基于STM32與DFS算法的電腦鼠的研究與設(shè)計

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;藍(lán)牙

1研究背景及意義

近年來，自動化機器人在智慧工業(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，而針對機器人的自動規(guī)劃路徑的研究，也變得更有必要。本設(shè)計以STM32F103RCT6單片機為主控制器，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，對電腦鼠機器人在其當(dāng)前所處環(huán)境（迷宮）中，探索最優(yōu)運行路徑展開研究。

本設(shè)計的研究主要從以下幾個方面進行。

（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，所以，研究迷宮算法的過程中，需要對電腦鼠的路徑進行規(guī)劃，而在現(xiàn)實生活中，比如工業(yè)機器人在不同的工作站運送物料，就需要對路徑進行規(guī)劃，減少運動的軌跡，可以有效地延長機器人的使用壽命。

（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，再由主控制器進行ADC采集，計算出墻壁的距離。

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

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

2系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1紅外發(fā)射電路

SFH4550工作時的電流為100mA，所以串聯(lián)50Ω電阻進行限流，通過NMOS進行驅(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行控制。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、利于控制等優(yōu)點，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，通過電阻進行分壓，并通過微控制器進行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電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路采用的是TB6612，該電機驅(qū)動芯片外圍電路設(shè)計簡單，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，支持正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動、停止4種控制模式，同時內(nèi)部具有低壓保護電路與過熱停機保護電路。電機驅(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時就屬于虧電，所以采用了低電壓待機的方案，當(dāng)電壓小于7.4V時啟動電腦鼠進入待機狀態(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

3.1運動控制程序設(shè)計

（1）直線行駛：在電腦鼠運行過程中，需要時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)速進行實時的調(diào)整，同時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)計中采用的是位置式PID算法實現(xiàn)，先通過讀取單位時間內(nèi)的編碼器計數(shù)，計算出當(dāng)前電腦鼠行駛的速度，與設(shè)置的速度進行對比計算出誤差，將誤差代入PID計算公式中，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)使電機的響應(yīng)速度達(dá)到一個響應(yīng)快速且穩(wěn)定的狀態(tài)。在電機的控制中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)，通過比例算法實時調(diào)整左右電機的轉(zhuǎn)速，實現(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行精確的控制，連續(xù)轉(zhuǎn)彎時的運行軌跡如下圖5，經(jīng)過簡單計算可以得出內(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

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，電機驅(qū)動等外設(shè)模塊進行初始化，判斷電池電壓是否正常，如果電池電壓過低進入待機狀態(tài)不啟動電腦鼠，如果電池電壓正常即進入模式判斷，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，在進行與目標(biāo)點的絕對位置計算，當(dāng)前進一格后到終點的絕對位置小于轉(zhuǎn)彎后前進一格到終點的絕對位置，那么程序判斷直行到達(dá)終點的代價會小于轉(zhuǎn)彎到終點的代價，執(zhí)行繼續(xù)前進的指令。反之當(dāng)前進一格后到終點的絕對位置大于轉(zhuǎn)彎后前進一格到終點的絕對位置，那么程序判斷直行到達(dá)終點的代價會大于轉(zhuǎn)彎到終點的代價，執(zhí)行轉(zhuǎn)彎指令。直到到達(dá)終點，停止運動，進行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行多次測試的，當(dāng)在探索下當(dāng)電腦鼠到達(dá)了終點，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的狀態(tài)下的，不斷接收上位機發(fā)送的信息，解析出需要修改的信息，進行指定數(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)返回給上位機軟件，告訴上位機軟件修改后的數(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，盡可能深的搜索樹的分支。而在電腦鼠到達(dá)終點時，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上位機程序設(shè)計

上位機的系統(tǒng)流程圖如圖11，上位機在與電腦鼠進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，上位機可以使用修改參數(shù)的功能，對電腦鼠的數(shù)據(jù)進行修改。如果電腦鼠處于探索模式下，程序主窗口會實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行信息、通知信息、電腦鼠的實時位置，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

電腦鼠是移動機器人領(lǐng)域的重要分支，傳統(tǒng)的電腦鼠運行速度、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、運動控制、紅外測距、硬件設(shè)計等，并最終完成了電腦鼠的設(shè)計。主要研究成果如下：

（1）改進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）改進了傳統(tǒng)電腦鼠的控制方案，采用編碼電機實現(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、位置進行精準(zhǔn)的控制，設(shè)計出電腦鼠的連續(xù)轉(zhuǎn)彎機制，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，即可實現(xiàn)一鍵對電腦鼠的數(shù)據(jù)進行修改;

（4）改進了電腦鼠的迷宮解算算法，實現(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。