的涉及信号处理,通信,微处 理器应用和电机控制等.

　　(3) 自动控制:控制电脑鼠在迷宫中快速而准确的行走属于自动控制技术范畴.测 距传感器获取距离信息并将其反馈给微处理器,微处理器对距离值分析处理获 得墙壁信息并根据墙壁信息控制电机动作以带动轮子产生相应的动作,这整个 构成一个大自动控制系统. 而在这个大系统内还可以包含其他的自动控制系统.

　　(4) 人工智能:电脑鼠走迷宫竞赛的整个过程可大体分为两个部分:一,搜索迷宫, 从起点出发,找到终点并找出一条最短路径;二,冲刺,从起点开始,在最短 时间内到达终点.搜索迷宫过程是电脑鼠学习过程.冲刺过程前需要在所有走 过的通路中依据自己的原则选择一条路径作为最短路径,这是一个决策过程.

　　(5) 程序设计:电脑鼠程序具有嵌入式软件的一般特征并有更高要求.电脑鼠程序 必须高效率和高实时性才能保证电脑鼠的控制精和灵敏度.

　　(6) 传感与测试技术:电脑鼠需要有众多信息的反馈,如墙壁信息等.需要用到许 多传感器,如测试墙壁信息红外传感器测量距离,使用霍尔传感器测试车轮转 速以控制转速和测量路程等.电脑鼠是一个精密控制体,足够的控制精度才能 保证在高速行走的时候不撞墙和迷失自我.不但要求能够准确测量,还必须有 足够快的响应速度.

　　电脑鼠具有精确的定位能力, 快速的行走能力和优秀的避障能力等特点. 对电脑鼠进行 升级后可以应用在许多场合. 电脑鼠技术可以应用在工业机器人和特种机器人设计中, 并可 以将电脑鼠技术说涉及的各学科知识分别应用在各相关领域.

　　电脑鼠结合了多学科知识,对于提升在校学生的动手能力,团队协作能力和创新能力, 促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助. 另外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.竞赛 的开展必然提升参赛者在相关领域的技术水平和应用能力, 为技术创新提供平台. 可以培养 大批相关领域的人才,进而促进相关领域的技术发展和产业化进程.通过举办竞赛可以向社 会大众展示我国相关领域的技术发展现状. 另外积极地参加国际电脑鼠比赛能够促进与其他 国家的技术交流,增进国际友谊,提升我国在机器人领域的国际地位.

　　一,了解电脑鼠走迷宫竞赛的规则

　　了解竞赛规则是很必要的, 只有清楚的了解了竞赛规则才能更好的理解题目 要求,才知道需要在哪些方面努力.

　　二,熟悉电脑鼠程序开发环境

　　ARM 作为嵌入式微处理器,其有特定的开发环境,linux 操作系统非常适合 ARM 嵌入式开发,我们必须要熟悉 Linux 的一些基本操作,及其程序开发环境, 当然最重要的是熟悉 LM3S615 的集成开发环境 IAR EWARM 及 LM LINK 的使用. 必须掌握安装 IAR EWARM 集成开发环境的方法已经 LM LINK 编译器的使用, 能够建立工程文件以及编译运行程序.

　　三,掌握电脑鼠所搭载硬件的基本操作

　　要想我们的电脑鼠能够按照要求去工作,就必须掌握控制它的基本 方法.这些任务包括:

　　1.电脑鼠 7289 EX BOARD 实验.

　　2,电脑鼠红外传感器测距实验.

　　3,电脑鼠步进电机控制实验.

　　4,电脑鼠电池电压检测实验.

　　5,步进电机匀加减速实验.

　　四,电脑鼠巡航控制

　　本阶段学习的主要内容是通过编程可以使电脑鼠完成各种巡航动作,使 电脑鼠在无感觉的情况下巡航.这一阶段主要学习如下任务:

　　1 ,编程使电脑鼠做一些基本的巡航动作:向前,向后,左转,右转和原地 旋转.

　　2 ,调节任务 1 的运动,使动作更加精确.

　　3 ,计算使电脑鼠运动指定距离需要发给电脑鼠伺服电机的脉冲数量.

　　4 ,编写程序使电脑鼠由突然启动或停止变为逐步加速或减速运动.

　　5 ,写一些执行基本巡航动作的子程序,每一个子程序都能够被多次调用.

　　6 ,将复杂巡航运动记录在电脑鼠内存模块内没有被程序占用的内存中,编 写程序重现这些巡航运动.

　　五,电脑鼠的红外导航 在竞赛过程中电脑鼠完全依靠红外传感器探测到的信息进行计算和决 策,使用红外线发射和接收器件探测道路,因此必须要学会电脑鼠的红外 导航原理及控制方法.本阶段学习任务如下:

　　1,物体检测和红外干涉的实地测试.

　　2,红外检测距离调整 .

　　3,探测和避开障碍物.

　　4,机器人迷路时的人工智能决策.

　　5,根据障碍距离选择最佳的动作和避让方法.

　　六,迷宫实验

　　经过前面的学习我相信我这使已经基本掌握了电脑鼠的所有控制方法, 那么本阶段开始就可以进行迷宫实验了.在真正的迷宫实验中将以前所学习 的知识串连融合起来,使电脑鼠拥有正真的人工智能.在本阶段同样需要一 些策略性的学习:

　　1,在迷宫中含姿势修正的走直线实验.

　　2,步进电机匀加减速控制,以及在迷宫中的前后移动,左右转弯实验.确定出 最佳参数.

　　3,有记忆功能的走迷宫实验..使电脑鼠能够在迷宫中不迷路,找出最佳路径.

　　4,使电脑鼠在迷宫过程中能够显示运行状态,方便人机交互和参数设定.

　　七,迷宫算法优化 本阶段是竞赛的冲刺阶段了,本阶段主要的任务是进行迷宫算法设计, 找出最优解, 使电脑鼠在迷宫任务中拥有正确的决策能力, 以及优美的动作转换. 在迷宫任务中脱颖而出.