CN112578687A - 可视化直流电脑鼠开发系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可视化直流电脑鼠开发系统，属于电脑鼠技术领域，包括电脑鼠硬件设备、辅助调试设备和辅助调试上位机；电脑鼠硬件设备对常见电脑鼠开发方案进行改进，实现了降低成本的目的；改进传统方案的人机交互模块，使用多功能调试设备作为通信中间件，为电脑鼠硬件设备和PC端辅助调试上位机提供可靠的实时高速通信。本发明在增强电脑鼠的机动性的同时降低了电脑鼠成本，提高了信息回传能力和人机交互能力，提高了PC上位机数据传输速度，实现了快速数据收发，可直观显示电脑鼠迷宫地图，搜索情况，传感器数据，执行器状态等，无需使用电脑鼠硬件设备即可独立测试其顶层策略逻辑的工作性能，提高了开发效率，降低了开发过程中硬件设备损耗。

Description

可视化直流电脑鼠开发系统

技术领域

本发明涉及电脑鼠技术领域，具体涉及一种可视化直流电脑鼠开发系统。

背景技术

电脑鼠是一种机器人，要求能够在规定标准的迷宫中自主运行，寻找终点并返回起点向终点冲刺。目前，电脑鼠主要用于参加各种“电脑鼠走迷宫”竞赛并被广泛应用于嵌入式和自动控制领域的教学实践环节，因此出现了多种电脑鼠开发系统。根据电脑鼠所用执行器的选型，可分为“直流电脑鼠开发系统”和“步进电脑鼠开发系统”。

在大的技术背景下，电脑鼠普遍通过电池供电，通过传感器获取迷宫中信息，通过处理器进行数据处理，运行控制与决策规划，以控制执行器(即电机)做出相应动作，最终完成竞赛任务。当前电脑鼠设备种类繁多，但主要采用红外传感器进行距离感知，以探测电脑鼠在迷宫中的墙壁信息；采用陀螺仪传感器探测其姿态信息；采用编码器获取速度信息。采用数码管，OLED显示屏，LED灯，按键，蓝牙串口等一种或多种方式进行人机交互。

现有“直流电脑鼠开发系统”主要存在以下缺点：

1、执行器(电机)设置方案成本较高。现有方案采用2个FAULHABER-1717空心杯直流电机作为执行器。该电机稳定性好，易于控制且内部集成了编码器可用于测量电机转速。但由于该型号电机质量较高且在市面上不易购买，导致电脑鼠成本居高不下(单套电脑鼠价格一万以上，电机成本占80％)。

2、(电脑鼠运行前)传感器参数调试方式复杂，传感器状态展示不直观，对用户不友好。现有方案将电脑鼠设备与硬件调试模块通过线缆直接连接实现数据交互，利用调试模块上的数码管和按键进行人机交互。数码管显示参数信息，使用按键对参数进行修改与保存。在需要调整多个参数时操作非常繁琐，并且无法直观显示整体参数状态，不利于开发者进行快速调试。

3、在电脑鼠运行过程中，信息回传能力不足，人机交互能力不足。现有方案在电脑鼠运行过程中，仅有与电脑鼠设备直接连接的蓝牙串口模块可以与PC机进行数据交互。但与1kHz的传感器数据采集频率而言蓝牙串口通信方式速率较低。串口通信无法在电脑鼠运行的同时将大量传感器数据和辅助信息回传给用户。在电脑鼠开发过程中，信息回传与数据可视化应在不影响电脑鼠正常运行的情况下进行。而当蓝牙通信回传大量信息时将不可避免的导致电脑鼠无法及时执行周期控制命令从而影响电脑鼠设备的正常运行。缺乏运行过程中的数据显示导致用户的开发和调试难度大大增加。

4、缺乏针对电脑鼠的顶层算法(电脑鼠搜索冲刺等决策算法)的虚拟仿真功能。现有方案中，没有对顶层算法运行的虚拟仿真功能，因此用户只能通过电脑鼠设备实际运行效果分析顶层算法的正确性。虽然理论上电脑鼠顶层控制与底层控制依赖性不大，但是由于电脑鼠设备的实际运行表现与底层控制关系密切，且受运行环境因素影响严重，因此该方案很难保证顶层算法的测试与评估不受干扰。且该方案要求实际操作运行电脑鼠进行顶层算法的分析与评估，因此调试与开发效率极低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可为开发者提供一个稳定的、包含了数据可视化、虚拟仿真等辅助开发功能的硬件环境，能够提升使用者的开发效率的可视化直流电脑鼠开发系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供一种可视化直流电脑鼠开发系统，包括：

电脑鼠硬件设备、辅助调试设备和辅助调试上位机；

所述电脑鼠硬件设备包括：传感器模块、执行器模块、处理器模块、调试接口模块、人机交互模块和通信接口模块；

所述传感器模块、所述人机交互模块和所述执行器模块均连接所述处理器模块；所述调试接口模块、所述通信接口模块均与所述处理器模块相互通信连接；

所述辅助调试设备包括：UART通信接口模块、SPI通信接口模块和无线通信模块；所述UART通信接口模块、所述SPI通信接口模块均与所述通信接口模块连接，所述UART通信接口模块、所述SPI通信接口模块均与所述无线通信模块；

所述辅助调试上位机包括：运行数据展示模块和虚拟仿真实验模块；所述运行数据展示模块连接所述无线通信模块；

所述运行数据展示模块获取所述处理器模块的数据，同时通过可视化编程技术直接展现在PC机上；虚拟仿真实验模块允许用户脱离电脑鼠硬件设备的限制，以虚拟仿真的方式对电脑鼠顶层策略算法进行开发。

优选的，所述传感器模块包括：4路红外测距传感器、1路模拟陀螺仪传感器和2路独立的编码器测速模块。

优选的，所述执行器模块包括4路空心杯直流电机。

优选的，所述调试接口模块为SWD调试单片机接口。

优选的，所述虚拟仿真试验模块包括用户顶层策略算法开发单元、自定义迷宫单元、虚拟电脑鼠监控单元、模拟计分单元、可视化界面显示单元；

所述用户顶层策略算法开发单元将用户顶层策略算法的.c文件编译链接为用户顶层策略算法的.exe文件；并接收自定义迷宫单元的自定义迷宫数据获得虚拟电脑鼠执行动作；虚拟电脑鼠监控单元接收虚拟电脑鼠执行动作发送给可视化界面显示单元；可视化界面显示单元根据虚拟电脑鼠执行动作获取电脑鼠坐标信息，发送给模拟计分单元。

本发明有益效果：在增强电脑鼠的机动性的同时降低了电脑鼠成本，提高了信息回传能力和人机交互能力，解决PC上位机数据传输速度的瓶颈问题，实现了快速数据收发，能够直观显示电脑鼠迷宫地图，搜索情况，传感器数据，执行器状态等，专用的虚拟仿真实验环境，能够通过软件直接仿真电脑鼠的运行过程，开发人员不必使用电脑鼠硬件设备即可独立测试其顶层策略逻辑的工作性能，这极大的提高了开发的效率，降低了开发过程中硬件设备损耗。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的可视化的直流电脑鼠开发系统功能原理框图。

图2为本发明实施例所述的可视化的直流电脑鼠开发系统的电脑鼠设备运行流程示意图。

图3为本发明实施例所述的可视化的直流电脑鼠开发系统的电脑鼠设备电路原理图。

图4为本发明实施例所述的可视化直流电脑鼠开发系统的虚拟仿真试验模块功能流程图。

图5为本发明实施例所述的可视化直流电脑鼠开发系统的虚拟仿真试验模块功能原理框图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

本发明实施例1提供一种可视化直流电脑鼠开发系统，包括：

电脑鼠硬件设备、辅助调试设备和辅助调试上位机；所述电脑鼠硬件设备包括：传感器模块、执行器模块、处理器模块、调试接口模块、人机交互模块和通信接口模块；所述传感器模块、所述人机交互模块和所述执行器模块均连接所述处理器模块；所述调试接口模块、所述通信接口模块均与所述处理器模块相互通信连接；所述辅助调试设备包括：UART通信接口模块、SPI通信接口模块和无线通信模块；所述UART通信接口模块、所述SPI通信接口模块均与所述通信接口模块连接，所述UART通信接口模块、所述SPI通信接口模块均与所述无线通信模块。

所述辅助调试上位机包括：运行数据展示模块和虚拟仿真实验模块；所述运行数据展示模块连接所述无线通信模块；所述运行数据展示模块获取所述处理器模块的数据，同时通过可视化编程技术直接展现在PC机上；虚拟仿真实验模块允许用户脱离电脑鼠硬件设备的限制，以虚拟仿真的方式对电脑鼠顶层策略算法进行开发。

在本实施例1中，所述传感器模块包括：4路红外测距传感器、1路模拟陀螺仪传感器和2路独立的编码器测速模块。

在本实施例1中，所述执行器模块包括4路空心杯直流电机。

在本实施例1中，所述调试接口模块为SWD调试单片机接口。

在本实施例1中，所述虚拟仿真试验模块包括用户顶层策略算法开发单元、自定义迷宫单元、虚拟电脑鼠监控单元、模拟计分单元、可视化界面显示单元；

所述用户顶层策略算法开发单元将用户顶层策略算法的.c文件编译链接为用户顶层策略算法的.exe文件；并接收自定义迷宫单元的自定义迷宫数据获得虚拟电脑鼠执行动作；虚拟电脑鼠监控单元接收虚拟电脑鼠执行动作发送给可视化界面显示单元；可视化界面显示单元根据虚拟电脑鼠执行动作获取电脑鼠坐标信息，发送给模拟计分单元。

电脑鼠(所谓“电脑鼠”，英文名称Micromouse，是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能机器人的简称。它可以在规定标准的迷宫中自动寻找终点，记忆迷宫地图并识别到达终点的最短路径路径。)；直流电脑鼠(指使用直流电机作为动力来源的电脑鼠)；步进电脑鼠(指使用步进电机作为动力来源的电脑鼠)；开发系统(指电脑鼠设备使用者在进行软件开发时，所使用的电脑鼠硬件平台、电脑鼠辅助开发程序等模块的集合)。

实施例2

为了降低直流电脑鼠成本，提高直流电脑鼠的机动性和稳定性，增强电脑鼠的数据可视化能力，以此方便使用者进行开发学习，推动其在嵌入式教育领域的应用。本发明实施例2提供一种可视化的直流电脑鼠开发系统。

如图1所示，本实施例2所述的可视化的直流电脑鼠开发系统，包含：电脑鼠硬件设备，多功能调试设备，辅助调试上位机。其中电脑鼠硬件设备对常见电脑鼠开发方案进行改进，实现了降低成本的目的；改进传统方案的人机交互模块，使用多功能调试设备作为通信中间件，为电脑鼠硬件设备和PC端辅助调试上位机提供可靠的实时高速通信。

传感器模块包含：4路红外测距传感器，1路模拟陀螺仪传感器，2路独立的编码器测速模块；执行器模块包含：4路小型空心杯直流电机；调试接口模块包含：标准SWD调试单片机接口；人机交互模块：包含现有方案下常见的板载调试方式，具体为4路LED灯，1路按键；通信接口模块为主要创新点，包含1路UART通信接口，和1路SPI通信接口。其中通信接口模块与辅助调试设备相连，将嵌入式处理器模块中待观测的数据，以UART通信和SPI通信方式，发送给辅助调试设备。

辅助调试设备包含：UART通信接口模块，SPI通信接口模块，WIFI模块。本设备能够获取嵌入式处理器数据，并以WIFI局域网方式发送给PC端辅助调试上位机。

辅助调试上位机包含：运行数据展示模块，虚拟仿真实验模块。其中运行数据展示模块与辅助调试设备中的WIFI模块通信以间接获取电脑鼠硬件设备中嵌入式处理器的数据。同时通过可视化编程技术直接展现在PC机上，方便开发人员观察传感器等数据变化；虚拟仿真实验模块允许用户脱离电脑鼠硬件设备的限制，以虚拟仿真的方式对电脑鼠顶层策略算法进行开发。

如图2所示，为电脑鼠设备运行流程。用户通过修改“用户顶层策略算法”和“用户底层控制算法”对电脑鼠的搜索决策和运行控制进行开发。中断服务函数中的“SPI通信回传数据”功能，将全部传感器采集到的数据(4路红外测距传感器，1路模拟陀螺仪传感器，2路独立的编码器测速模块)，通过辅助调试设备回传给辅助调试上位机。

电脑鼠设备采用4个8520空心杯直流电机作为执行器，配有4路独立的H桥驱动电路，因此可以独立控制4个电机的扭矩输出。在电脑鼠运行过程中，用户可根据实际情况，动态调整各电机输出，以达到动态分配电机负载的功能，提高用户的开发自由度。如图3所示，为电脑鼠设备电路原理图。

采用4个小型空心杯电机作为执行器，用户可以动态调整分配电机负载情况；在电脑鼠硬件设备与电脑鼠调试设备之间采用SPI通信，电脑鼠调试设备与辅助调试上位机之间采用WIFI通信。在保证在电脑鼠正常运行的状态下实时监测电脑鼠有关运行数据；编写Windows应用程序电脑鼠专用PC上位机(可视化界面用于展示电脑鼠回传数据)，即辅助调试上位机中的运行数据展示模块(该模块还具备向电脑鼠发出命令以完成修改参数等辅助调试功能)；编写Windows应用程序电脑鼠虚拟仿真上位机，即辅助调试上位机中的“虚拟仿真实验模块”。能够使用户可以不受电脑鼠硬件设备的限制，快速开发测试电脑鼠顶层策略算法。

如图4所示，在“虚拟仿真实验模块”中，用户可以将自己的顶层策略算法打包为可执行文件并将其添加到上位机中，即可创建任意虚拟迷宫完成对订货顶层算法的仿真测试。该软件将电脑鼠动作执行函数以适当的形式进行可视化展示，实现对用户顶层算法代码的测试和显示功能。该软件通过运行用户提供的可执行文件，输出电脑鼠的动作序列，对电脑鼠虚拟运行状态进行相应监测(界面右侧的仿真动作分析，模拟计分系统等)。

如图5所示，通过用户加载的顶层策略算法可执行文件，虚拟仿真试验模块以虚拟电脑鼠监控线程为核心，不断读取用户自定义迷宫数据并将其传递给用户算法以获得虚拟电脑鼠执行动作。在将虚拟电脑鼠动作可视化的同时模拟积分系统根据电脑鼠所在坐标信息，刷新电脑鼠虚拟迷宫成绩。

综上所述，本发明实施例提供的直流电脑鼠开发系统，采用4个8520微型空心杯直流电机作为执行器。该电机体积与质量较小，输出力矩能满足电脑鼠运行要求。通过左右各附加1个独立的编码器测速模块的方式实现对电机转速的测量。采用4电机拖动的方式，左右侧各放置2个电机，用户可以动态分配两个电机的负载强度，开发自由度更高。

将电脑鼠设备与辅助调试设备直接连接，辅助调试设备以WIFI通信的方式与PC机进行数据交互，并在PC机上使用辅助调试上位机对参数进行显示和修改。该方案能实时显示多种传感器状态与参数配置，使用者能够十分便捷地通过上位机对参数进行。同时，具备图形化界面的专用上位机，能够直观反映传感器数据和状态。

在电脑鼠运行过程中，电脑鼠设备与辅助调试设备直接连接，辅助调试设备通过WIFI通信与PC机进行数据交互。该方案中，电脑鼠设备与辅助调试设备通过SPI协议进行通信，保证数据传输速率的同时不干扰电脑鼠的正常运行。同时，WIFI通信不受串口速率的限制，能够实现大量数据的交互任务。因此，该方案能在电脑鼠运行过程中实时回传电脑鼠传感器信息、执行器状态以及内部变量等信息。PC机中的运行数据展示模块，能够可视化的实时显示上述信息，帮助开发人员了解电脑鼠运行过程，提高了调试效率。

考虑到电脑鼠的“顶层决策算法”与“底层控制算法”均属于独立功能，因此可以拆分独立开发。顶层算法注重决策逻辑，因此不需要考虑底层动作的控制过程，可通过软件仿真的方式，不依赖于电脑鼠硬件设备直接模拟算法运行效果并对其进行评估。在辅助调试上位机中的“虚拟仿真实验模块”可以读取用户的顶层策略代码，并对其决策过程进行仿真显示，帮助用户快速发现算法问题，提高开发效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

为本领域的专业技术人员容易理解，以上所述仅为本发明专利的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围之内。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种可视化直流电脑鼠开发系统，其特征在于，包括：

电脑鼠硬件设备、辅助调试设备和辅助调试上位机；

所述电脑鼠硬件设备包括：传感器模块、执行器模块、处理器模块、调试接口模块、人机交互模块和通信接口模块；

所述传感器模块、所述人机交互模块和所述执行器模块均连接所述处理器模块；所述调试接口模块、所述通信接口模块均与所述处理器模块相互通信连接；

所述辅助调试设备包括：UART通信接口模块、SPI通信接口模块和无线通信模块；所述UART通信接口模块、所述SPI通信接口模块均与所述通信接口模块连接，所述UART通信接口模块、所述SPI通信接口模块均与所述无线通信模块；

所述辅助调试上位机包括：运行数据展示模块和虚拟仿真实验模块；所述运行数据展示模块连接所述无线通信模块；

所述运行数据展示模块获取所述处理器模块的数据，同时通过可视化编程技术直接展现在PC机上；虚拟仿真实验模块允许用户脱离电脑鼠硬件设备的限制，以虚拟仿真的方式对电脑鼠顶层策略算法进行开发。

2.根据权利要求1所述的可视化直流电脑鼠开发系统，其特征在于，所述传感器模块包括：4路红外测距传感器、1路模拟陀螺仪传感器和2路独立的编码器测速模块。

3.根据权利要求1所述的可视化直流电脑鼠开发系统，其特征在于，所述执行器模块包括4路空心杯直流电机。

4.根据权利要求1所述的可视化直流电脑鼠开发系统，其特征在于，所述调试接口模块为SWD调试单片机接口。

5.根据权利要求1所述的可视化直流电脑鼠开发系统，其特征在于，所述虚拟仿真试验模块包括用户顶层策略算法开发单元、自定义迷宫单元、虚拟电脑鼠监控单元、模拟计分单元、可视化界面显示单元；

所述用户顶层策略算法开发单元将用户顶层策略算法的.c文件编译链接为用户顶层策略算法的.exe文件；并接收自定义迷宫单元的自定义迷宫数据获得虚拟电脑鼠执行动作；虚拟电脑鼠监控单元接收虚拟电脑鼠执行动作发送给可视化界面显示单元；可视化界面显示单元根据虚拟电脑鼠执行动作获取电脑鼠坐标信息，发送给模拟计分单元。

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