“U轉(zhuǎn)法”在基于STM32的微電腦鼠迷宮探索中的應(yīng)用

0 引言

微電腦鼠本質(zhì)上就是個(gè)微小的智能機(jī)器人，個(gè)子只有鼠標(biāo)的大小，有著4 個(gè)小輪子，依靠微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件，能夠直行、轉(zhuǎn)彎、后退、加速、減速、避障等十分靈活自由地行走。如果把它放置在一個(gè)由許多圍墻和死胡同構(gòu)成的迷宮中，通過微電腦鼠上各種傳感器的測量、分析、比較，能夠正確地探索周圍的環(huán)境并自動(dòng)記憶，依靠人工智能算法自主判斷選擇合適的路徑，控制著輪子行走的方向和速度，從而保證用最少的時(shí)間快速到達(dá)預(yù)先設(shè)定的目的地^[1-4]。因此，一只優(yōu)秀的微電腦鼠需要具有環(huán)境感知能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)分析處理功能強(qiáng)、探索算法智能、響應(yīng)快速、沖刺高速、行走精確、控制自如等特點(diǎn)。一只完整的電腦鼠應(yīng)該包括微處理器系統(tǒng)、傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、智能算法等幾個(gè)部分，如果微電腦鼠想用最短的時(shí)間到達(dá)預(yù)定的目標(biāo)，那么，其必須對(duì)迷宮進(jìn)行有效的探索，對(duì)路徑進(jìn)行最佳的規(guī)劃，在硬件結(jié)構(gòu)和功能區(qū)別不大的情況下，最佳的判斷、選擇最優(yōu)的路徑就意味著耗用最少的時(shí)間，因此，一個(gè)智能算法就是微電腦鼠在比賽中獲得成功的核心要素之一。

迷宮時(shí)間是評(píng)判微電腦鼠是否優(yōu)秀的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，迷宮時(shí)間的長短在相當(dāng)程度上取決于智能算法，算法對(duì)微電腦鼠的重要性不言而喻。一種優(yōu)秀的算法，能夠使微電腦鼠在迷宮探索中，找到一條最短的路徑，并在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地。

早期的迷宮一般是木制材料制成，為一個(gè)正方形，尺寸是18 cm×18 cm，內(nèi)部分成16×16 格。隨著集成電路技術(shù)、現(xiàn)代傳感與測量技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)和AI 算法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，迷宮的尺寸變成了9 cm×9 cm，內(nèi)部分成了32×32 格，即1 024 個(gè)小格子，如圖1 所示，不難看出，新的迷宮有更多的岔路和死胡同，周圍的環(huán)境變得更加復(fù)雜，任務(wù)的完成變得更加具有挑戰(zhàn)性，在相當(dāng)程度上增加了微電腦鼠到達(dá)目的地的難度。

圖1 迷宮二維結(jié)構(gòu)

將微電腦鼠放置在迷宮左下角的起點(diǎn)，坐標(biāo)（0，0）的位置，打開微電腦鼠的電源開關(guān)，微電腦鼠將全程獨(dú)立自主地到達(dá)終點(diǎn)。在這個(gè)過程中，微電腦鼠身上的傳感器類似它的“眼睛”，用來準(zhǔn)確獲取周圍的環(huán)境信息并傳輸給微處理器；微處理器類似它的“大腦”，需要迅速進(jìn)行信息處理并作出準(zhǔn)確判斷，通過各種智能算法，在最短的時(shí)間內(nèi)、正確地解開由1 024 個(gè)迷宮格組成的復(fù)雜迷宮，尋找到預(yù)設(shè)的目標(biāo)位置，快速找到1 條從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的最佳路徑，然后以最合理的速度、在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)位置。值得注意的是，微電腦鼠在迷宮探索過程中應(yīng)隨時(shí)觀察周圍環(huán)境，獲取自身的位置信息以及周圍擋墻的環(huán)境信息，并實(shí)時(shí)將信息傳遞給微處理器，便于其及時(shí)處理和判斷，同時(shí)向控制器發(fā)出指令，控制器根據(jù)指令參數(shù)來不斷執(zhí)行前進(jìn)/ 后退、加速/ 減速、左轉(zhuǎn)/ 右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)控制，使其按照選擇的規(guī)劃路徑和適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)參數(shù)探索行走。1 只優(yōu)秀的微電腦鼠必須具有良好的運(yùn)動(dòng)控制能力、周圍環(huán)境的感知能力、信息的判斷和處理能力，以及優(yōu)秀的路徑算法，迷宮時(shí)間是其中一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，迷宮時(shí)間的長短在相當(dāng)程度上取決于智能算法，因此，在某種意義上，可以說算法就是微電腦鼠的靈魂。

1 “U轉(zhuǎn)法”探索

在微電腦鼠的算法方面，有眾多的學(xué)者進(jìn)行了研究，如電腦鼠走迷宮的控制算法（鄭偉等，2016^[5]），基于向心法則和向點(diǎn)法則的深度優(yōu)先法和洪水填充法相結(jié)合的智能搜索算法（王斌等，2011^[6]），運(yùn)用概率距離將迷宮進(jìn)行劃分并對(duì)概率距離和標(biāo)定各區(qū)域進(jìn)行算法填充（薛艷，2020^[7]），在參考這些研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)回轉(zhuǎn)探索法（簡稱“U 轉(zhuǎn)法”）進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了微電腦鼠在迷宮探索中的有效應(yīng)用。

在迷宮中，微電腦鼠的行走過程是在一邊探索一邊根據(jù)接收的指令快速移動(dòng)，如圖2 所示，假設(shè)在行走過程中遇到這樣一段線路環(huán)境，那么當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)（x，y）將傳送到微處理器中并被存儲(chǔ)起來，隨后，控制器發(fā)出指令，微電腦鼠開始探索行走的路徑，特別是轉(zhuǎn)彎的路徑探索。

圖2 線路環(huán)境

微電腦鼠的一般運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3 所示，在這樣的環(huán)境下，微電腦鼠會(huì)豎直向上直行，遇到前方有障礙物體時(shí)，會(huì)90° 右轉(zhuǎn)向右繼續(xù)行走，然后又遇到前方障礙物體時(shí)，會(huì)繼續(xù)90° 右轉(zhuǎn)向下行走，再次遇到前方擋墻時(shí)，會(huì)90° 左轉(zhuǎn)向左繼續(xù)行走，然后又遇到前方擋墻時(shí)，又會(huì)繼續(xù)90° 左轉(zhuǎn)向上行走，如此反復(fù)，直到走出為止，從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下，微電腦鼠會(huì)選擇這樣的一條行走路線，那么它行走的距離就變得更加長了，另外，在行走的過程中，它還需要不斷地啟動(dòng)、加速、減速、停止、轉(zhuǎn)向……，這樣的話，行走的時(shí)間也就毫無疑問的增加了。

圖3 一般運(yùn)動(dòng)軌跡

為此，本文對(duì)微電腦鼠的連續(xù)轉(zhuǎn)彎方法進(jìn)行了深入探索，提出了一種連續(xù)兩次90° 轉(zhuǎn)彎的回轉(zhuǎn)探索法，因其路徑類似字母U，簡稱“U 轉(zhuǎn)法”，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示：微電腦鼠在迷宮探索中加入了U 轉(zhuǎn)法后，不僅探索路徑縮短了，而且微電腦鼠到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也減少了。思路如下：微控制器接收到傳感器發(fā)送過來的周圍環(huán)境信息，將其轉(zhuǎn)化為輪子需要行走的位置、速度和加速度參數(shù)，然后與FPGA 器件進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA 器件結(jié)合光電編碼器等的反饋，生成控制直流電機(jī)運(yùn)行的PWM波，推動(dòng)微電腦鼠在不斷地探索中行走。

圖4 右側(cè)回轉(zhuǎn)“U轉(zhuǎn)法”原理圖

具體原理描述如下：當(dāng)微電腦鼠一邊探索一邊向前行走時(shí)，假設(shè)在行走過程中遇到如圖2 所示的一段線路環(huán)境，微電腦鼠將按照曲線運(yùn)動(dòng)軌跡分段進(jìn)行探索，如圖4 所示。探索行走的路徑分成6 段，分別是R90_Leading、R90_Arc、R90_Passing、R90_Leading、R90_Arc、R90_Passing。微控制器首先把行走直線很短的距離R90_Leading 按照探索到的環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為位置參數(shù)、速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，然后與FPGA器件通訊，F(xiàn)PGA 控制著微電腦鼠的左右輪，F(xiàn)PGA 再結(jié)合電機(jī)和電機(jī)上的光電編碼器和各種傳感器的反饋，生成控制微電腦鼠輪子運(yùn)動(dòng)的PWM 波，PWM 波經(jīng)驅(qū)動(dòng)橋放大，控制著微電腦鼠輪子的速度和加速度。微處理器結(jié)合傳感器的各種反饋，實(shí)時(shí)更新指令并傳輸給FPGA，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)微調(diào)微電腦鼠的姿態(tài)，確保微電腦鼠行走在兩邊擋墻的中心線；當(dāng)?shù)竭_(dá)既定位置時(shí)，傳感器參考值R90_FrontWallRef 開始工作，進(jìn)行誤差補(bǔ)償，主要是為了防止外界的干擾，補(bǔ)償結(jié)束后，微控制器會(huì)按照不同環(huán)境要求，把曲線運(yùn)動(dòng)軌跡R90_arc 轉(zhuǎn)化為速度和加速度參數(shù)，通過與FPGA 通訊進(jìn)行指令值傳送，然后，F(xiàn)PGA 再結(jié)合電機(jī)和電機(jī)上的光電編碼器和各種傳感器的反饋，生成控制微電腦鼠輪子運(yùn)動(dòng)的PWM波，PWM 波經(jīng)驅(qū)動(dòng)橋放大，控制著微電腦鼠輪子的速度和加速度實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)探索。在微電腦鼠回轉(zhuǎn)探索過程中，微處理器結(jié)合傳感器的各種反饋，實(shí)時(shí)更新指令并傳輸給FPGA，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)微調(diào)微電腦鼠的姿態(tài)，確保微電腦鼠按照最佳的路徑行走；當(dāng)?shù)竭_(dá)既定位置后，微電腦鼠已經(jīng)完成向右旋轉(zhuǎn)90° ，進(jìn)入到R90_Passing 段，微控制器把行走直線很短的距離R90_Passing+R90_Leading 按照探索到的環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為速度和加速度參數(shù)指令值，然后與控制著微電腦鼠左右輪的FPGA 器件通訊，F(xiàn)PGA 再結(jié)合電機(jī)和電機(jī)上的光電編碼器和各種傳感器的反饋，生成控制微電腦鼠輪子運(yùn)動(dòng)的PWM波，PWM 波經(jīng)驅(qū)動(dòng)橋放大，控制著微電腦鼠輪子的速度和加速度。微處理器結(jié)合傳感器的各種反饋，實(shí)時(shí)更新指令并傳輸給FPGA，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)微調(diào)微電腦鼠的姿態(tài)，確保微電腦鼠行走在兩邊擋墻的中心線；微電腦鼠完成R90_Passing 直線行走，進(jìn)入到R90_Leading 段，到達(dá)既定位置時(shí)，傳感器參考值R90_FrontWallRef 開始工作，進(jìn)行誤差補(bǔ)償，即將完成R90_Leading、R90_Arc、R90_Passing 的路徑轉(zhuǎn)換，軌跡轉(zhuǎn)換的原理與上述R90_Leading、R90_Arc、R90_Passing 路徑轉(zhuǎn)換相同，這樣一來，就完成了右側(cè)回轉(zhuǎn)180° 。

左側(cè)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換方法如圖5 所示，與右側(cè)回轉(zhuǎn)同理，探索行走的路徑分成L90_Leading、L90_Arc、L90_Passing、L90_Leading、L90_Arc、L90_Passing 六段，分兩次完成L90_Leading、L90_Arc、L90_Passing 的路徑轉(zhuǎn)換，從而完成左側(cè)回轉(zhuǎn)180° 。

圖5 左側(cè)回轉(zhuǎn)“U轉(zhuǎn)法”原理圖

左側(cè)回轉(zhuǎn)完成后再繼續(xù)右側(cè)回轉(zhuǎn)，如此往復(fù)，直至到達(dá)預(yù)定的位置，這就是U 轉(zhuǎn)法的具體實(shí)現(xiàn)過程。

圖6 微電腦鼠

2   硬件設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)所用的微電腦鼠如圖6 所示，為了滿足微電腦鼠探索時(shí)行走的穩(wěn)定性和快速性的要求，采用了ARM+FPGA的雙核控制的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，F(xiàn)PGA有非?？斓臄?shù)據(jù)處理能力，可以來處理直流伺服系統(tǒng)的各種算法，這樣可以適當(dāng)減輕ARM 的工作壓力，實(shí)時(shí)響應(yīng)各種中斷，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)同步，增強(qiáng)了抗干擾能力。本設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)框架包含了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分，其中，硬件系統(tǒng)由微處理器、電源電路、傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及車體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等部分組成。在完成相應(yīng)的硬件、軟件制作以及功能測試后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)測試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的微控制器選用的是STM 公司生產(chǎn)的STM32F429IGT6， 它是基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核的32位高性能微控制器，頻率高達(dá)180 MHz，集成高速嵌入式存儲(chǔ)器，以及3 個(gè)12 位A/D 轉(zhuǎn)換器、2 個(gè)D/A 轉(zhuǎn)換器、1 個(gè)低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、12 個(gè)通用16 位計(jì)時(shí)器、2 個(gè)通用32 位計(jì)時(shí)器等強(qiáng)大的I/O 端口和先進(jìn)的外設(shè)，Cortex-M4 支持所有ARM 單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，實(shí)現(xiàn)了一套完整的DSP 指令，能夠滿足數(shù)字信號(hào)控制和處理的需求，提供了非常靈活多樣的解決方案，在多軸伺服電機(jī)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，這些特點(diǎn)滿足了微電腦鼠在探索以及沖刺階段的信號(hào)處理需求，基于上述分析，本設(shè)計(jì)選用了STM32F429IGT6 微控制器。

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是優(yōu)秀的可編程器件，可解決原來的可編程器件門電路有限的缺點(diǎn)，用于ASIC（專用集成電路）的半定制電路，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要，在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出特定的ASIC，降低成本、縮短開發(fā)周期、可重復(fù)使用，非常適合高性能的多軸伺服系統(tǒng)的控制需求，因此，本設(shè)計(jì)采用了ACTEL 公司設(shè)計(jì)的FPGA 器件——A3P250。A3P250 的工作和停止受微處理器的控制，其通過I/O 接口與微處理器實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

U 轉(zhuǎn)法中，對(duì)微電腦鼠探測周圍環(huán)境參數(shù)提出了更高的要求，為了提高迷宮探索的精密度和準(zhǔn)確度，本文實(shí)驗(yàn)所用的微電腦鼠采用基于OPE5594A 紅外發(fā)射管和TSL262 紅外接收管的紅外傳感器，微電腦鼠傳感器如圖8 所示，1、3、4、6 都是基于OPE5594A和TSL262的紅外發(fā)射和接收對(duì)管傳感器，其中，傳感器1、6共同作用探測行走前方的擋墻障礙物，傳感器3 探測微電腦鼠左邊擋墻障礙物，傳感器 4 探測右邊擋墻障礙。

圖8 微電腦鼠傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器結(jié)構(gòu)的這樣排列，有助于1 和6 在微電腦鼠加速前對(duì)于前方環(huán)境的探測和判斷，防止出現(xiàn)誤加速，如果傳感器1 和6 發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)前方出現(xiàn)了擋墻障礙物，就會(huì)立刻向微控制器發(fā)送加速錯(cuò)誤中斷請求，從而封鎖電機(jī)的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反之，微電腦鼠將進(jìn)入加速運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，傳感器3 和4 相互配合，確保微電腦鼠行走在兩邊擋墻的中心線。如果傳感器1、3 和6 發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)擋墻障礙物，會(huì)將環(huán)境信息及時(shí)的傳遞給微處理器進(jìn)行處理，然后與A3P250 進(jìn)行通訊，生成控制電機(jī)的PWM 控制信號(hào)，執(zhí)行右轉(zhuǎn)1/4 圓弧的操作；如果傳感器1、4 和6 發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)擋墻障礙物，微處理器會(huì)及時(shí)接收到環(huán)境信息，然后與A3P250 進(jìn)行通訊，生成控制電機(jī)的PWM 信號(hào)，執(zhí)行左轉(zhuǎn)1/4 圓弧。本文實(shí)驗(yàn)所用的微電腦鼠硬件設(shè)計(jì)中，還加入了陀螺儀，如圖8所示的G1，其主要目的是為了提高微電腦鼠在行進(jìn)過程中的穩(wěn)定性，對(duì)微電腦鼠的位置坐標(biāo)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，完成姿態(tài)的調(diào)整，使其重新回到預(yù)先設(shè)定的中心位置，防止其在行進(jìn)過程中出現(xiàn)大幅度偏離中心位置的現(xiàn)象。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)所用的微電腦鼠，在準(zhǔn)備開始迷宮探索的時(shí)候，將其放置在迷宮的起點(diǎn)（如圖1 所示），處于準(zhǔn)備狀態(tài)，一旦觸發(fā)控制器接受到外界指令，微電腦鼠將依賴于4 個(gè)傳感器探測的環(huán)境信息，根據(jù)實(shí)際的導(dǎo)航環(huán)境沿著預(yù)判路徑快速前進(jìn)，STM32F429 根據(jù)探索到的環(huán)境參數(shù)將其轉(zhuǎn)化為輪子所需行走的距離、速度和加速度參數(shù)，然后與A3P250 進(jìn)行通訊，A3P250 根據(jù)這些參數(shù)再結(jié)合光電編碼器等的反饋信息，生成電機(jī)的PWM控制信號(hào)，使得微電腦鼠在迷宮探索中不斷前行?；凇癠 轉(zhuǎn)法”，即回轉(zhuǎn)探索法的程序設(shè)計(jì)，如圖9 所示。由于篇幅有限，程序設(shè)計(jì)中涉及的“直線探索”和“S 法探索”^[8]就不在此討論了。

4 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)，本文所用的微電腦鼠在迷宮探索時(shí)，行走在兩邊擋墻的中心線，能夠沿著預(yù)設(shè)的曲線方向運(yùn)行，這說明紅外傳感器組和陀螺儀對(duì)微電腦鼠的位置坐標(biāo)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，STM32F429 能夠接收反饋并實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償，U 轉(zhuǎn)法的應(yīng)用，進(jìn)一步減少了微電腦鼠的迷宮探索時(shí)間。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）