CN103955152A - 一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠及使用方法，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括机身模块、微处理器模块、电机驱动模块、传感器检测模块、记忆存储模块、电源模块，所述软件系统包括速度调节模块、中断模块、坐标算法模块、驱动模块、位置矫正模块。本发明的用于迷宫竞赛的高精度电子鼠采用双主动轮双从动轮的设计方案，以四轴测距式红外发射接收传感器作为主要检测装置，陀螺仪作为辅助检测装置，通过新型迷宫搜索算法对信号处理计算，控制低功耗高速空心杯直流电机的运转使微型迷宫电子鼠寻找出口，通过有机整合硬件系统与软件系统，最终使电子鼠具有体积小、速度快、精度高、稳定性高的特性。

Description

一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠及使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠及使用方法。 

背景技术

迷宫电子鼠的概念最早由IEEE Spectrum杂志在七十年代提出，随后这项比赛从1979年美国纽约开始了竞赛征程，在欧洲、东南亚、日本、韩国等地区颇为盛行，至今已有32年的历史，已成为一项具有国际影响力的电子鼠竞赛。比赛中的电子鼠是一个小型的由微处理器控制的智能车辆，在复杂迷宫中具有译码和导航功能。 

它由微控制器，传感器和驱动机构等组成。综合了检测、人工智能、自动控制、嵌入式系统和机械等多个学科知识。这项赛事的开展不仅提高了人工智能和嵌入式系统等新兴技术的开发水平，而且拓展了技术研究领域和发展空间。 

2007年这项赛事被引入中国，在短时间内迅速盛行。但是由于起步晚，与国际比赛相比还有很大差距。电子鼠迷宫竞赛是考察一个机电系统对一个未知环境的探索、分析以及决策能力的一种比赛，一只优秀的电子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。决定比赛胜负的关键不仅仅取决于电子鼠软件的控制决策和算法的设计，而且电子鼠硬件的设计也同样重要。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不仅体积小、速度快、精确度高、操作简便，而且能实时记忆、优化和修正运动路线的用于迷宫竞赛的高精度电子鼠。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于迷宫竞赛的高 精度电子鼠，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括机身模块、微处理器模块、电机驱动模块、传感器检测模块、记忆存储模块、电源模块，所述软件系统包括速度调节模块、中断模块、坐标算法模块、驱动模块、位置矫正模块，所述微处理器模块、电机驱动模块、传感器检测模块、记忆存储模块、电源模块分别与机身模块相连，所述电源模块与电机驱动模块相连，所述记忆存储模块与微处理器模块相连，所述传感器检测模块与记忆存储模块相连，所述坐标算法模块与驱动模块相连，所述驱动模块与速度调节模块相连，所述速度调节模块与位置矫正模块相连，所述位置矫正模块与中断模块相连，所述速度调节模块通过传感器监测模块接收的信息控制电子鼠的速度，所述中断模块通过微处理器模块提供的数据进行中断，所述驱动模块通过电力驱动模块为电子鼠提供动力，所述坐标算法模块接收传感器监测模块的信息从而确定迷宫的坐标，所述位置矫正模块通过记忆存储模块和传感器监测模块共同提供的信息做出位置矫正。 

进一步地，所述机身模块包括底盘、减速齿轮、微型空心杯电机和传感器安装槽，所述机身模块为PCB机身模块，所述微型空心杯电机为两个，所述微型空心杯电机上设置有两个减速齿轮，所述微型空心杯电机的前后各设置有一个尼龙支撑块，所述机身模块前部设置有四组红外发射接收传感器，所述机身模块上设置有中轴线，所述红外发射接收传感器其中两组向正前方装置，所述红外发射接收传感器另外两组与中轴线成45°面向侧前方。 

进一步地，所述微处理器模块采用基于ARM Cortex-M3处理器内核LM3S1138为主控制器。 

进一步地，所述电机驱动模块上设置有两片BTS7960组成的H型全桥驱动电路，所述两片BTS7960组成的H型全桥驱动电路分别与两个微型空心杯电机 相连。 

进一步地，所述传感器检测模块由装置在机身模块前部的红外发射接收传感器、与微型空心杯电机集合为一体的磁电式编码器和陀螺仪构成。 

进一步地，所述记忆存储模块采用CAT24C256芯片。 

进一步地，所述电源模块包括7805稳压芯片、TPS7301稳压芯片和LM1117-3.3降压芯片。 

本发明要解决的另一技术问题是提供一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的使用方法，包括以下步骤： 

1）、在微型空心杯电机上安装两个减速齿轮，并在微型空心杯电机的前后各装上一个尼龙支撑块，用以带动左右轮转动； 

2）、电子鼠在前进过程中，由红外发射接收传感器检测周围墙壁的信息； 

3）、步骤2红外发射接收传感器检测到的信息传送至微处理器模块，微处理模块和记忆存储模块连接，调出记忆存储模块中的路径数据，微处理模块进行分析和程序改进； 

4）、步骤3微处理器模块分析后的数据传送至磁电式编码器和陀螺仪传感器； 

5）、磁电式编码器和陀螺仪传感器通过接收的信息对电机的转速和方向进行调整。 

本发明的用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的有益效果：由于所述用于迷宫竞赛的高精度电子鼠以LM3S1138单片机为微型迷宫电子鼠的控制核心，能够在迷宫中寻找、记录、优化和修正路径，从而使电子鼠在最短的时间内到达终点；记忆存储模块采用CAT24C256实现电子鼠控制系统中的路径存储记忆功能，当微型迷宫电子鼠在迷宫中运行错误时，可以调出记忆模块储存的路径数据，便 于分析和程序改进；机体选用双主动轮，双从动轮的方案，用微型空心杯电机提供动力，这样微型迷宫电子鼠容易控制，行走精确；采用空心杯电机与磁电式编码器集成于一体的装置，不仅可以做到实时监测微型迷宫电子鼠的行驶速度，而且体积小、可靠性高、抗干扰能力强；采用新的红外发射接收传感器排布方式，摒弃了传统微型电子鼠的左右水平方向的排布方式，使微型电子鼠具有一定的前瞻性，对于提升电子鼠的速度有很大帮助；采用型号为ITG-3200的陀螺仪，用来校正微型电子鼠在弧形运动时姿态上的误差，从而使微型电子鼠运动更加准确、节省时间；软件方面采用新型迷宫搜索算法，建立迷宫坐标、墙壁资料的存储、利用转弯加权等高图、通过全速冲刺与增加转弯半径方式，即：微型迷宫电子鼠以任一搜寻法则前进到达终点，返程时不沿原路返回，而是利用法则继续探寻迷宫直到抵达起点。从而使微型迷宫电子鼠具有效率高、精度高、稳定性好的特点。 

附图说明

图1为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的原理框图； 

图2为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的软件系统原理框图； 

图3为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠机身结构设计流程图； 

图4为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠LM3S1138的封装图； 

图5为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠JTAG接口电路原理图； 

图6为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠系统复位电路原理图； 

图7为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠CAT24C256应用电路原理图； 

图8为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠轮胎设计原理图； 

图9为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠电源稳压电路原理图； 

图10为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠TPS7301稳压电路原理图； 

图11为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠LM1117-3.3稳压电路原理图； 

图12为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠BTS7960内部电路原理图； 

图13为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠全桥驱动电路原理图； 

图14为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠红外发射—接收检测电路原理图； 

图15为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠红外发射接收传感器排布图； 

图16为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠陀螺仪ITG-3200的内部电路图； 

图17为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠陀螺仪ITG-3200所测角速度方向与输出电压大小参考图； 

图18为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠总体程序流程图； 

图19为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠红外发射接收传感器输出电压与实际距离的关系； 

图20为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的最佳姿势图； 

图21为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠两侧都有墙壁的左侧位置偏差示意图； 

图22为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠只有一侧有墙壁的左侧位置偏差示意图； 

图23为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠右侧无墙壁右偏差示意图； 

图24为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠特殊迷宫排列的校正方式原理图； 

图25为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠转弯的五种迷宫格排列方式图； 

图26为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠利用向前的两个红外发射接收传感器校正斜线直走时的身姿误差图； 

图27为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠利用一个向前方向的红外发射接收传感器校正转弯V字型斜线直走图； 

图28为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠通过PWM控制电机运行状态的流程图； 

图29为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠通过编码器获取电机转速的流程图； 

图30为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠PID控制示意图； 

图31为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠陀螺仪工作流程图； 

图32为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠转弯动作校正示意图； 

图33为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠CAT24C256读数据与写数据 的流程图； 

图34为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠模式选择流程图； 

图35为迷宫格与坐标对应关系图； 

图36为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠等高图制作过程； 

图37为不加权等高图与加权等高图； 

图38为弧形右转90度加大半径示意图。 

具体实施方式

本实施例中，参照图1至图38所示，图1为本发明用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的原理框图。一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括机身模块、微处理器模块、电机驱动模块、传感器检测模块、记忆存储模块、电源模块，所述软件系统包括速度调节模块、中断模块、坐标算法模块、驱动模块、位置矫正模块，所述微处理器模块、电机驱动模块、传感器检测模块、记忆存储模块、电源模块分别与机身模块相连，所述电源模块与电机驱动模块相连，所述记忆存储模块与微处理器模块相连，所述传感器检测模块与记忆存储模块相连，所述坐标算法模块与驱动模块相连，所述驱动模块与速度调节模块相连，所述速度调节模块与位置矫正模块相连，所述位置矫正模块与中断模块相连，所述速度调节模块通过传感器监测模块接收的信息控制电子鼠的速度，所述中断模块通过微处理器模块提供的数据进行中断，所述驱动模块通过电力驱动模块为电子鼠提供动力，所述坐标算法模块接收传感器监测模块的信息从而确定迷宫的坐标，所述位置矫正模块通过记忆存储模块和传感器监测模块共同提供的信息做出位置矫正。 

所述机身模块包括底盘、减速齿轮、微型空心杯电机和传感器安装槽，所述机身模块为PCB机身模块，所述微型空心杯电机为两个，所述微型空心杯电机上设置有两个减速齿轮，所述微型空心杯电机的前后各设置有一个尼龙支撑 块，所述机身模块前部设置有四组红外发射接收传感器，所述机身模块上设置有中轴线，所述红外发射接收传感器其中两组向正前方装置，所述红外发射接收传感器另外两组与中轴线成45°面向侧前方。 

所述微处理器模块采用基于ARM Cortex-M3处理器内核LM3S1138为主控制器。 

所述电机驱动模块上设置有两片BTS7960组成的H型全桥驱动电路，所述两片BTS7960组成的H型全桥驱动电路分别与两个微型空心杯电机相连，所述电机驱动模块是分别利用两片BTS7960组成的H型全桥驱动电路来分别驱动两个空心杯电机。 

所述传感器检测模块由装置在机身模块前部的红外发射接收传感器、与微型空心杯电机集合为一体的磁电式编码器和陀螺仪构成，所述红外发射接收传感器用于感测墙面与离墙的距离，所述磁电式编码器用于迷宫电子鼠的速度测量所述陀螺仪用于校正迷宫电子鼠在弧形运动时姿态上的误差。 

所述记忆存储模块采用CAT24C256芯片，实现电子鼠控制系统中的路径存储记忆功能。 

所述电源模块包括7805稳压芯片、TPS7301稳压芯片和LM1117-3.3降压芯片，所述7805稳压芯片为红外发射接收传感器和驱动模块提供稳压，所述TPS7301稳压芯片为微型空心杯电机供电，所述LM1117-3.3降压芯片为LM3S1138供电。 

所述软件系统采用所述软件系统采用建立迷宫坐标、墙壁资料的存储、利用转弯加权等高图、增加转弯半径的方式提高电子鼠的精准度、效率和稳定性，来记忆、优化路径。 

该用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的使用方法，包括以下步骤： 

1）、在微型空心杯电机上安装两个减速齿轮，并在微型空心杯电机的前后各装上一个尼龙支撑块，用以带动左右轮转动； 

2）、电子鼠在前进过程中，由红外发射接收传感器检测周围墙壁的信息； 

3）、步骤2红外发射接收传感器检测到的信息传送至微处理器模块，微处理模块和记忆存储模块连接，调出记忆存储模块中的路径数据，微处理模块进行分析和程序改进； 

4）、步骤3微处理器模块分析后的数据传送至磁电式编码器和陀螺仪传感器； 

5）、磁电式编码器和陀螺仪传感器通过接收的信息对电机的转速和方向进行调整。 

如图3所示，微型迷宫电子鼠机械结构设计包括底盘设计，轮子的设计，传感器安放位置。本发明把电子鼠机身结构分为四个部分：底盘结构，减速齿轮的安装，电机和传感器安放位置。机身由PCB材构成，长110mm，宽74mm，装有两个减速齿轮的微型空心杯电机及前后各装了一个尼龙支撑块，以带动左、右轮转动，控制准确灵活；用红外发射接收传感器检测周围墙壁的信息，信息经程序处理后，控制电子鼠前进和左、右、后转，使电子鼠能正常工作；利用两片BTS7690组成的H型全桥电路结构来分别驱动两个空心杯电机，电路简单灵活，图全桥驱动电路原理图如图13所示。 

微型迷宫电子鼠其控制系统由微处理器和信息存储两部分构成。本发明采用基于ARM Cortex-M3内核、单电源供电的LM3S1138作为系统的微控制器。如图4所示。电子鼠采用的Luminary公司提出的标准10脚JTAG信号的定义与LM3S1138的连接如图5所示；复位电路使用带I²C存储器的电源监控芯片CAT1025JI-30，提高了系统的可靠性，如图6所示，信号nRST连接到LM3S1138 芯片的复位RESET，当复位按键RST按下时，CAT1025JI-30的RESET引脚立即输出复位信号，LPC2138芯片复位。当微型迷宫电子鼠在迷宫中迷失方向时后，很难再正常运行。所以本发明在智能电子鼠系统中加入了路径的存储记忆模块，当电子鼠在迷宫中运行错误时，可以调出记忆模块储存的路径数据，便于分析和程序改进。图7为本发明所述CAT24C256记忆模块应用电路图。 

如图8所示：车轮分主动轮和从动轮，设计中的两个主动轮，它们的间距必须在16.8cm以内，在本设计中设定为110mm；两轮子处于同一直线上，并且经过整个机身的几何中心，轮子半径大小约为22mm。本发明选用双主动轮，双从动轮的方案，从而使微型迷宫电子鼠行走与转弯时十分稳定。微型迷宫电子鼠用微型空心杯电机，这样电子鼠容易控制，行走精确。脑鼠的轮胎是由很多机械零件组成的，而且设计上是最复杂的，为了让电子鼠在运动的时候可以拥有更平顺且稳定的状态，我们使用了两颗培林以减小轮框造成的晃动，并尽量的减轻轮框的重量。 

本发明微型迷宫电子鼠选用两节锂电池(3.6V)串联得到6V以上的电压，给整个系统供电。具体实施方式如下： 

（1）传感器和一些驱动芯片需要稳定的+5V电压，才能稳定的工作。稳压集成芯片7805能够满足系统要求，价格也相对便宜，长时间供电虽然有散热的问题，但装上散热片后能够满足要求。本系统有4个红外发射接收传感器，和一个编码器，消耗电流较大，但7805提供的电流，完全能够满足系统要求。5V输出通过一个红色发光二极管监视系统供电，当系统供电正常时，便发出红光，以方便排错。图9是电源的稳压电路。 

(2)由于电机1717T006SR名义电压为6V，所以我们选用TPS7301作为电机的供电电源。TPS7301是带集成延时复位功能的低压差稳压器，该芯片具有 过流、过压保护作用，而其输出电压可调。如图10所示：其输出电压公式为： 

Uo=Vref*(R1/R2+1) 

其中Vref=1.2，R2=169kΩ,所以，滑动变阻器的电阻值可根据公式求得。想要得到6V电压把电阻R2调到适当的阻值即可。 

(3)LM3S1138需要稳定的+3.3V电压才能正常的工作。LM1117-3.3是输出电压固定为+3.3V的降压芯片，芯片自身具有热保护功能，输出电流可达800mA。由于单片机工作电流不大，因本发明选用LM1117-3.3作为降压芯片。 

本发明微型迷宫电子鼠通过检测迷宫挡板的红外发射接收传感器、测速使用的磁电式编码器和用于微型迷宫电子鼠姿态调整的陀螺仪传感器的检测，获得微型迷宫电子鼠在迷宫中的行驶状态。本发明采用磁电式编码器IE2-512。磁电式旋转编码器一般与空心杯电机集合为一体，可以做到体积很小，精度高，可靠性高和抗干忧能力强。用于测量电机的转速、转向和转角。 

如图14所示：发射端使用达林顿晶体管ULN2003和作为开关，通过给它输入方波，来控制红外发光二极管OP245。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。在该电路中，它能让红外发光二极管的瞬间功率变大，还可以检测比较远的距离。此外，利用该发射电路，可以消除环境对红外感测器的干扰。接收端使用TSL262R作为感测器。TSL262R是一个可以把接收到的红外线信号转换成电压信号的光感测器。TSL262R采用先进的线性MOS硅栅技术，提供良好的放大器的失调电压稳定和低功耗性能。为了减小电压干扰，得到较为稳定的输出电压，在输出端加上了两个电容作为滤波电路。由于TSL262接收到的信号转换成电压后，电压值太小，不便于单片机对输出电压的采集，所以如图14所示，在输出端接入电压串联反馈放大电路， 放大电路由集成运算放大器LM324构成，输出端电压为：Uo=(R3+R4)/R3根据实验证明，采用5倍放大为宜，由此选择R3为1K，R4为4K。 

如图16所示：ITG-3200是一个完整的加速度传感器，内部同时集成有角速度传感器和信号处理电路。陀螺仪ITG-3200量测的角速度的参考轴。 

如图17所示：垂直IC包装的文字面；那么陀螺仪顺时针绕着参考轴的角速度为正值，接脚RATEOUT输出电压值与角速度成正比。 

本发明为一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠其软件控制决策与算法设计如下： 

微型迷宫电子鼠以高性能32位微处理LM3S1138作为硬件核心，以红外发射接收传感器作为主要检测装置，陀螺仪作为辅助检测装置，通过软件算法对信号处理计算，控制低功耗空心杯直流电机的运转使微型迷宫电子鼠寻找出口，最终以最优路径达到终点。软件程序主要包括主程序、红外发射接收传感器程序、陀螺仪检测程序、电机PID控制程序、存储程序、智能算法程序部分。根据系统所用的硬件，在IAR Embedded Workbench IDE编程环境下，编写出运行在LM3S1138处理器上的全套软件程序。 

如图2所示：本发明微型迷宫电子鼠主控制器为LM3S1138。共有四组红外发射接收传感器，用来探测墙壁距离所提供的迷宫墙壁信息，以及校正运动时位置与方向的误差；一个用于校正电子鼠在转弯时的姿态误差的ITG-3200陀螺仪。两组H型全桥电路配合PWM(Pulse Width Modulation)信号控制，可以让直流电机正转及反正。空心杯直流电机上有磁电式编码器可以用来获取电机的转速。另外，以一片24C256EEPROM存储芯片作为电子鼠的外部存储区，以扩大存储更多的电子鼠信息。微型迷宫电子鼠的人机界面是利用两个拨码开关组成，可以用来切换不同的工作模式。 

如图18所示：微型迷宫电子鼠的软件设计可分为工作模式选择模块、红外发射接收传感器信号采集处理模块、陀螺仪转弯校正模块、电机PID控制模块、坐标调整模块、存储模块、路径选择模块等多个模块，效力于搜索迷宫和全速冲刺两个模式。其中工作模式选择分为手动选择和自动选择两种方式。 

如图15所示：本发明采用四组红外发射接收传感器，其中两组向前的红传感器，两组斜四十五度角传感器。其中U1和U4是向前摆放的红外发射接收传感器，传统的电子鼠只有一组向前的传感器摆放中央，利用向前传感器探测前方有无墙壁，而本发明多设计一组传感器，将他们摆放在两侧不仅可以探测前方墙壁信息，另外当电子鼠走V字型斜线时，可以利用这两组红外发射接收传感器探测是否有碰撞的危险。使用左右两个斜45度角的红外发射接收传感器U2和U3探测墙壁信息，摒弃了传统电子鼠的左右水平方向的传感器，使电子鼠具有一定的前瞻性，对于提升微型迷宫电子鼠的速度有很大帮助，另外利用斜45度角的红外发射接收传感器可以校正身姿。红外发射接收传感器需要分别使用，以免发生干扰。 

本发明所选用的红外发射管为OP245、红外接收管为TSL262R。下表为红外线传感器的测量数据。 

表1红外发射接收传感器的测量数据 

如图19所示：可以清楚的看到红外发射接收传感器输出的电压值与实际距 离是指数关系，关系表达式为s＝ae^bv

其中s为实际距离，v为红外发射接收传感器的输出电压，a、b为常数，不同的红外发射接收传感器取不同的值，经多次测验得出，a取值1.822左右，b取值在-0.1954左右。由于控制器处理指数运算时执行效率低，而且微型迷宫电子鼠竞赛时，现场的灯光以及不同的迷宫墙壁反射率可能有所不同，另外，即使使用相同的红外发射接收传感器，得到的结果也会有误差。所以在计算距离s时，本设计采用的是查表法查询电压所对应的距离。根据经验法得出针对不同组的红外发射接收传感器的指数表达式，分别利用此表达式设计35组红外发射接收传感器输出电压转换成距离的资料，使查表法的精确度小于0.3cm，这样的误差是可以被允许的。 

微型迷宫电子鼠在前进过程中不断调整姿势,以免碰到墙壁。电子鼠在迷宫中的理想姿势是处于迷宫格的中央,且前进方向平行于挡板,在这种状态下电子鼠才不容易碰到墙壁。图20为电子鼠的最佳姿势，是不需要被修正的。当需修正时，修正原理如下： 

（1）两侧都有墙壁时的修正原理。如图21所示：电子鼠靠近左侧以及电子鼠前进方向发生偏离。当左上角的红外发射接收传感器检测的距离小于设定的中间位置距离，这时应该向右调整。当电子鼠在右侧发生偏移的校正方法与之相同。 

（2）只有一侧有墙壁时的修正原理。如图22所示：假设只有左侧存在墙壁,当微型迷宫电子鼠靠近左侧时的修正方法与前面相同。当微型迷宫电子鼠靠近右侧时，由于右侧没有墙壁，出现如图23所示的情况，这时需要两个左右斜45度角的红外发射接收传感器共同判断，当左斜45度角的红外发射接收传感器检测距离大于设定的中间位置距离，同时右斜45度角的红外发射接收传感器检测 距离不小于设定的中间位置距离，甚至大于一个迷宫格距离16.8cm，就表明微型迷宫电子鼠右侧无墙壁而且偏向右侧，需要向左调整。迷宫格只有右边墙壁时的修正情况与之相同。 

（3）两侧均无墙壁时的修正原理。如图24所示：两侧均无墙壁的迷宫方块排列是比较特别的，无法使用左右两个斜45度角的红外发射接收传感器。本设计将采用两个向前方向的红外发射接收传感器检测，以校正身姿。 

（4）转弯时红外发射接收传感器的探测。如图25所示：由于迷宫的排列方式是固定的，迷宫方块的墙壁排列方式也可以事先分析。可以转弯的迷宫方块可以分为图3.8的五种排列方式，当微型迷宫电子鼠需要转弯时，程序上只需要针对这五种排列方式判断即可。另外，迷宫格出现前左右皆有墙壁时，微型迷宫电子鼠需要180度后转弯。不管是90度转弯还是180度转弯，要获得转弯的精确度，需要加以陀螺仪传感器的辅助。 

（5）V字型斜线直走的校正方式。当微型迷宫电子鼠进行V字型斜线直走的运动时，利用左右两个向前的红外发射接收传感器探测微型迷宫电子鼠是否能探测到柱子，利用这样的方法来修正车头朝向的误差。例如迷宫为图26的情况，当其中一个红外发射接收传感器探测到柱子，所得到的探测距离突然变短，而另外一个传感器的探测距离不会有太大改变，就表明微型迷宫电子鼠的车头朝向发生偏移，需要向探测距离不变的方向调整。需要特别注意的是，当迷宫出现图27这样的情况，可以发现向前方向的红外发射接收传感器能够探测到下一格的墙壁，微型迷宫电子鼠进行V字型斜线直走时，单靠一边的向前方向的红外发射接收传感器就可以修正车头朝向的误差。如果微型迷宫电子鼠左转45度，则利用右侧的向前方向的红外发射接收传感器校正，当此红外发射接收传感器的探测到柱子，其探测距离会突然变短，这就表明微型迷宫电子鼠发生偏 转，需要向左调整。微型迷宫电子鼠右转45度，校正方法是相同的。 

如图28所示：本发明空心杯直流电机的驱动电路采用两个半桥驱动芯片7960组成一个全桥电路来进行驱动，该芯片可以用四路PWM来控制两个电机的正反转、加减速以及制动，调节PWM信号占空比实现电机的调速，两路PWM信号占空比相差越大则速度越快。 

如图29所示：微型迷宫电子鼠采用的1717SR直流伺服电机内设一个增量型磁电式编码器IE2-512，该磁电式旋转编码器是一个512线的磁电式编码器，用磁电式发出信号。利用此编码器输出PWM信号，可以获取电机的转速。转速数据如下表： 

表2利用编码器测量电机转速的数据 

图30为本发明PID控制示意图；针对微型迷宫电子鼠的直流伺服电机，本设计采用工程实践中最为经典的PID控制，这种控制方法结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，是工业中最重要的控制手段之一。增量式PID控制器的输出公式为： 

Δu_n＝k_P[e(n)-e(n-1)]+k_Ie(n)+k_D[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] 

其中k_P为比例增益，k_I为积分增益，k_D为微分增益。比例调节可以保证系统的快速性；积分调节可以消除静差，提高控制精度；微分调节主要用来加快系统的响应速度、减小超调、克服振荡、消除系统的惯性影响。基于各个参数的不同作用，若要微型迷宫电子鼠的性能更加优越，根据设定速度与当前速度的差值，以及偏差的变化率，则需要的PID参数并不是一成不变的，而是具有自适应性质的。本发明采用模糊控制的原理选择PID三个参数。 

如图31所示：微型迷宫电子鼠在转弯过程中，可能会因为重心转移或是因为灰尘而造成的轮胎打滑，导致微型迷宫电子鼠产生姿态上的误差，本发明利用陀螺仪ITG3200校正微型迷宫电子鼠在弧形转弯以及向后转姿态上的误差。陀螺仪传感器ITG3200是应用I2C总线与微控制器进行通讯的，转弯时微控制器首先将控制指令通过I2C传给ITG3200，然后ITG3200将会反馈一个角度值，该角度值即为微型迷宫电子鼠转过的角度值。对于微型迷宫电子鼠的弧形转弯，可以利用陀螺仪传感器与红外发射接收传感器共同校正微型迷宫电子鼠的身姿。 

如图33所示：在微型迷宫电子鼠走迷宫竞赛中，也许会发生意外情况例如撞壁，使坐标紊乱或者死机等情况，如果微型迷宫电子鼠在完成探索迷宫，进行冲刺时发生意外，从新开始启动再次探索迷宫无疑是一种时间上的极大浪费。因此，本发明采用CATALYST公司的CAT24C256存储芯片设计一个外部记忆模块，用来存储迷宫信息。CAT24C256采用I2C总线数据传送协议来存储和读出数据。I2C总线协议具有简单、灵活、连线少的特点，将占用微处理器接口数目降到最低。LM3S1138带有硬件I2C，只需在程序中进行相应的设置即可使用。图7为本发明所述CAT24C256记忆模块应用电路图。 

如图34所示：为节省零件，本发明的人机界面只包含一个重置键（reset）以及两个拨码开关，以完成不同模式与功能的选择。模式与功能的设计包含：搜索迷宫模式、以最短路径的全速冲刺模式、参数设定模式等。 

在微型迷宫电子鼠迷宫竞赛中，若要使微型迷宫电子鼠在迷宫内找到最优路径，那么首要的工作就是探索并记录迷宫墙壁的信息。迷宫的搜索算法如下： 

（1）迷宫坐标的建立。迷宫是由18cm×18cm大小的方格组成的，其行列各有16个方格，为了让微型迷宫电子鼠记住所走过的各个迷宫格的信息，我们就要对这256个迷宫格进行编号。对于软件处理来说，使用坐标无疑是最方便的。本发明以微型迷宫电子鼠放到起点时的方向作为参考，此时微型迷宫电子鼠的正前方为Y轴正方向，后方为Y轴的负方向，左方为X轴负方向，右方为X轴正方向。迷宫格与坐标的对应关系如图35所示。根据坐标的定义和比赛的规则可以知道，微型迷宫电子鼠的起点可能在（0，0）点，也可能在（0，F）点。即终点可能在微型迷宫电子鼠的右前方，也可能在微型迷宫电子鼠的左前方。这个可以根据微型迷宫电子鼠第一次检测到的转弯口是在左方还是右方判断出来。 

（2）绝对方向与相对方向。对于微型迷宫电子鼠来说，红外发射接收传感器的位置的方向是固定不变的，而对于迷宫来说，红外发射接收传感器的位置和方向是随微型迷宫电子鼠前进方向的变化而一起变化的，这就是由于选择参照物的不同而出现的差异，由此，引出了两个方向的问题：绝对方向和相对方向。 

绝对方向：以迷宫绝对坐标平面为参照的方向，称为绝对方向。 

相对方向：以微型迷宫电子鼠当前行方向为参照的方向，称为相对方向。 

若以相对方向存储微型迷宫电子鼠所探测到的迷宫信息，不仅存储麻烦， 而且需要记录检测该信息时微型迷宫电子鼠所处的方向，存储量也比较大，处理起来也相当麻烦。而以绝对方向存储微型迷宫电子鼠探测的迷宫信息，则不需要考虑微型迷宫电子鼠当时的方向，处理起来非常方便。 

(3)墙壁资料的存储。微型迷宫电子鼠每到达一个迷宫方格时，应根据红外发射接收传感器所检测到的结果记录当前方格的墙壁资料，为了方便管理和节省储存空间，每一个字节变量的低四位分别用来存储一个方格四周的墙壁资料，如表3所示，迷宫共有16×16个方格，所以可以定义一个16×16的二维数组变量来保存整个迷宫墙壁的资料。 

表3墙壁资料存储方式 

迷宫墙壁资料全部初始化为0，凡是走过的迷宫格至少有一方没有墙壁，即墙壁资料不为0。这样就可以通过单元格存储的墙壁资料是否为0来确定该单元格是否曾搜索过。 

（4）迷宫的搜索方法。传统的微型迷宫电子鼠的迷宫搜寻模式分为部分迷宫搜寻策略和全迷宫搜寻策略两种，采用全迷宫搜寻策略，适合于不计算搜寻时间的比赛，但新国际比赛规则把搜寻时间计入成绩，就要考虑部分迷宫搜寻策略，采用部分迷宫搜寻策略找到的路径很可能不是最佳路径。所以发明采用折中办法，迷宫微型迷宫电子鼠以任一搜寻法则前进到达终点，返程时不沿原路返回，而是利用法则继续探寻迷宫直到抵达起点。这种方法比全迷宫搜寻花费的时间要少，而且比部分迷宫搜寻策略探测到的迷宫信息更多。虽然也有可 能找不最短的路径，就整体而言，这种方法还是最有效率的。当微型迷宫电子鼠已经搜索完整个迷宫或者只搜索了包含起点和终点的部分迷宫，且记录了已走过的每个迷宫方块的墙壁信息，要根据已有信息找出一条从起点到终点的最优路径，本发明采用等高图设计方法。具体实施原理如下： 

（1）等高图的制作原理。图36为本发明微型迷宫电子鼠等高图制作过程， 

如图36所示：首先开辟一块16×16的二维数据空间，其中每一个元素代表迷宫中的一个方格，用以计算后储存各方格至起点的最短路径步数，所谓步数即为路径中经过的方格数。当起点坐标处标识为1时，可以直接打到的相邻方格均为2，再远的方格的等高值依次递增。这样距离越远的地方等高值越大。 

（2）转弯加权等高图。如图37所示：微型迷宫电子鼠在迷宫中移动，直线速度要比转弯速度快，为了使微型迷宫电子鼠可以选择一条直线更多、转弯更少的最短路径，可以给转弯点加权。加权值的大小可以根据自己微型迷宫电子鼠转弯的性能决定。本论文设定权值为1。即经过转弯前进的左边等高值是由当前等高值加2得到的 

本发明考虑到微型迷宫电子鼠转弯要浪费更多的时间，若要进一步减少微型迷宫电子鼠的运行时间，直线的设定速度就不能与转弯时设定的速度一样，这就涉及到电机的加减速问题。然而，微型迷宫电子鼠加速到设定的速度需要一定的时间和一定的距离，同样，微型迷宫电子鼠减速到设定速度也需要一定的时间和距离。当微型迷宫电子鼠达到一定高速，拐弯时就需要提前减速或者增大加速度，否则会导致微型迷宫电子鼠转弯不准确甚至出现撞壁的情况。 

如图38所示：以右转90度为例，若微型迷宫电子鼠只能在一格迷宫方块内完成转弯，那么最大的转弯半径R就只有9cm，如果不加大微型迷宫电子鼠的加速度上限，那么转弯的速度势必就会受限。本发明在加速度上限不改变的 状态下，为了让弧形转弯的速度可以提升，加大转弯半径R。 

本发明的用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的有益效果：由于所述用于迷宫竞赛的高精度电子鼠以LM3S1138单片机为微型迷宫电子鼠的控制核心，能够在迷宫中寻找、记录、优化和修正路径，从而使电子鼠在最短的时间内到达终点；记忆存储模块采用CAT24C256实现电子鼠控制系统中的路径存储记忆功能，当微型迷宫电子鼠在迷宫中运行错误时，可以调出记忆模块储存的路径数据，便于分析和程序改进；机体选用双主动轮，双从动轮的方案，用微型空心杯电机提供动力，这样微型迷宫电子鼠容易控制，行走精确；采用空心杯电机与磁电式编码器集成于一体的装置，不仅可以做到实时监测微型迷宫电子鼠的行驶速度，而且体积小、可靠性高、抗干扰能力强；采用新的红外发射接收传感器排布方式，摒弃了传统微型电子鼠的左右水平方向的排布方式，使微型电子鼠具有一定的前瞻性，对于提升电子鼠的速度有很大帮助；采用型号为ITG-3200的陀螺仪，用来校正微型电子鼠在弧形运动时姿态上的误差，从而使微型电子鼠运动更加准确、节省时间；软件方面采用新型迷宫搜索算法，建立迷宫坐标、墙壁资料的存储、利用转弯加权等高图、通过全速冲刺与增加转弯半径方式，即：微型迷宫电子鼠以任一搜寻法则前进到达终点，返程时不沿原路返回，而是利用法则继续探寻迷宫直到抵达起点。从而使微型迷宫电子鼠具有效率高、精度高、稳定性好的特点。 

上述实施例，只是本发明的一个实例，并不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡与本发明权利要求所述内容相同或等同的技术方案，均应包括在本发明保护范围内。 

Claims (8)

1.一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，其特征在于：包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括机身模块、微处理器模块、电机驱动模块、传感器检测模块、记忆存储模块、电源模块，所述软件系统包括速度调节模块、中断模块、坐标算法模块、驱动模块、位置矫正模块，所述微处理器模块、电机驱动模块、传感器检测模块、记忆存储模块、电源模块分别与机身模块相连，所述电源模块与电机驱动模块相连，所述记忆存储模块与微处理器模块相连，所述传感器检测模块与记忆存储模块相连，所述坐标算法模块与驱动模块相连，所述驱动模块与速度调节模块相连，所述速度调节模块与位置矫正模块相连，所述位置矫正模块与中断模块相连，所述速度调节模块通过传感器监测模块接收的信息控制电子鼠的速度，所述中断模块通过微处理器模块提供的数据进行中断，所述驱动模块通过电力驱动模块为电子鼠提供动力，所述坐标算法模块接收传感器监测模块的信息从而确定迷宫的坐标，所述位置矫正模块通过记忆存储模块和传感器监测模块共同提供的信息做出位置矫正。

2.如权利要求1所述的一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，其特征在于：所述机身模块包括底盘、减速齿轮、微型空心杯电机和传感器安装槽，所述机身模块为PCB机身模块，所述微型空心杯电机为两个，所述微型空心杯电机上设置有两个减速齿轮，所述微型空心杯电机的前后各设置有一个尼龙支撑块，所述机身模块前部设置有四组红外发射接收传感器，所述机身模块上设置有中轴线，所述红外发射接收传感器其中两组向正前方装置，所述红外发射接收传感器另外两组与中轴线成45°面向侧前方。

3.如权利要求1所述的一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，其特征在于：所述微处理器模块采用基于ARM Cortex-M3处理器内核LM3S1138为主控制器。

4.如权利要求2所述的一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，其特征在于：所述电机驱动模块上设置有两片BTS7960组成的H型全桥驱动电路，所述两片BTS7960组成的H型全桥驱动电路分别与两个微型空心杯电机相连。

5.如权利要求2所述的一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，其特征在于：所述传感器检测模块由装置在机身模块前部的红外发射接收传感器、与微型空心杯电机集合为一体的磁电式编码器和陀螺仪构成。

6.如权利要求1所述的一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，其特征在于：所述记忆存储模块采用CAT24C256芯片。

7.如权利要求6所述的一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠，其特征在于：所述电源模块包括7805稳压芯片、TPS7301稳压芯片和LM1117-3.3降压芯片。

8.如权利要求1所述的一种用于迷宫竞赛的高精度电子鼠的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、在微型空心杯电机上安装两个减速齿轮，并在微型空心杯电机的前后各装上一个尼龙支撑块，用以带动左右轮转动；

2）、电子鼠在前进过程中，由红外发射接收传感器检测周围墙壁的信息；

3）、步骤2红外发射接收传感器检测到的信息传送至微处理器模块，微处理模块和记忆存储模块连接，调出记忆存储模块中的路径数据，微处理模块进行分析和程序改进；

4）、步骤3微处理器模块分析后的数据传送至磁电式编码器和陀螺仪传感器；

5）、磁电式编码器和陀螺仪传感器通过接收的信息对电机的转速和方向进行调整。