基于ARM的電腦鼠走迷宮的研究

摘要：目標(biāo)是設(shè)計(jì)制作集傳感器與控制于一體的，能夠自動(dòng)穿越迷宮的電腦鼠。該電腦鼠結(jié)合了模擬電路、數(shù)字電路，自動(dòng)控制理論等相關(guān)專業(yè)知識(shí)。提出將模塊化方法應(yīng)用于系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)，不僅提高了軟硬件開發(fā)效率，而且提高了軟硬件在實(shí)驗(yàn)及檢修過(guò)程中的可維護(hù)性、可升級(jí)性。這里設(shè)計(jì)的電腦鼠能在迷宮中搜索路徑，走出迷宮，并能實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：電腦鼠；嵌入式；ARM；迷宮路徑優(yōu)化

0 引言
電腦鼠(Micromouse)是智能機(jī)電鼠的簡(jiǎn)稱，是一個(gè)由微處理器控制的集探測(cè)、分析、行走功能于一體，能夠自動(dòng)搜索最佳路徑到達(dá)目的地的微型機(jī)器人。實(shí)際上電腦鼠就是一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)小車，而這個(gè)電動(dòng)小車是由一個(gè)或多個(gè)微控制器來(lái)控制，通過(guò)傳感器和其他各功能器件的配合，具備一定的智能。同時(shí)，電腦鼠需擁有探測(cè)障礙物、行走、轉(zhuǎn)彎、加減速和制動(dòng)等基本功能。
本文是以“IEEE國(guó)際電腦鼠競(jìng)賽”為背景，以美國(guó)Luminary Micro公司生產(chǎn)的ARM CortexM3內(nèi)核的ARM處理器LM3S615為主控制器，控制和檢測(cè)紅外傳感器；微控制器根據(jù)檢測(cè)到的傳感信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)整行走，按照載入搜索算法進(jìn)行迷宮的探測(cè)，尋找最短路徑，最終實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的沖刺。

1 電腦鼠系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可以大致分為以下主要部分：電源模塊，控制模塊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，傳感器模塊，機(jī)身模塊?？梢宰鲂蜗蟮谋扔鳎弘娫茨K是電腦鼠的葡萄糖，控制模塊是電腦鼠的大腦，傳感器模塊是電腦鼠的眼睛，機(jī)身模塊是電腦鼠的軀干，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電腦鼠的腿；各模塊之間相互配合使電腦鼠正常工作并尋找到終點(diǎn)。

2 電腦鼠硬件研究與實(shí)現(xiàn)
2．1 電腦鼠硬件設(shè)計(jì)原理
本文研究的電腦鼠是一個(gè)跨學(xué)科的綜合作品，主要由電源、傳感器、步進(jìn)電機(jī)、控制核心電路、機(jī)身5個(gè)部分組成，如圖1所示。所以，電腦鼠的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源模塊、微控制器單元模塊、傳感器模塊、電機(jī)控制模塊4個(gè)部分的設(shè)計(jì)。其中LM3S615微控制器是電腦鼠的核心，通過(guò)檢測(cè)到的傳感器信號(hào)，結(jié)合載入的搜索算法，控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電腦鼠在迷宮中的行走。
2．2 電源模塊
電源模塊包括供電電池和電壓調(diào)節(jié)電路。供電電池為2 200 mAh，7．4 V的可充電鋰電池。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓由電源直接供給；LM3S615微控制器需3．3 V電壓供電，電壓調(diào)節(jié)電路采用Exar公司生產(chǎn)的SPX1117M3-3．3芯片將電源電壓穩(wěn)至3．3V；電腦鼠所使用的紅外線傳感器工作電壓為5 V，升壓芯片采用Exar公司生產(chǎn)的SP6641A將已經(jīng)較為穩(wěn)定的3．3 V電壓升至5 V。
2．3 微控制器單元模塊
本文采用美國(guó)Luminary Micro公司生產(chǎn)的CorteX-M3內(nèi)核的ARM處理器LM3S615，該芯片具有32位RISC性能，具備32 KB單周期FLASH，8 KB單周期SRAM，29個(gè)中斷，帶8個(gè)優(yōu)先級(jí)。微控制器模塊和其他模塊共同構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)路程信號(hào)、岔口信號(hào)和姿勢(shì)修正信號(hào)的檢測(cè)，經(jīng)由LM3S615進(jìn)行運(yùn)算，再將結(jié)果賦給電機(jī)執(zhí)行，由此實(shí)現(xiàn)電腦鼠的智能穿越迷宮。