【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電腦鼠快速而精確的行走。電腦鼠中常用的是步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制容易，但直流電機(jī)使電腦鼠控制更加靈敏。Micromouse615上有兩個(gè)兩相四線制的步進(jìn)電機(jī)，左電機(jī)和右電機(jī)用來(lái)控制電腦鼠前進(jìn)，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，停止。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。四相步進(jìn)電機(jī)如圖33所示圖33 四相步進(jìn)電機(jī)微處理器是電腦鼠的核心部分，是電腦鼠的大腦。幾乎所有的信息，包括墻壁信息，位置信息，角度信息和電機(jī)狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過(guò)微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。所有的數(shù)據(jù)分析，算法實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行指令的發(fā)出等都需要由微處理器來(lái)完成。Micromouse615的微控制器是由Luminary 公司生產(chǎn)的CotexM3內(nèi)核的ARM處理器——LM3S615，該芯片具有32位RISC性能，帶有8KB單周期Flash，2KB單周期SARM，2個(gè)定時(shí)器(每一個(gè)都可配置為一個(gè)32位定時(shí)器或兩個(gè)16位定時(shí)器，以及高達(dá)18個(gè)GPIO口。電腦鼠要能夠在迷宮里面靈活穿梭，必須有一副好身板，有適合在迷宮中快速運(yùn)行的身體結(jié)構(gòu)。首先他必須結(jié)實(shí)，擁有兩只東倒西歪的輪子的電腦鼠是很難不在迷宮中碰壁的，其次身材嬌小的電腦鼠在迷宮里是會(huì)更靈活的，它有更大的空間用于完成轉(zhuǎn)彎，有更大的空間用于糾正姿，最后體重太大和沒(méi)有平衡感的老鼠也是不適宜迷宮競(jìng)賽的?；谌绱硕嗟目紤]，一只學(xué)富五車而又嬌小玲瓏的電腦鼠要求我們從機(jī)械上面有更多創(chuàng)新。電腦鼠的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖34所示，左邊是車身電路板，右邊是電腦鼠行走的兩個(gè)車輪及控制車輪的電機(jī)。圖34 電腦鼠的機(jī)械結(jié)構(gòu)電腦鼠基本動(dòng)作包括路口檢測(cè)，行走控制和轉(zhuǎn)彎。路口檢測(cè)：由安裝在前、右、左的三個(gè)紅外線發(fā)射對(duì)管和接收部件實(shí)現(xiàn)，利用時(shí)鐘中斷來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外測(cè)距功能，探測(cè)前、右、左有無(wú)障礙。行走控制：由左、右45176。角的兩個(gè)紅外線發(fā)射對(duì)管和接收部件實(shí)現(xiàn)，利用時(shí)鐘中斷來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)近紅外測(cè)距功能，保持電腦鼠在中軸線上行走，避免撞墻。轉(zhuǎn)彎：由于電機(jī)采用的是步進(jìn)電機(jī)，只要對(duì)一個(gè)電機(jī)的步數(shù)進(jìn)行設(shè)定，電機(jī)采用PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，另外一個(gè)電機(jī)停止或者反轉(zhuǎn)同樣的步數(shù)，當(dāng)然這個(gè)步數(shù)要自己實(shí)際測(cè)量。電腦鼠的軟件主要可以分為等高圖制作模塊、沖刺模塊、轉(zhuǎn)彎模塊、搜索模塊、相對(duì)方向與絕對(duì)方向轉(zhuǎn)變模塊、墻壁資料存儲(chǔ)模塊和電腦鼠搜索策略模塊這七個(gè)模塊。如圖35所示。圖35 軟件主要模塊圖電腦鼠軟件主要模塊等高圖制作模塊沖刺模塊轉(zhuǎn)彎模塊搜索模塊相對(duì)方向與絕對(duì)方向轉(zhuǎn)變模塊墻壁資料存儲(chǔ)模塊電腦鼠搜索策略模塊下面介紹一下電腦鼠運(yùn)行中必須要知道的一些參數(shù)，及其在程序運(yùn)行過(guò)程中的用途。電腦鼠在運(yùn)行中可以劃分為四個(gè)狀態(tài)：等待，啟動(dòng)，搜索迷宮和沖刺狀態(tài)。在該狀態(tài)中，電腦鼠靜止在起點(diǎn)，等待開始命令。同時(shí)實(shí)時(shí)顯示傳感器檢測(cè)結(jié)果和電池電壓，這樣方便調(diào)試傳感器的靈敏度和更換電池。當(dāng)控制啟動(dòng)的按鍵按下后，電腦鼠進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。在該狀態(tài)中，電腦鼠根據(jù)第一次轉(zhuǎn)彎的方向判斷起點(diǎn)是在坐標(biāo)的（0，0）點(diǎn)還是在（15，0）點(diǎn)。其程序流程圖見圖36所示：圖36判斷起點(diǎn)坐標(biāo)程序流程圖3. 搜索迷宮狀態(tài) 在該狀態(tài)中，電腦鼠的任務(wù)就是搜索并記憶迷宮地圖，以采用右手搜索法則為例搜索全迷宮，其流程圖如圖37所示。圖37 迷宮搜索流程圖迷宮搜索完畢后，根據(jù)算法找出一條最優(yōu)路徑?jīng)_刺到終點(diǎn)，沖刺結(jié)束后返回到起點(diǎn)。等高圖就是等高線地圖的簡(jiǎn)稱，有如一般地圖可以標(biāo)出同一高度的地區(qū)范圍，或有如氣象報(bào)告時(shí)的等氣壓的范圍和大小。那么等高圖運(yùn)用在迷宮地圖上，可以標(biāo)出每個(gè)迷宮格到起點(diǎn)相等步數(shù)的關(guān)系，許多封閉路徑的逃脫與沖刺的關(guān)卡都可以在制作出等高圖后迎刃而解，使電腦鼠更容易逃脫，少走一些彎路。首先開辟一塊16*16的二維數(shù)組空間(MapStep[16][16])，其中每一個(gè)元素代表迷宮的一個(gè)方格，用以計(jì)算后儲(chǔ)存各方格至起點(diǎn)的最短路徑步數(shù)（所謂步數(shù)即為路徑中經(jīng)過(guò)的方格數(shù)）。當(dāng)起點(diǎn)坐標(biāo)處標(biāo)識(shí)為1時(shí)，可以直接達(dá)到的相鄰方格均為2，再遠(yuǎn)的方格的等高值依次遞增，這樣距離越遠(yuǎn)的地方等高值越大。具體的實(shí)現(xiàn)方法可以參照電腦鼠研究性課題的****研究性論文。沖刺函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是建立在等高圖已經(jīng)建立好的基礎(chǔ)上的。當(dāng)電腦鼠要進(jìn)行沖刺的時(shí)候，調(diào)用沖刺函數(shù)時(shí)，首先會(huì)調(diào)用等高圖制作函數(shù)將等高圖制作好。然后該函數(shù)通過(guò)等高圖和墻壁信息來(lái)進(jìn)行電腦鼠的行進(jìn)控制。當(dāng)然，我們認(rèn)為電腦鼠在走直道的時(shí)候應(yīng)該會(huì)比走彎道的時(shí)候，來(lái)的更快一點(diǎn)，所以我們沒(méi)有進(jìn)行特殊的加權(quán)，直接是走直道的。電腦鼠從起點(diǎn)開始，一直利用等高圖信息和墻壁信息進(jìn)行一格一格的對(duì)比，只有當(dāng)這一格在電腦鼠絕對(duì)方向上時(shí)，這一格才算記錄到進(jìn)行直道沖刺，同時(shí)直道格數(shù)加一。當(dāng)遇到電腦鼠要轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，已經(jīng)將要走的步數(shù)記錄下來(lái)了，接下來(lái)直接調(diào)用行進(jìn)函數(shù)，控制電腦鼠走完記錄好的步數(shù)后，即走到電腦鼠要轉(zhuǎn)彎的地方后，再進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，然后接著繼續(xù)進(jìn)行上一步的動(dòng)作。具體的實(shí)現(xiàn)方法可以參照電腦鼠研究性課題的****研究性論文。轉(zhuǎn)彎也是電腦鼠運(yùn)行時(shí)必不可少一部分，同時(shí)轉(zhuǎn)彎也分為靜止轉(zhuǎn)彎和行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎。靜止轉(zhuǎn)彎要求電腦鼠首先要停止，主要用在電腦鼠進(jìn)行搜索中，這時(shí)要求電腦鼠要絕對(duì)的穩(wěn)定，所以采用靜止轉(zhuǎn)彎比較好。行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎的特點(diǎn)是消除了靜止轉(zhuǎn)彎的要求電腦鼠停止的弊端，可以節(jié)省一些時(shí)間，主要用在電腦鼠進(jìn)行沖刺時(shí)，這時(shí)要求電腦鼠要以竟可能短的時(shí)間從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)，所以行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎可以節(jié)省不少的時(shí)間。靜止轉(zhuǎn)彎時(shí)，對(duì)兩個(gè)電機(jī)設(shè)置走相同的步數(shù)，如當(dāng)要轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)90176。時(shí)，設(shè)置左電機(jī)向后走40步，右電機(jī)向前走40步。通過(guò)兩個(gè)電機(jī)走的方位不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)靜止轉(zhuǎn)彎，但靜止轉(zhuǎn)彎的缺點(diǎn)就是，在轉(zhuǎn)彎前首先要讓電機(jī)停止，然后再對(duì)電機(jī)的要走的步數(shù)進(jìn)行賦值，這樣會(huì)浪費(fèi)一點(diǎn)時(shí)間。行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎時(shí)，讓一個(gè)輪子停止，一個(gè)輪子進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如當(dāng)要左轉(zhuǎn)90176。時(shí)，設(shè)置左電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，右電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)80步。與靜止轉(zhuǎn)彎區(qū)別開來(lái)的是，電機(jī)的步數(shù)在其他的函數(shù)中賦值好了，在轉(zhuǎn)彎函數(shù)中只要一開始將一個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)就可以了，而不用一開始就將兩個(gè)電機(jī)都停止，然后對(duì)電機(jī)的步數(shù)進(jìn)行賦值，這樣的話，就可以節(jié)省一些不必要的時(shí)間。電腦鼠一開始進(jìn)行迷宮搜索時(shí)必須要用到這個(gè)模塊。通過(guò)這個(gè)模塊電腦鼠進(jìn)行迷宮的墻壁信息的采集，電腦鼠所走過(guò)的每個(gè)坐標(biāo)都會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的墻壁信息，這些墻壁信息是電腦鼠后來(lái)進(jìn)行等高圖制作和沖刺的基礎(chǔ)。在進(jìn)行搜索時(shí)，電腦鼠的紅外是在時(shí)鐘中斷下，不停地被驅(qū)動(dòng)的，這一連串的動(dòng)作有發(fā)射短波紅外，發(fā)射長(zhǎng)波紅外，和接受紅外。處理器通過(guò)讀取紅外接收器對(duì)應(yīng)引腳的信息來(lái)判斷四周的情況，同時(shí)將迷宮的信息進(jìn)行編碼后存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的一個(gè)迷宮情況數(shù)組中。當(dāng)遇到岔路時(shí)，程序跳出搜索函數(shù)，回到主函數(shù)中將岔路坐標(biāo)進(jìn)行處理，具體參見***********主函數(shù)。將這個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行入棧，再回到搜索函數(shù)中，根據(jù)所選用的搜索法則選擇好一條路后，繼續(xù)搜索，并這樣一直下去直到電腦鼠運(yùn)行到終點(diǎn)。迷宮是用18cm18cm大小的方格組成的，其行列各有16個(gè)方格。為了讓電腦鼠記住所走過(guò)的各個(gè)迷宮格的信息，我們就坐標(biāo)的方法來(lái)對(duì)256個(gè)迷宮格進(jìn)行編號(hào)。根據(jù)坐標(biāo)的的定義和比賽規(guī)則，也為了把上下左右這四個(gè)方向參數(shù)轉(zhuǎn)換為微控制器能夠識(shí)別的符號(hào)，在本文中，將向上的方向定義為0、向右為向下為向左為3，如圖38所示。圖31 迷宮方向值定義圖38 迷宮方向值定義只要有了迷宮的坐標(biāo)和方向后，電腦鼠在迷宮行走就可以隨時(shí)知道自己所處的位置和方位了。然而，對(duì)于電腦鼠而言，紅外線傳感器的位置和方向是固定不變的，但是對(duì)于迷宮，紅外線傳感器的位置和方向是隨著老鼠前進(jìn)方向的變化而一起變化的。這是由于選擇參照物的不同而引起的，由此引出了兩個(gè)方向的問(wèn)題：相對(duì)方向和絕對(duì)方向。相對(duì)方向：以電腦鼠當(dāng)前行走方向?yàn)閰⒄盏姆较?。絕對(duì)方向：以迷宮絕對(duì)坐標(biāo)平面為參照的方向。那么傳感器所檢測(cè)到的信息如何才能更便于處理呢？周立功提到了如果以相對(duì)方向存儲(chǔ)的資料將是混亂的，不僅要存儲(chǔ)麻煩，而且要記錄起檢測(cè)時(shí)電腦鼠所處的方向，存儲(chǔ)量比較大，處理起來(lái)也非常麻煩。而以絕對(duì)方向存儲(chǔ)就不需要考慮當(dāng)前電腦鼠的方向。這樣就會(huì)經(jīng)常遇到相對(duì)方向和絕對(duì)方向的互換。在本文中采取了以變量Dir記錄電腦鼠前進(jìn)方向上的絕對(duì)方向值，即前方的絕對(duì)方向值始終為Dir。這樣電腦鼠的相對(duì)方向轉(zhuǎn)換成絕對(duì)方向如表31所示。表31 相對(duì)方向轉(zhuǎn)換成絕對(duì)方向相對(duì)方向絕對(duì)方向電腦鼠前方Dir+1電腦鼠右方（Dir+1）%4電腦鼠后方（Dir+2）%4電腦鼠左方（Dir+3）%4有時(shí)候系統(tǒng)還需要根據(jù)絕對(duì)方向（Dir_dst）和當(dāng)前的絕對(duì)方向（Dir）求出方向偏差值（△Dir），如式31所示?！鱀ir = Dir_dst – Dir 式31為了使△Dir的值落在0～3的范圍內(nèi)，計(jì)算式進(jìn)行式32的轉(zhuǎn)換如下：△Dir =（Dir_dst + 4 – Dir）%4 式32這時(shí)就可以根據(jù)方向偏差值求出電腦鼠的相對(duì)方向。表32 絕對(duì)方向轉(zhuǎn)換成相對(duì)方向絕對(duì)方向差值（△Dir）相對(duì)方向 0電腦鼠前方 1電腦鼠右方 2電腦鼠后方 3電腦鼠左方假設(shè)電腦鼠已知當(dāng)前位置坐標(biāo)（X，Y），那么就可以求出在其某絕對(duì)方向上的相鄰坐標(biāo)值。該表是可逆的，即可以根據(jù)坐標(biāo)值的變化求出絕對(duì)方向。表33 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換絕對(duì)方向坐標(biāo)當(dāng)前位置（X，Y）上方（0）（X，Y+1）右方（1）（X+1，Y）下方（2）（X，Y1）左方（3）（X1，y）當(dāng)電腦鼠達(dá)到一方格坐標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)傳感器檢測(cè)結(jié)果記錄下當(dāng)前方格的墻壁資料，為了方便管理和節(jié)省存儲(chǔ)空間，每一個(gè)字節(jié)變量的低四位分別用來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)方格四周的墻壁資料。因?yàn)槊詫m共有88個(gè)方格，所以可以定義一個(gè)1616的二