基于STM32與DFS算法的電腦鼠的研究與設(shè)計(jì)

祝朝坤 韓彥凈 谷會斌

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(gè)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(gè)方面進(jìn)行。

（1）路徑規(guī)劃：一個(gè)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(shí)，需要時(shí)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(shí)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(shí)的電流為100mA，所以串聯(lián)50Ω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5A，柵源極閾值電壓為2.7V，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(shí)，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(gè)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(gè)芯片可以驅(qū)動兩個(gè)電機(jī)，支持正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動、停止4種控制模式，同時(shí)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。

2.5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8.4V的鋰電池組當(dāng)電壓小于7.4V時(shí)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7.4V時(shí)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)

（1）直線行駛：在電腦鼠運(yùn)行過程中，需要時(shí)刻保證電腦鼠在賽道中間的位置，因此需要對左右輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，同時(shí)需要保證左右輪行駛的距離相同。這就是速度、位置的雙重控制，本設(shè)計(jì)中采用的是位置式PID算法實(shí)現(xiàn)，先通過讀取單位時(shí)間內(nèi)的編碼器計(jì)數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前電腦鼠行駛的速度，與設(shè)置的速度進(jìn)行對比計(jì)算出誤差，將誤差代入PID計(jì)算公式中，通過調(diào)節(jié)Kp（比例系數(shù)）、Ki（積分系數(shù)）、Kd（微分系數(shù)）的參數(shù)使電機(jī)的響應(yīng)速度達(dá)到一個(gè)響應(yīng)快速且穩(wěn)定的狀態(tài)。在電機(jī)的控制中PID離散公式如下，其中e（k）為本次誤差，e（k-1）為上次的誤差，e（k-2）為上上次的誤差，Out為電機(jī)的PWM的占空比。

Out=Kp[e（k）]+KiΣe（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]（1）

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(shí)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(shí)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(shí)的時(shí)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(shí)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(shí)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(jià)會小于轉(zhuǎn)彎到終點(diǎn)的代價(jià)，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(jià)會大于轉(zhuǎn)彎到終點(diǎn)的代價(jià)，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(shí)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(gè)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(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)位置，以及電腦鼠的串口連接設(shè)置、功能按鈕，如圖12。

（2）修改參數(shù)：修改參數(shù)是為在調(diào)試電腦鼠的時(shí)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(shí)所用的時(shí)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(gè)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。