CN204086988U - 一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统 - Google Patents

Abstract

一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，在电路主板后端的下方安装有电池，对称设置的第一支撑架和第二支撑架，及对称设置的两个直流电机；第一支撑架的内侧与第一直流电机相连，第一支撑架的外侧与第一对轮胎相连，且第一直流电机用于驱动第一对轮胎，第二支撑架的内侧与第二直流电机相连，第二支撑架外侧与第二对轮胎相连，且第二直流电机用于驱动第二对轮胎；在电路主板前端的上方安装有无线通讯装置、电源开关、控制器以及对称设置的四组红外发射接收管，每组红外发射接收管包括一个红外发射管和一个红外接收管，控制器分别与电池、两个直流电机、红外发射管、红外接收管、无线通讯装置和电源开关相连接。本实用新型用于研究机器人求解迷宫问题。

Description

一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统

【技术领域】

本实用新型属于微型机器人技术领域，具体涉及一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统。 

【背景技术】

在地震、火灾、坍塌等灾难事故中，为了降低人力救援存在的困难度和危险性，使用具有感知、分析和决策能力的机器人代替人类从事救援活动有着极大的应用意义。由于事故现场环境的未知性和复杂性，可将救援环境抽象为一个单入最短通路型(Single Source Shortest Path,S3P)的迷宫，从救援环境中找到最优路径，即可转化为机器人对迷宫的求解问题。因此，使用一个抽象的迷宫环境，研究微型机器人的控制及算法，具有重要的应用价值。 

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于针对传统两轮机器鼠机械结构不稳定问题，提供了一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其采用一种可为机器鼠运动提供足够摩擦力的四轮结构；采用光电管作为环境采集传感器，实现机器鼠对迷宫环境的感知，采用STM32F103RE作为控制单元，实现机器鼠对环境信息的分析和其在迷宫中的运动控制。采用陀螺仪和磁式编码器作为位置检测传感器，实现机器鼠的位置信息反馈。 

为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案： 

一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，包括电路主板，四组红外发射接收管，两个独立驱动的第一直流电机、第二直流电机，两对轮胎以及一个无线通讯装置；其中，在电路主板后端的下方安装有电池，对称设置的第一支撑架和 第二支撑架，以及对称设置的第一直流电机和第二直流电机，第一支撑架的内侧与第一直流电机相连，第一支撑架的外侧与第一对轮胎相连，且第一直流电机输出轴上的第一主齿轮与第一对轮胎传动轴上的减速齿轮外啮合，第二支撑架的内侧与第二直流电机相连，第二支撑架外侧与第二对轮胎相连，且第二直流电机输出轴上的第二主齿轮与第二对轮胎传动轴上的减速齿轮外啮合；在电路主板前端的上方安装有无线通讯装置、电源开关、控制器以及对称设置的四组红外发射接收管，每组红外发射接收管包括一个红外发射管和一个红外接收管，控制器分别与电池、第一直流电机、第二直流电机、红外发射管、红外接收管、无线通讯装置和电源开关相连接。 

本实用新型进一步改进在于：控制器选用型号为STM32F103RE的微控制器。 

本实用新型进一步改进在于：电路主板上还设置有用于反馈迷宫机器鼠位置信息的陀螺仪和磁式编码器，且陀螺仪和磁式编码器分别与控制器相连接。 

本实用新型进一步改进在于：陀螺仪选用Analog Devices公司生产的ADXRS610角速率传感器。 

本实用新型进一步改进在于：磁式编码器采用第一直流电机和第二直流电机自带的磁式编码器IE2-512作为线速度检测传感器。 

本实用新型进一步改进在于：第一直流电机和第二直流电机选用FAULHABER1519空心杯直流电机。 

本实用新型进一步改进在于：无线通讯装置选用型号为NRF24L01的无线通信模块。 

本实用新型进一步改进在于：红外发射管选用SFH4511红外发射管，红外接收管选用TEFT4300红外接收管。 

本实用新型进一步改进在于：第一直流电机、第二直流电机分别与芯片ZXMHC3A01T8相连，该芯片ZXMHC3A01T8集成了两个P沟道和两个N沟道的MOSFET。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果： 

本实用新型的研究基于电脑鼠走迷宫竞赛的迷宫环境，该迷宫地图由16行×16列共256个18cm×18cm单元格组成。 

迷宫机器鼠运动性能分析 

本实用新型采用四轮结构设计，增加了迷宫机器鼠的摩擦力，使得机器鼠的加速性能得到很大改善，同时采用直流电机和高度集成的电路设计方法，使得机器人具有重心低，质量轻的特点，从而提高了机器人的最高速度。下表给出了采用步进电机作为执行单元的传统设计方法和本实用新型所述方法的迷宫机器鼠的运动参数对比。由下表可知，本实用新型所述机械结构具有更好的运动性能。 

迷宫机器鼠运行结果 

选取5组IEEE标准电脑鼠走迷宫竞赛的迷宫进行实际运行，使用深度优先搜寻算法，分别使用传统迷宫机器人和本实用新型所述迷宫机器人，测试机器人搜索到路径并返回的时间。运行结果如下表所示。由此可知，本实用新型所述方案具有更快的搜索速度。如果进一步优化搜索算法，规划出折线少、转折角度小的路径可以进一步发挥本实用新型所述迷宫机器鼠的运动优势。 

综上所述，本实用新型一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，可用于研究机器人求解迷宫问题。为解决迷宫机器鼠两轮导致机械摩擦力不足问题，提供一种四轮结构，可为机器鼠运动提供足够的摩擦力。为减轻机器人重量，提高系统灵活性，提供了一种高集成度的电路设计方案，使迷宫机器鼠具有了重心低，速度快，运行稳定的特点。 

【附图说明】

图1为迷宫机器鼠机械结构示意图； 

图2为迷宫机器鼠硬件框图； 

图3为控制系统总体软件流程图； 

图4为H桥驱动电路结构图； 

图5为迷宫机器鼠光电管布局示意图； 

图6为红外管开关和ADC转换时序示意图； 

图7为无线调试平台示意图。 

图中：1为电路主板，201为红外发射管，202为红外接收管，3为无线通讯装置，4为电源开关，5为控制器，601为第一对轮胎，602为第二对轮胎，701为第一主齿轮，702为第二主齿轮，801为第一支撑架，802为第二支撑架，901为第一直流电机，902为第二直流电机，10为电池。 

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。 

迷宫机器鼠就是一种由微处理器、探测器、驱动电机等构成的，集感知、分析、决策、行走等多种功能于一体的微型移动机器人，可在迷宫中自动感知、记忆分析迷宫地图，在规定时间内通过一定的智能算法寻找一条无碰撞的最优路径，以最快的速度从起点冲刺到终点，它可作为机器人求解迷宫的实验平台。 

一只迷宫机器鼠是具有机电知识整合的基本架构，要在指定的迷宫中运行，应具有良好的行走能力和精巧的身体结构。根据物理分析，为了提高过弯的速度与稳定性，机械设计应遵循重量轻、重心低、抓地力大的原则。为了降低迷宫机器鼠的整体重量，在元器件选型时不仅要选择重量轻封装小的元器件，而且还要考虑迷宫机器鼠的整体功耗，由于迷宫机器鼠是自带电源供电，功耗的增加意味着需要更大容量的电源，这样也会增加迷宫机器鼠的重量。作为迷宫机器鼠的四肢，电机的选择尤为重要，目前常用的有步进电机和直流电机。步进电机控制容易，直流电机使迷宫机器鼠控制更加灵敏。从功耗及重量两方面考虑，直流电机更适合作为迷宫机器鼠的执行元件，不过设计时需要较高的机械精度及控制精度。身材娇小的迷宫机器鼠在迷宫中会更加灵活，有更大的空间用于完成转弯与姿态校正。一般迷宫机器鼠采用带有第三个接触点的两轮居中的差速驱动结构，在该结构中，前后接触点仅起支撑作用，两个电机独立驱动两轮。该机构结构简单、便于控制，不过在做较大加速度的加速运动时两个轮子的结构提供不了足够的摩擦力，使得迷宫机器鼠不能按照预期轨迹运动，因此这种两个轮子的结构限制了迷宫机器鼠的最大加速度。 

参见图1，本实用新型一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，包括电路主板1，四组红外发射接收管，两个独立驱动的第一直流电机901、第二直流电机902，两对轮胎以及一个无线通讯装置3；其中，在电路主板1后端的下方安装有电池 10，对称设置的第一支撑架801和第二支撑架802，以及对称设置的第一直流电机901和第二直流电机902，第一支撑架801的内侧与第一直流电机901相连，第一支撑架801的外侧与第一对轮胎601相连，且第一直流电机901输出轴上的第一主齿轮701与第一对轮胎601传动轴上的减速齿轮外啮合，第二支撑架802的内侧与第二直流电机902相连，第二支撑架802外侧与第二对轮胎602相连，且第二直流电机902输出轴上的第二主齿轮702与第二对轮胎602传动轴上的减速齿轮外啮合；在电路主板1前端的上方安装有无线通讯装置3、电源开关4、控制器5以及对称设置的四组红外发射接收管，每组红外发射接收管包括一个红外发射管201和一个红外接收管202，控制器5分别与电池、第一直流电机901、第二直流电机902、红外发射管201、红外接收管202、无线通讯装置3和电源开关4相连接。 

其中，控制器5选用型号为STM32F103RE的微控制器。 

进一步地，电路主板1上还设置有用于反馈迷宫机器鼠位置信息的陀螺仪和磁式编码器，且陀螺仪和磁式编码器分别与控制器5相连接。 

为了对本实用新型进一步了解，现对其工作过程做一说明。 

工作时，由四组红外发射接收管检测墙壁信息，传送到控制器5，控制器5对环境信息进行分析运算后得到运动控制命令，发送给对称的第一直流电机901和第二直流电机902，第一直流电机901带动第一对轮胎601转动，第二直流电机902带动第二对轮胎602转动，磁式编码器将第一直流电机901和第二直流电机902的速度反馈给控制器5，进行速度闭环控制，从而完成迷宫机器鼠在迷宫中的运动。 

进一步地，使用陀螺仪对迷宫机器鼠在迷宫中的位置进行校正。使用无线通讯装置3与PC上位机进行通讯，实时监测迷宫机器鼠的内部状态。 

实施例： 

1.迷宫机器鼠机械设计 

本实用新型最大加速度为9m/s₂，最高速度3m/s，设计最大重量120g，车轮直径为25mm，根据机器鼠机械及运动参数选取电机，设计机械传动结构。 

1.1电机选取 

根据上述参数理论计算如下： 

所需最大功率为0.12kg×9m/s²×3m/s＝3.24w，则单个电机需求为3.24w/2＝1.62w。 

提供所需加速度需要的力为0.12kg×9m/s²＝1.08N。 

每一个电机所需力矩为(1.08N×12.5mm)/2＝6.75mNm。 

电机所需转速为3000mm/s/(π×25mm/转)＝38.2转/s＝2292rpm 

根据以上理论分析，选择FAULHABER1519空心杯电机，其额定电压下可以输出功率为1.88w，最大力矩为7.12mNm，最高转速为10100转。 

1.2机械结构设计 

驱动迷宫机器鼠前进的力主要取决于电机的驱动力和轮胎的摩擦力，所以为了避免迷宫机器鼠运行时出现滑动的现象，必须要求机器鼠轮胎提供的摩擦力必须大于电机产生的驱动力。因此，在机械结构设计时要选择摩擦系数大的轮胎，并且尽可能增大轮胎与地面的接触面积。本实用新型中采用图1所示的四轮结构，该结构不需要第三个接触点，可以使运动更顺滑，并且可以提供很大的摩擦力。 

迷宫机器鼠的传动机构较为简单，本实用新型采用一级减速结构，通过电机轴上的小齿数齿轮与轮胎上的大齿数齿轮相切，从而获得迷宫机器鼠前进时所需的力矩。由于采用四轮结构，因此需要根据轮胎直径和速度力矩曲线进行 齿轮设计。综合考虑迷宫机器鼠尺寸限制，最终选择采用齿轮模数为0.5模，减速比为40比12的塑齿，两齿轮中心距为13mm，满足要求。 

1.3迷宫机器鼠整体外观 

最终迷宫机器鼠机械设计参数如下表所示。车体的机械外观示意图如图1所示。 

2.系统硬件设计 

迷宫机器鼠的硬件结构如图2所示。系统包括控制模块、传感器模块、驱动及执行模块、调试相关模块。系统的微控制器为STM32F103RE；传感器模块包括4组红外线发射接收传感器，用于检测墙壁信息以及校正运动时位置的误差。1个单轴陀螺仪，用来控制迷宫机器鼠的角速度；驱动及执行模块包括2组H型全桥驱动，可实现电机的正反转，FAULHABER空心杯直流电机，自带磁式编码器用来获取电机的位置与转速信息；调试相关模块包括1个NRF24L01无线通信模块，主机可通过其获得迷宫机器鼠内部信息以及对迷宫机器鼠进行参数设，3个按键及5个LED指示灯组成，用来切换并显示不同的模式。 

2.1控制模块 

系统控制模块由微控制器STM32f103RE实现，系统上电后，根据软硬件初 始化数据，执行迷宫算法，得到初始运动方向，根据运动方向确定基本动作，然后执行运动控制，当完成一个基本动作后，重新检测环境信息，更新迷宫地图，根据迷宫算法进入新一迷宫格，如此循环，直到找到最优路径。机器人运行过程中，在系统中断中由运动参数生成运动曲线，进而对机器人进行实时控制。由于系统容易受到外界扰动，因此在控制时使用陀螺仪和光电管的检测数据对迷宫机器鼠的位置进行校正。系统流程如图3所示。 

2.2驱动及执行模块 

采用全桥结构对直流电机进行驱动，选用芯片ZXMHC3A01T8实现全桥电路，它集成了两个P沟道和两个N沟道的MOSFET，单个芯片即可实现直流电机的正反转。由于机器鼠的微控制器选用3.3V的供电系统，而全桥电路使用的电压为电源电压，所以需要一个MOSFET驱动器MAX4427来驱动全桥电路。MAX4427是一个高速的MOSFET驱动器，它可以驱动TTL/CMOS电平至高电压/大电流输出，最大输出电流可至1.5A。电路结构如图4所示。 

2.3传感器模块 

2.3.1环境检测传感器 

分别选用SFH4511红外发射管和TEFT4300红外接收管作为环境检测传感器，其波长为940nm。在迷宫机器鼠运行时，通过红外发射管发射红外光，由红外接收管接收由迷宫墙壁反射回来的红外光，距离迷宫墙壁越近，接收到的光强越大，反之，接收到的光强越小。由于距离障碍物的距离与光强之间存在一定关系，因此，可以根据接收光强判断迷宫机器鼠与迷宫墙壁的距离，从而确定迷宫机器鼠所处的环境位置。 

测距原理 

由接收管的参数特性可知，TEFT4300红外接收管接收到的光强度的对数值 与导通电流的对数值呈一次线性关系，则可得出光强度与导通电流的数学关系式为 

$\frac{\lg I_{\mathrm{ca}}-\lg 0.06}{\lg E_e-\lg 0.02}=\frac{\lg 0.6-\lg 0.06}{\lg 0.2-\lg 0.02}\⇒\lg I_{\mathrm{ca}}=\lg E_e+0.48$

其中：I_ca为导通电流，E_e为接收到的光强度，由I-V转换关系，可得ADC量测的电压值与墙壁距离值的关系： 

$V_{R_2}=R_2\×I_{\mathrm{ca}}\⇒V_{R_2}=R_2\×{10}^{\log E_e+0.48}$

其中：R₂为I-V转换电阻值，对上式左右取对数值，可得 

$\log V_{R_2}=\log R_2+\log E_e+0.48$

由放射管参数可知，当红外发射传感器的发射强度固定时，红外线反射回的光强度与墙壁距离r的平方成反比。又因为红外接收管接的是墙壁反射回的红外光，因此，接收到的光强还与墙壁的反射率α有关。设红外发射管发射的光强为A，则红外接收管接收到的光强可表示为E_e＝Αα/(r²) 

代入上式，得ADC量测的电压值与墙壁距离值的直接关系式 

$\log V_{R_2}=0.48+\log R_2+\log A+\log \mathrm{\α}-2\log r$

即 

$\log V_{R_2}=a\log r+b$

其中：b值与墙壁的反射率、R₂的阻值和SFH4511红外发射管的发射强度有关，a值与墙壁的反射率有关。a、b值可以通过对一对红外发射、接收传感器测得的距离值与电压值数据进行最小二乘法求解确定。得到a，b值后，即可通过红外接收传感器输出的电压值计算得到迷宫机器鼠与墙壁的距离值。 

光电管布局 

本实用新型所述迷宫机器鼠具有四组红外传感器，其墙壁检测模型如图5所示(图中虚线框内为任意单元栅格区域，黑色边界表示单元栅格的墙壁)，在 每个栅格单元入口处发射红外光束进行扫描，当红外光束碰到墙壁时，返回墙壁到机器人中心的距离d_i。如果d_i小于一定范围，说明该红外光束对应的方向上存在墙壁。为避免红外发射管之间产生干扰，采用交叉调制的方法，红外管发光时序图如图6所示。 

2.3.2角速率传感器 

迷宫机器鼠在高速过弯时，有可能会因为重心转移或是因为灰尘而造成轮胎打滑，导致转向过度，从而造成碰撞，因此设计中采用陀螺仪对迷宫机器鼠进行姿态校正。本实用新型选用Analog Devices公司生产的ADXRS610角速率传感器，ADXRS610是一款功能完备、成本低廉的Z轴(偏航角)角速率传感器，角度量测范围为±900°/s。 

实际中，由于环境温度、陀螺仪个体特性等原因，其实际输出的零点电压值并不一定。所以在使用时，先对陀螺仪的零点电压值进行了校正。通过对静止不动的迷宫机器鼠陀螺仪输出的电压值进行采样，对采样的电压值求和取平均，从而实现陀螺仪的零点电压值的校正。 

参照芯片手册，ADXRS610角速率传感器的典型比率值为6mV/°/sec，为获得更准确的比率值，本实用新型使用由步进电机构成的简易的转台设备对陀螺仪的比率值进行了校正。通过控制输入步进电机的PWM脉冲频率，改变步进电机旋转的角速度，测量不同角速度下陀螺仪的输出电压值，从而确定陀螺仪的比率值。 

2.3.3线速度传感器 

采用直流电机自带的磁式编码器IE2-512作为线速度检测传感器，型号IE2-512指的是该磁式编码器的特性，即电机转一圈，该编码器可输出2路分别含512个脉冲信号的脉冲波。微控制器STM32f103RE的通用定时器模块内有增 量式编码器接口模式，并且支持滤波器功能。所以本实用新型在测速上使用了2个TIM模块的四个输入通道，四个通道分别连接左右电机磁式编码器的A相信号与B相信号，以及右电机磁式编码器的A相信号与B相信号。具体电路连接上较为简单，只需将编码器输出信号接至微控制器的TIM2与TIM4的通道上。 

通过提高编码器的解析度，使得编码器的分辨率由原来的512变为512×4＝2048。据此，电机转一圈，微控制器将获得2048个脉冲信号。则测速单位值为2048(count/rev)。假设迷宫机器鼠齿轮比为3:1，轮子直径为25mm，则电机转一圈，车轮转1/3圈，轮子向前前进的距离值就为1/3×25πmm。因此，可以得到编码器计数值与迷宫机器鼠前进距离值的转换系数： 

$2048(\mathrm{count}/\mathrm{rev})=2048(\mathrm{count}/1/3\×25\mathrm{\πmm})\⇒78.23(\mathrm{count}/\mathrm{mm})$

则依据编码器的count数就可以算得迷宫机器鼠前进的距离值，从而推断出迷宫机器鼠迷宫机器鼠的速度值(mm/s)。 

实际上，由于微控制器的计算误差，以及机械上齿轮咬合程度不同，转换系数的真实值与理论计算值有所差异，因此需要通过实际测试校正转换系数，采用的方法是通过在程序里设置让迷宫机器鼠以恒定速度前进360mm，然后实际测量迷宫机器鼠真实前进的距离值，从而对转换系数进行校正。 

2.4人机交互模块 

为提供更直观的运行数据，获得机器鼠在迷宫中的实时信息，在电路设计时增加了无线收发模块接口。无线收发模块采用的是NRF24L01模块。NRF24L01无线模块的核心是NRF24L01芯片，NRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信，无线通信速度可以达到2M(bps)。 

无线调试平台系统如图7所示，迷宫机器鼠作为下位机，使用STM32F103VE 作为主控芯片的无线数据接收卡通过USART异步串行接口与上位机相连，发送内部实时状态。在PC端运行显示与控制软件，实时显示机器鼠信息。 

Claims (9)

1.一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：包括电路主板(1)，四组红外发射接收管，两个独立驱动的第一直流电机(901)、第二直流电机(902)，两对轮胎以及一个无线通讯装置(3)；其中，在电路主板(1)后端的下方安装有电池(10)，对称设置的第一支撑架(801)和第二支撑架(802)，以及对称设置的第一直流电机(901)和第二直流电机(902)，第一支撑架(801)的内侧与第一直流电机(901)相连，第一支撑架(801)的外侧与第一对轮胎(601)相连，且第一直流电机(901)输出轴上的第一主齿轮(701)与第一对轮胎(601)传动轴上的减速齿轮外啮合，第二支撑架(802)的内侧与第二直流电机(902)相连，第二支撑架(802)外侧与第二对轮胎(602)相连，且第二直流电机(902)输出轴上的第二主齿轮(702)与第二对轮胎(602)传动轴上的减速齿轮外啮合；在电路主板(1)前端的上方安装有无线通讯装置(3)、电源开关(4)、控制器(5)以及对称设置的四组红外发射接收管，每组红外发射接收管包括一个红外发射管(201)和一个红外接收管(202)，控制器(5)分别与电池、第一直流电机(901)、第二直流电机(902)、红外发射管(201)、红外接收管(202)、无线通讯装置(3)和电源开关(4)相连接。 

2.根据权利要求1所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：控制器(5)选用型号为STM32F103RE的微控制器。 

3.根据权利要求1所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：电路主板(1)上还设置有用于反馈迷宫机器鼠位置信息的陀螺仪和磁式编码器，且陀螺仪和磁式编码器分别与控制器(5)相连接。 

4.根据权利要求3所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：陀螺仪选用Analog Devices公司生产的ADXRS610角速率传感器。 

5.根据权利要求3所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在 于：磁式编码器采用第一直流电机(901)和第二直流电机(902)自带的磁式编码器IE2-512作为线速度检测传感器。 

6.根据权利要求1所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：第一直流电机(901)和第二直流电机(902)选用FAULHABER1519空心杯直流电机。 

7.根据权利要求1所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：无线通讯装置(3)选用型号为NRF24L01的无线通信模块。 

8.根据权利要求1所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：红外发射管(201)选用SFH4511红外发射管，红外接收管(202)选用TEFT4300红外接收管。 

9.根据权利要求1所述的一种用于迷宫解算的迷宫机器鼠系统，其特征在于：第一直流电机(901)、第二直流电机(902)分别与芯片ZXMHC3A01T8相连，该芯片ZXMHC3A01T8集成了两个P沟道和两个N沟道的MOSFET。