基于STM32與DFS算法的電腦鼠的研究與設(shè)計(jì)

摘要：隨著人工智能與工業(yè)自動化的發(fā)展，機(jī)器人在各個領(lǐng)域的運(yùn)用愈發(fā)廣泛，自動化機(jī)器人逐漸代替人力已經(jīng)成為社會的發(fā)展趨勢。電腦鼠作為移動機(jī)器人的典型代表，涉及到運(yùn)動控制、傳感器、路徑規(guī)劃、機(jī)械設(shè)計(jì)等多個技術(shù)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)對當(dāng)前市面上流行的電腦鼠機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，通過改進(jìn)電腦鼠的整體結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，通過設(shè)計(jì)電腦鼠的運(yùn)動驅(qū)動方案、測距方案，并深入研究電腦鼠的運(yùn)動算法，并采用DFS 算法重新設(shè)計(jì)電腦鼠的路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)電腦鼠的最優(yōu)路徑規(guī)劃。并能夠通過上位機(jī)實(shí)時顯示電腦鼠的電池電壓、運(yùn)行模式、實(shí)時位置、方向等信息，并可對電腦鼠的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修改，以應(yīng)對不同環(huán)境下參數(shù)配置的需要，在一定程度上推進(jìn)了電腦鼠的在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：DFS；電腦鼠；PID；紅外傳感器；人工智能；上位機(jī)；藍(lán)牙

1 研究背景及意義

近年來，自動化機(jī)器人在智慧工業(yè)、智慧工地、智能家居等多個領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，而針對機(jī)器人的自動規(guī)劃路徑的研究，也變得更有必要。本設(shè)計(jì)以 STM32F103RCT6 單片機(jī)為主控制器，紅外傳感器為主要傳感器，結(jié)合深度優(yōu)先搜索算法 (depth-first-search, DFS) 算法，對電腦鼠機(jī)器人在其當(dāng)前所處環(huán)境（迷宮）中，探索最優(yōu)運(yùn)行路徑展開研究。

本設(shè)計(jì)的研究主要從以下幾個方面進(jìn)行。

（1）路徑規(guī)劃：一個好的算法可以使電腦鼠在迷宮中走最少的路線而找出迷宮的終點(diǎn)，所以，研究迷宮算法的過程中，需要對電腦鼠的路徑進(jìn)行規(guī)劃，而在現(xiàn)實(shí)生活中，比如工業(yè)機(jī)器人在不同的工作站運(yùn)送物料，就需要對路徑進(jìn)行規(guī)劃，減少運(yùn)動的軌跡，可以有效地延長機(jī)器人的使用壽命。

（2）智能避障：電腦鼠采用的紅外傳感器，通過發(fā)射紅外由墻壁反射再有紅外接收管接收，再由主控制器進(jìn)行 ADC 采集，計(jì)算出墻壁的距離。

（3）運(yùn)動控制：電腦鼠在迷宮中運(yùn)行時，需要時刻保持電腦鼠位置處于賽道的中間位置，這就需要對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行更加精確的控制。而在電腦鼠進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的過程中對轉(zhuǎn)速的要求則更加嚴(yán)格。

（4）運(yùn)動軌跡可視化：電腦鼠在運(yùn)行過程中，通過藍(lán)牙調(diào)試板與 PC 上位機(jī)進(jìn)行通信，電腦鼠實(shí)時上報(bào)當(dāng)前的狀態(tài)，包括電池電壓、運(yùn)動軌跡、當(dāng)前位置等信息。通過對運(yùn)行軌跡的分析，可以優(yōu)化出更好的算法，并且可以通過上位機(jī)對電腦鼠內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行修改。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 紅外發(fā)射電路

SFH4550 工作時的電流為 100 mA，所以串聯(lián) 50 Ω 電阻進(jìn)行限流，通過 NMOS 進(jìn)行驅(qū)動，該型號的 MOS 最大電流可達(dá)到 5 A，柵源極閾值電壓為 2.7 V，因此可以通過微控制器直接進(jìn)行控制。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、利于控制等優(yōu)點(diǎn)，紅外發(fā)射電路原理圖如圖 1。

2.2 紅外接收電路

TPS601A 在工作時，接收到對應(yīng)波長的紅外光束，形成到導(dǎo)通回路形成電流，通過電阻進(jìn)行分壓，并通過微控制器進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換將電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，根據(jù)電壓的高低，來獲取當(dāng)前電腦鼠與墻壁的距離。紅外接收電路原理圖如圖 2。

2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路采用的是 TB6612，該電機(jī)驅(qū)動芯片外圍電路設(shè)計(jì)簡單，僅需要兩個電容即可。內(nèi)部具有大電流的 MOSFET-H 橋結(jié)構(gòu)，并且是雙通道驅(qū)動，一個芯片可以驅(qū)動兩個電機(jī)，支持正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動、停止 4 種控制模式，同時內(nèi)部具有低壓保護(hù)電路與過熱停機(jī)保護(hù)電路。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖 3。

2.4 電池電壓采集電路

電腦鼠在運(yùn)行過程中，為防止電池電壓過低造成電池的過放電損壞電池，經(jīng)過查詢資料得知 8.4 V 的鋰電池組當(dāng)電壓小于 7.4 V 時就屬于虧電，所以采用了低電壓待機(jī)的方案，當(dāng)電壓小于 7.4 V 時啟動電腦鼠進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。分壓電阻將電池電壓調(diào)整到微控制器可以采集的范圍。原理圖如圖 4：

3 微控制器程序設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

在電腦鼠運(yùn)行過程中，電腦鼠不斷讀取紅外傳感器的數(shù)據(jù)，通過比例算法實(shí)時調(diào)整左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電腦鼠的位置始終保持在賽道的中間位置。

（2）直角轉(zhuǎn)彎：連續(xù)轉(zhuǎn)彎的控制比較復(fù)雜，需要對電腦鼠的左右輪行駛的距離和速度進(jìn)行精確的控制，連續(xù)轉(zhuǎn)彎時的運(yùn)行軌跡如下圖 5，經(jīng)過簡單計(jì)算可以得出內(nèi)外圈的長度比為 1:3.5，因此就需要內(nèi)圈與外圈的轉(zhuǎn)速比需要達(dá)到 1:3.5 才能在相同時的時間下經(jīng)過 90 度轉(zhuǎn)彎。

（3）原地掉頭：只需要控制電腦鼠左右輪向互斥方向轉(zhuǎn)動 180 度即可。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本程序的系統(tǒng)流程圖如圖 6，電腦鼠在上電的時候先對紅外傳感器，電機(jī)驅(qū)動等外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，判斷電池電壓是否正常，如果電池電壓過低進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)不啟動電腦鼠，如果電池電壓正常即進(jìn)入模式判斷，探索模式、固定路線、調(diào)試模式三種模式。

（1）探索模式：電腦鼠在探索模式下，不斷獲取紅外傳感器信息，在沒有發(fā)現(xiàn)路口的情況下保持直行的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)路口時首先會獲取當(dāng)前電腦鼠在迷宮中的坐標(biāo)信息，在進(jìn)行與目標(biāo)點(diǎn)的絕對位置計(jì)算，當(dāng)前進(jìn)一格后到終點(diǎn)的絕對位置小于轉(zhuǎn)彎后前進(jìn)一格到終點(diǎn)的絕對位置，那么程序判斷直行到達(dá)終點(diǎn)的代價會小于轉(zhuǎn)彎到終點(diǎn)的代價，執(zhí)行繼續(xù)前進(jìn)的指令。反之當(dāng)前進(jìn)一格后到終點(diǎn)的絕對位置大于轉(zhuǎn)彎后前進(jìn)一格到終點(diǎn)的絕對位置，那么程序判斷直行到達(dá)終點(diǎn)的代價會大于轉(zhuǎn)彎到終點(diǎn)的代價，執(zhí)行轉(zhuǎn)彎指令。直到到達(dá)終點(diǎn)，停止運(yùn)動，進(jìn)行 DFS 迷宮最短路徑解算，如圖 7。

（2）固定路線模式：在電腦鼠的比賽中是允許電腦鼠進(jìn)行多次測試的，當(dāng)在探索下當(dāng)電腦鼠到達(dá)了終點(diǎn)，并且經(jīng)過了 DFS 算法解算出最短路徑，此時的最短路徑信息會被保存在微控制器內(nèi)部的 Flash，做到掉電不丟失，中途更換電池也不會影響電腦鼠中儲存的最短路徑信息，程序流程如圖 8。

（3）調(diào)試模式：該模式主要用于電腦鼠的調(diào)試階段的程序參數(shù)的修改，在調(diào)試模式下電腦鼠是處在一個待機(jī)的狀態(tài)下的，不斷接收上位機(jī)發(fā)送的信息，解析出需要修改的信息，進(jìn)行指定數(shù)據(jù)的修改，在修改完成之后，返回一條修改好的數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)軟件，告訴上位機(jī)軟件修改后的數(shù)據(jù)，通過該模式可以大大提高電腦鼠的調(diào)試效率，免去了修改代碼、重新下載程序等的重復(fù)的步驟。調(diào)試模式程序流程圖如下圖 9。

（4）DFS 是一種用于遍歷或搜索樹或圖的算法，沿著樹的深度遍歷樹的節(jié)點(diǎn)，盡可能深的搜索樹的分支。而在電腦鼠到達(dá)終點(diǎn)時，電腦鼠在探索過程中的迷宮信息都將保留下來，將電腦鼠走過的軌跡創(chuàng)建為一個新的迷宮，將迷宮的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 DFS 算法中， DFS 的本質(zhì)就是窮舉法，DFS 開始遍歷迷宮的各分支找出一個最短的分支。并將分支的位置信息保存在 Flash 中，用于電腦鼠返回的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及再次沖刺時的數(shù)據(jù)導(dǎo)航。DFS 算法程序流程圖如下圖 10。

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的系統(tǒng)流程圖如圖 11，上位機(jī)在與電腦鼠進(jìn)行連接時需要選擇電腦鼠與電腦藍(lán)牙的端口以及波特率信息，當(dāng)電腦鼠與電腦建立起連接后，電腦鼠會不斷上傳電壓、運(yùn)行模式等狀態(tài)信息。在連接成功后并且電腦鼠處于調(diào)試模式時，上位機(jī)可以使用修改參數(shù)的功能，對電腦鼠的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。如果電腦鼠處于探索模式下，程序主窗口會實(shí)時顯示電腦鼠在迷宮的位置信息。

（1）主界面：主頁面的主要作用就是顯示運(yùn)行信息、通知信息、電腦鼠的實(shí)時位置，以及電腦鼠的串口連接設(shè)置、功能按鈕，如圖 12。

圖12 主界面設(shè)計(jì)

（2）修改參數(shù)：修改參數(shù)是為在調(diào)試電腦鼠的時候方便修改電腦鼠內(nèi)部的數(shù)據(jù)，如圖 13。

4 結(jié)語

電腦鼠是移動機(jī)器人領(lǐng)域的重要分支，傳統(tǒng)的電腦鼠運(yùn)行速度、穩(wěn)定性都比較差，并且大多數(shù)采用數(shù)字紅外傳感器技術(shù)來判斷電腦鼠周圍的環(huán)境，迷宮的解算算法也比較落后。本設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)電腦鼠的明顯的弊端，深入研究電腦鼠的紅外布局、運(yùn)動控制、紅外測距、硬件設(shè)計(jì)等，并最終完成了電腦鼠的設(shè)計(jì)。主要研究成果如下：

（1）改進(jìn)了紅外傳感器的布局，并采用了高聚集的紅外發(fā)射管和紅外接收管，使電腦鼠采集的數(shù)據(jù)更加靈敏、準(zhǔn)確、快速；

（2）改進(jìn)了傳統(tǒng)電腦鼠的控制方案，采用編碼電機(jī)實(shí)現(xiàn)了電腦鼠的速度、位置雙閉環(huán)控制器，對行駛中的電腦鼠速度、位置進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，設(shè)計(jì)出電腦鼠的連續(xù)轉(zhuǎn)彎機(jī)制，該轉(zhuǎn)彎方式可以顯著提高電腦鼠的在轉(zhuǎn)彎時所用的時間；

（3）改進(jìn)了傳統(tǒng)電腦鼠的調(diào)參過程，傳統(tǒng)電腦鼠的調(diào)參需要修改代碼重新下載程序，非常麻煩。特別是當(dāng)?shù)竭_(dá)一個新的比賽環(huán)境，這樣的方式就顯得不是很高效，而采用了上位機(jī)的方式來調(diào)節(jié)參數(shù)就不會有這種麻煩，修改參數(shù)只有將需要修改的數(shù)值填上，即可實(shí)現(xiàn)一鍵對電腦鼠的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改；

（4）改進(jìn)了電腦鼠的迷宮解算算法，實(shí)現(xiàn)了 DFS 算法與電腦鼠的結(jié)合，大大提高了電腦鼠解算迷宮的準(zhǔn)確性。

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（注：本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）