“U轉法”在基于STM32的微電腦鼠迷宮探索中的應用

摘要：探索了“U轉法”在微電腦鼠迷宮探索中的應用，通過六段法則來設計曲線運行，實現(xiàn)各段路徑的完美銜接；采用STM32F429微處理器作為主控制器，設計了一款新型智能微電腦鼠，不僅滿足了迷宮探索的各項要求，而且顯著提高了微電腦鼠行走的穩(wěn)定性、縮短了迷宮探索時間。微電腦鼠的實際運行表明： U轉法可以減少探索路徑長度并縮短到達目的地的時間。

關鍵詞：微電腦鼠；STM32F429；U轉法；探索

0引言

微電腦鼠本質上就是個微小的智能機器人，個子只有鼠標的大小，有著4個小輪子，依靠微控制器、傳感器和機電運動部件，能夠直行、轉彎、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由許多圍墻和死胡同構成的迷宮中，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間快速到達預先設定的目的地[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、數(shù)據(jù)分析處理功能強、探索算法智能、響應快速、沖刺高速、行走精確、控制自如等特點。一只完整的電腦鼠應該包括微處理器系統(tǒng)、傳感器電路、電機驅動電路、智能算法等幾個部分，如果微電腦鼠想用最短的時間到達預定的目標，那么，其必須對迷宮進行有效的探索，對路徑進行最佳的規(guī)劃，在硬件結構和功能區(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間，因此，一個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。

迷宮時間是評判微電腦鼠是否優(yōu)秀的一個重要衡量指標，迷宮時間的長短在相當程度上取決于智能算法，算法對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，并在最短的時間內到達目的地。

早期的迷宮一般是木制材料制成，為一個正方形，尺寸是18 cm×18 cm，內部分成16×16格。隨著集成電路技術、現(xiàn)代傳感與測量技術、現(xiàn)代通訊技術和 AI 算法的不斷發(fā)展和進步，迷宮的尺寸變成了9 cm×9 cm，內部分成了32×32格，即1024個小格子，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)境變得更加復雜，任務的完成變得更加具有挑戰(zhàn)性，在相當程度上增加了微電腦鼠到達目的地的難度。

將微電腦鼠放置在迷宮左下角的起點，坐標（0，0）的位置，打開微電腦鼠的電源開關，微電腦鼠將全程獨立自主地到達終點。在這個過程中，微電腦鼠身上的傳感器類似它的“眼睛”，用來準確獲取周圍的環(huán)境信息并傳輸給微處理器；微處理器類似它的“大腦”，需要迅速進行信息處理并作出準確判斷，通過各種智能算法，在最短的時間內、正確地解開由1024個迷宮格組成的復雜迷宮，尋找到預設的目標位置，快速找到1條從起點到達終點的最佳路徑，然后以最合理的速度、在最短的時間內到達目標位置。值得注意的是，微電腦鼠在迷宮探索過程中應隨時觀察周圍環(huán)境，獲取自身的位置信息以及周圍擋墻的環(huán)境信息，并實時將信息傳遞給微處理器，便于其及時處理和判斷，同時向控制器發(fā)出指令，控制器根據(jù)指令參數(shù)來不斷執(zhí)行前進/后退、加速/減速、左轉/右轉等運動控制，使其按照選擇的規(guī)劃路徑和適當?shù)倪\動參數(shù)探索行走。1只優(yōu)秀的微電腦鼠必須具有良好的運動控制能力、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，迷宮時間是其中一個重要的衡量指標，迷宮時間的長短在相當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轉法”探索

在微電腦鼠的算法方面，有眾多的學者進行了研究，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法則的深度優(yōu)先法和洪水填充法相結合的智能搜索算法（王斌等，2011[6]），運用概率距離將迷宮進行劃分并對概率距離和標定各區(qū)域進行算法填充（薛艷，2020[7]），在參考這些研究的基礎上，本文對回轉探索法（簡稱“U 轉法”）進行了研究，實現(xiàn)了微電腦鼠在迷宮探索中的有效應用。

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，如圖2所示，假設在行走過程中遇到這樣一段線路環(huán)境，那么當前坐標點（ x，y ）將傳送到微處理器中并被存儲起來，隨后，控制器發(fā)出指令，微電腦鼠開始探索行走的路徑，特別是轉彎的路徑探索。

微電腦鼠的一般運動軌跡如圖3所示，在這樣的環(huán)境下，微電腦鼠會豎直向上直行，遇到前方有障礙物體時，會90右轉向右繼續(xù)行走，然后又遇到前方障礙物體時，會繼續(xù)90右轉向下行走，再次遇到前方擋墻時，會90左轉向左繼續(xù)行走，然后又遇到前方擋墻時，又會繼續(xù)90左轉向上行走，如此反復，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、加速、減速、停止、轉向……，這樣的話，行走的時間也就毫無疑問的增加了。

為此，本文對微電腦鼠的連續(xù)轉彎方法進行了深入探索，提出了一種連續(xù)兩次90轉彎的回轉探索法，因其路徑類似字母 U ，簡稱“U 轉法”，并進行了實驗驗證，結果顯示：微電腦鼠在迷宮探索中加入了 U 轉法后，不僅探索路徑縮短了，而且微電腦鼠到達終點的時間也減少了。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 器件進行通訊，F(xiàn)PGA 器件結合光電編碼器等的反饋，生成控制直流電機運行的 PWM 波，推動微電腦鼠在不斷地探索中行走。

具體原理描述如下：當微電腦鼠一邊探索一邊向前行走時，假設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動軌跡分段進行探索，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_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 再結合電機和電機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動的 PWM 波，PWM 波經驅動橋放大，控制著微電腦鼠輪子的速度和加速度。微處理器結合傳感器的各種反饋，實時更新指令并傳輸給 FPGA ，實時動態(tài)微調微電腦鼠的姿態(tài)，確保微電腦鼠行走在兩邊擋墻的中心線；當?shù)竭_既定位置時，傳感器參考值 R90_FrontWallRef 開始工作，進行誤差補償，主要是為了防止外界的干擾，補償結束后，微控制器會按照不同環(huán)境要求，把曲線運動軌跡 R90_arc 轉化為速度和加速度參數(shù)，通過與 FPGA 通訊進行指令值傳送，然后，F(xiàn)PGA 再結合電機和電機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動的 PWM 波，PWM 波經驅動橋放大，控制著微電腦鼠輪子的速度和加速度實現(xiàn)回轉探索。在微電腦鼠回轉探索過程中，微處理器結合傳感器的各種反饋，實時更新指令并傳輸給 FPGA ，實時動態(tài)微調微電腦鼠的姿態(tài)，確保微電腦鼠按照最佳的路徑行走；當?shù)竭_既定位置后，微電腦鼠已經完成向右旋轉90，進入到 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 再結合電機和電機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動的 PWM 波，PWM 波經驅動橋放大，控制著微電腦鼠輪子的速度和加速度。微處理器結合傳感器的各種反饋，實時更新指令并傳輸給 FPGA ，實時動態(tài)微調微電腦鼠的姿態(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，進入到 R90_Leading 段，到達既定位置時，傳感器參考值 R90_FrontWallRef 開始工作，進行誤差補償，即將完成 R90_Leading、R90_ Arc、R90_Passing 的路徑轉換，軌跡轉換的原理與上述 R90_Leading、R90_Arc、R90_Passing 路徑轉換相同，這樣一來，就完成了右側回轉180。

左側回轉的轉換方法如圖5所示，與右側回轉同理，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 的路徑轉換，從而完成左側回轉180。

左側回轉完成后再繼續(xù)右側回轉，如此往復，直至到達預定的位置，這就是 U 轉法的具體實現(xiàn)過程。

2硬件設計

本文實驗所用的微電腦鼠如圖6所示，為了滿足微電腦鼠探索時行走的穩(wěn)定性和快速性的要求，采用了 ARM+FPGA 的雙核控制的先進設計理念，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，這樣可以適當減輕 ARM 的工作壓力，實時響應各種中斷，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信和存儲的實時同步，增強了抗干擾能力。本設計的整個系統(tǒng)框架包含了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分，其中，硬件系統(tǒng)由微處理器、電源電路、傳感器電路、電機驅動電路以及車體結構系統(tǒng)等部分組成。在完成相應的硬件、軟件制作以及功能測試后，就可以進行系統(tǒng)測試，并對結果進行評估。系統(tǒng)硬件結構組成如圖7所示。

本設計的微控制器選用的是 STM 公司生產的 STM32F429IGT6，它是基于 ARM Cortex-M4內核的32位高性能微控制器，頻率高達180 MHz，集成高速嵌入式存儲器，以及3個12位 A/D 轉換器、2個 D/ A 轉換器、1個低功耗的實時時鐘（ RTC ）、12個通用16位計時器、2個通用32位計時器等強大的 I/O 端口和先進的外設，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，實現(xiàn)了一套完整的 DSP 指令，能夠滿足數(shù)字信號控制和處理的需求，提供了非常靈活多樣的解決方案，在多軸伺服電機控制中得到了廣泛的應用，這些特點滿足了微電腦鼠在探索以及沖刺階段的信號處理需求，基于上述分析，本設計選用了 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，用于 ASIC （專用集成電路）的半定制電路，可以根據(jù)設計需要，在短時間內設計出特定的 ASIC ，降低成本、縮短開發(fā)周期、可重復使用，非常適合高性能的多軸伺服系統(tǒng)的控制需求，因此，本設計采用了 ACTEL 公司設計的 FPGA 器件——A3P250。A3P250的工作和停止受微處理器的控制，其通過 I/O 接口與微處理器實時進行數(shù)據(jù)交互。

U 轉法中，對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確度，本文實驗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，微電腦鼠傳感器結構如圖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。

傳感器結構的這樣排列，有助于1和6在微電腦鼠加速前對于前方環(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)運動前方出現(xiàn)了擋墻障礙物，就會立刻向微控制器發(fā)送加速錯誤中斷請求，從而封鎖電機的 PWM 驅動信號，反之，微電腦鼠將進入加速運動；同時，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，會將環(huán)境信息及時的傳遞給微處理器進行處理，然后與 A3P250進行通訊，生成控制電機的 PWM 控制信號，執(zhí)行右轉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，微處理器會及時接收到環(huán)境信息，然后與 A3P250進行通訊，生成控制電機的 PWM 信號，執(zhí)行左轉1/4圓弧。本文實驗所用的微電腦鼠硬件設計中，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過程中的穩(wěn)定性，對微電腦鼠的位置坐標能夠進行實時的補償，完成姿態(tài)的調整，使其重新回到預先設定的中心位置，防止其在行進過程中出現(xiàn)大幅度偏離中心位置的現(xiàn)象。

3軟件設計

本文實驗所用的微電腦鼠，在準備開始迷宮探索的時候，將其放置在迷宮的起點（如圖1所示），處于準備狀態(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個傳感器探測的環(huán)境信息，根據(jù)實際的導航環(huán)境沿著預判路徑快速前進，STM32F429根據(jù)探索到的環(huán)境參數(shù)將其轉化為輪子所需行走的距離、速度和加速度參數(shù)，然后與 A3P250進行通訊，A3P250根據(jù)這些參數(shù)再結合光電編碼器等的反饋信息，生成電機的 PWM 控制信號，使得微電腦鼠在迷宮探索中不斷前行。基于“U 轉法”，即回轉探索法的程序設計，如圖9所示。由于篇幅有限，程序設計中涉及的“直線探索”和“S 法探索”【8】就不在此討論了。

4結束語

通過實驗，本文所用的微電腦鼠在迷宮探索時，行走在兩邊擋墻的中心線，能夠沿著預設的曲線方向運行，這說明紅外傳感器組和陀螺儀對微電腦鼠的位置坐標能夠進行實時補償，STM32F429能夠接收反饋并實時進行動態(tài)調整，實現(xiàn)精確補償，U 轉法的應用，進一步減少了微電腦鼠的迷宮探索時間。

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