所�"電腦�" ,英文名叫� Micromouse,是一種具有人工智能的輪式�(jī)器人,是由� 入式微控制器, 傳感�和機(jī)電運(yùn)�(dòng)部件�(gòu)成的一種智能行走裝置的俗稱?!半娔X鼠走迷宮”的競賽今年在國際和國內(nèi)上都很流行,依照新制的比賽規(guī)�,當(dāng)電腦鼠放入起�(diǎn),按下啟�(dòng)鍵之�,它就必須自行決定搜尋法則并且在迷宮中前�(jìn)、轉(zhuǎn)�、記憶迷宮墻壁資料、計(jì)算最短路�、搜尋終�(diǎn)等功�。電腦鼠�(jié)合了�(jī)械�電機(jī)、電子、控�、光�(xué)、程序設(shè)�(jì)和人工智能等多方面的科技知識(shí)� 人類在科技的發(fā)展史�,一直在嘗試著想�?jiǎng)?chuàng)造出一�(gè)具有肢體、感�、腦力等綜合一體的智能�(jī)器人,而電腦鼠就是一�(gè)很能夠用來詮釋肢�、感官及腦力綜合工作的基本實(shí)�,這也是當(dāng)初電腦鼠被發(fā)明的理由,希望能夠借助電腦鼠的�(chuàng)作來�(jìn)而研究與�(fā)明更加復(fù)雜的�(jī)��
一只電腦鼠是具有機(jī)電知�(shí)整合的基本架�(gòu), 要在指定的迷宮中比賽, 在迷宮中探索� 找出通往終點(diǎn)的路�,并隨�(shí)掌握自身的位置信�,�(zhǔn)確獲取墻壁信息并做記�,最終依� 記憶找出走出迷宮的路�,以最短的�(shí)間解開迷�,贏得比賽.一只的電腦鼠必� 具備良好的感知能�,有良好行走能�,的智能算法和�(qiáng)健體�.一只完整的電腦鼠可 大體分為以下五�(gè)部分:
1. 傳感�
傳感器是電腦鼠感知外界環(huán)境的窗口, 是電腦鼠的雙�. 好的傳感器是電腦鼠準(zhǔn)確獲� 外部�(huán)境信息以做出正確判斷的依�(jù), 是電腦鼠靈敏快捷的保�. 紅外測距方式在電腦鼠� �(yīng)用最�.電腦鼠不但要求測距傳感器能夠�(zhǔn)確測�,對測量速度也有較高要求,而且必須 能夠抗干�.此外加速度�(jì)和角度傳感器等也越來越多的在電腦鼠上使用.
2. �(zhí)行部�
電機(jī)是電腦鼠的動(dòng)力源, 是電腦鼠的四�. 只有具備健壯且靈活的四肢的電腦鼠才有可能在比賽中高效的解開迷�. 電機(jī)不但要能輸出足夠的馬力還要便于控�, 在此基礎(chǔ)上再� 以合適的控制算法就能使電腦鼠快速而精確的行走.電腦鼠中常用的是步�(jìn)電機(jī)和直流電 �(jī).步�(jìn)電機(jī)控制容易,但直流電�(jī)使電腦鼠控制更加靈敏.的電�(jī)配上合適的減速和 速度反饋裝置使電腦鼠控制精度更高,更加靈敏.
3. 微處理器
微處理器是電腦鼠的核心部�,是電腦鼠的大�.幾乎所有的信息,包括墻壁信息,� 置信�, 角度信息和電�(jī)狀�(tài)信息等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判�. 所有的�(shù) �(jù)分析, 算法�(shí)�(xiàn)和執(zhí)行指令的�(fā)出等都需要由微處理器來完�. 由于需要實(shí)�(shí)控制以保� 電腦鼠的速度和靈敏度就必須要求處理器有足夠快的中斷處理能力和�(yùn)算能�, 另外還需� 有足夠的�(shù)�(jù)和代碼存�(chǔ)空間.
4. �(jī)械結(jié)�(gòu)
電腦鼠要能夠在迷宮里面靈活穿�, 必須有一副好身板, 有適合在迷宮中快速運(yùn)行的� 體結(jié)�(gòu).首先他必須結(jié)�(shí),擁有兩只東倒西歪的輪子的電腦鼠是很難不在迷宮中碰壁�.� IEEE 競賽�(biāo)�(zhǔn)中就有規(guī)定電腦鼠長寬.事實(shí)�,身材嬌小的電腦鼠在迷宮里是會(huì)更靈活的, 它有更大的空間用于完成轉(zhuǎn)�, 有更大的空間用于糾正姿勢. 另外體重太大和沒有平衡感� 老鼠也是不適宜迷宮競賽的. 基于如此多的考慮, 一只學(xué)富五車而又嬌小玲瓏的電腦鼠需� 我們從�(jī)械上面有更多�(chuàng)�.
5. 算法
算法是電腦鼠的靈�. 電腦鼠必須采用一定的算法才能找到終點(diǎn), 才能找到一條最短的 路徑,在最短的�(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn).算法的效率決定了解迷宮的效率.�(yōu)良的電機(jī)控制算法� 讓電腦鼠走得更快更平�(wěn),降低微處理器�(fù)�.
在國際賽事和一些其他賽事中廣泛的采� IEEE 電腦鼠競賽規(guī)�.2006 IEEE 電腦鼠比 賽規(guī)則規(guī)定電腦鼠允許在迷宮中�(yùn)行的�(shí)間是 15 分鐘. 在� 15 分鐘�(shí)間內(nèi)電腦鼠可� �(yùn)行任意多�.比賽成績由運(yùn)行時(shí)�,迷宮�(shí)間與碰觸�(jiǎng)�(lì)�(shí)間組�.�(yùn)行時(shí)間指電腦鼠從 起點(diǎn)到終�(diǎn)的時(shí)�. 迷宮�(shí)間從電腦鼠次被激活開始計(jì). 碰觸指電腦鼠在運(yùn)行期間由� 作者手�(dòng)干預(yù),若有碰觸則減� 10 秒的碰觸�(jiǎng)�(lì)�(shí)�,否則不減.
為了滿足具體需�, 目前在許多國家都有專門針對在校�(xué)生和剛參與這項(xiàng)比賽新手的電 腦鼠走迷宮競�,大體都是� IEEE �(biāo)�(zhǔn)競賽�(guī)則上做一些修改以降低難度,考核的是�(biāo)�(zhǔn) 電腦鼠的一�(gè)或幾�(gè)性能,如速度,加速度和轉(zhuǎn)彎速度和精度等.
英國 The Schools Micromouse competition 中使� Line following 電腦鼠競�,降低比賽 難度,以適合在校學(xué)生參�.Line following 電腦鼠競賽有多種形式,其中一種簡單的形式 是設(shè)�(jì)一只簡單的電腦鼠從起點(diǎn)以最快的速度沿著白色直線跑向終點(diǎn), �(jìn)入剎車去后開始剎 �,聽在停車區(qū),這�(gè)比賽考察的是電腦鼠的傳感器精�,� 度和加速度.
wall follower 電腦鼠競賽是另一類電腦鼠競賽.它同樣使用全迷宮,但在這樣的迷宮中 順著左手邊的墻一定有通路到達(dá)迷宮中央的終�(diǎn). 這就允許沒有解迷宮能力的簡單電腦鼠可 以順著墻走到終點(diǎn),大大降低了參加比賽的門�.wall follower 電腦鼠競賽又可分為兩�: 一是接觸墻,靠著墻走,另一種是不接觸墻,沿著墻走.這�(gè)比賽降低了解迷宮算法難度.
Time trial 電腦鼠競賽也采用�(biāo)�(zhǔn)全迷�,不過只使用最外面� 60 �(gè)迷宮�,wall followers 電腦鼠和解迷宮電腦鼠都可以參�. 比賽的目的是測試電腦鼠的速度, 加速度和在 確定軌道下的直線和轉(zhuǎn)彎控制精�.
在電腦鼠走迷宮競賽中國既可以采用 IEEE �(biāo)�(zhǔn)�(guī)則于國際接軌,又可以簡化以適合� 體需�.
電腦鼠走迷宮競賽具有一定難�,是一�(xiàng)富有挑戰(zhàn)性和趣味性的比賽.此外,它還是一 �(gè)很好的教�(xué)工具. 電腦鼠可看作是一�(gè)集多�(xiàng)工程�(xué)科知�(shí)于一體的小型系統(tǒng). 成功的設(shè) �(jì)者通常都是合作�(tuán)�,他們必須考慮電子,電氣,�(jī)械以及計(jì)算機(jī)各方面的問題.重量, 速度,功�,傳感技�(shù),重心以及程序各方面都是設(shè)�(jì)中需要決定和綜合考慮的因�.電腦 鼠是一�(gè)多學(xué)科的綜合�,與多各學(xué)科關(guān)系精�:
(1) �(jī)械工�:首先電腦鼠必須是�(gè)�(shí)�(shí)在在的機(jī)器人,而對于在迷宮中高速穿� 的電腦鼠, "身材"的好壞極其重�.大多�(shù)使用步�(jìn)電機(jī)的電腦鼠可以直接� 車輪安裝在電�(jī)軸上,而使用直流電�(jī)�(qū)�(dòng)的電腦鼠往往許多添加減速和傳動(dòng) 裝置,如何既使輪子安裝�(wěn)定不顫動(dòng),保證高傳�(dòng)效率,又使車體輕巧美觀� �(jī)械設(shè)�(jì)�(shí)需要解決的問題.
(2) 電子工程:電腦鼠是一�(gè)嵌入式系�(tǒng),需要廣泛的涉及信號(hào)處理,通信,微處 理器�(yīng)用和電機(jī)控制�.
(3) 自動(dòng)控制:控制電腦鼠在迷宮中快速而準(zhǔn)確的行走屬于自動(dòng)控制技�(shù)范疇.� 距傳感器獲取距離信息并將其反饋給微處理器,微處理器對距離值分析處理獲 得墻壁信息并根據(jù)墻壁信息控制電機(jī)�(dòng)作以帶動(dòng)輪子�(chǎn)生相�(yīng)的動(dòng)�,這整�(gè) �(gòu)成一�(gè)大自�(dòng)控制系統(tǒng). 而在這�(gè)大系�(tǒng)�(nèi)還可以包含其他的自動(dòng)控制系統(tǒng).
(4) 人工智能:電腦鼠走迷宮競賽的整�(gè)過程可大體分為兩�(gè)部分:一,搜索迷宮, 從起�(diǎn)出發(fā),找到終點(diǎn)并找出一條最短路�;�,沖刺,從起�(diǎn)開始,在最� �(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn).搜索迷宮過程是電腦鼠�(xué)�(xí)過程.沖刺過程前需要在所有走 過的通路中依�(jù)自己的原則選擇一條路徑作為最短路�,這是一�(gè)決策過程.
(5) 程序�(shè)�(jì):電腦鼠程序具有嵌入式軟件的一般特征并有更高要�.電腦鼠程� 必須高效率和高實(shí)�(shí)性才能保證電腦鼠的控制精和靈敏度.
(6) 傳感與測試技�(shù):電腦鼠需要有眾多信息的反�,如墻壁信息等.需要用到許 多傳感器,如測試墻壁信息紅外傳感器測量距離,使用霍爾傳感器測試車輪轉(zhuǎn) 速以控制�(zhuǎn)速和測量路程�.電腦鼠是一�(gè)精密控制�,足夠的控制精度才� 保證在高速行走的�(shí)候不撞墻和迷失自�.不但要求能夠�(zhǔn)確測�,還必須有 足夠快的響應(yīng)速度.
電腦鼠具有精確的定位能力, 快速的行走能力和的避障能力等特�(diǎn). 對電腦鼠�(jìn)� 升級(jí)后可以應(yīng)用在許多場合. 電腦鼠技�(shù)可以�(yīng)用在工業(yè)�(jī)器人和特種機(jī)器人�(shè)�(jì)�, 并可 以將電腦鼠技�(shù)說涉及的各學(xué)科知�(shí)分別�(yīng)用在各相�(guān)�(lǐng)�.
電腦鼠結(jié)合了多學(xué)科知�(shí),對于提升在校�(xué)生的�(dòng)手能�,�(tuán)�(duì)�(xié)作能力和�(chuàng)新能�, 促�(jìn)�(xué)生課堂知�(shí)的消化和�(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面都非常有幫�. 另外電腦鼠走迷宮競賽極具� 味�,容易得到�(xué)生的�(rèn)同及參與,并能很好的激�(fā)和引�(dǎo)�(xué)生這方面的興趣和愛�.競賽 的開展必然提升參賽者在相關(guān)�(lǐng)域的技�(shù)水平和應(yīng)用能�, 為技�(shù)�(chuàng)新提供平�(tái). 可以培養(yǎng) 大批相關(guān)�(lǐng)域的人才,�(jìn)而促�(jìn)相關(guān)�(lǐng)域的技�(shù)�(fā)展和�(chǎn)�(yè)化�(jìn)�.通過舉辦競賽可以向社 �(huì)大眾展示我國相關(guān)�(lǐng)域的技�(shù)�(fā)展現(xiàn)狀. 另外積極地參加國際電腦鼠比賽能夠促�(jìn)與其� 國家的技�(shù)交流,增�(jìn)國際友誼,提升我國在機(jī)器人�(lǐng)域的國際地位.
一,了解電腦鼠走迷宮競賽的規(guī)�
了解競賽�(guī)則是很必要的, 只有清楚的了解了競賽�(guī)則才能更好的理解題目 要求,才知道需要在哪些方面努力.
�,熟悉電腦鼠程序開�(fā)�(huán)�
ARM 作為嵌入式微處理�,其有特定的開�(fā)�(huán)�,linux 操作系統(tǒng)非常適合 ARM 嵌入式開�(fā),我們必須要熟悉 Linux 的一些基本操�,及其程序開發(fā)�(huán)�, �(dāng)然最重要的是熟悉 LM3S615 的集成開�(fā)�(huán)� IAR EWARM � LM LINK 的使�. 必須掌握安裝 IAR EWARM 集成開發(fā)�(huán)境的方法已經(jīng) LM LINK 編譯器的使用, 能夠建立工程文件以及編譯�(yùn)行程�.
�,掌握電腦鼠所搭載硬件的基本操�
要想我們的電腦鼠能夠按照要求去工作,就必須掌握控制它的基� 方法.這些任務(wù)包括:
1.電腦� 7289 EX BOARD �(shí)�(yàn).
2,電腦鼠紅外傳感器測距�(shí)�(yàn).
3,電腦鼠步�(jìn)電機(jī)控制�(shí)�(yàn).
4,電腦鼠電池電壓檢測實(shí)�(yàn).
5,步�(jìn)電機(jī)勻加減速實(shí)�(yàn).
�,電腦鼠巡航控�
本階段學(xué)�(xí)的主要內(nèi)容是通過編程可以使電腦鼠完成各種巡航�(dòng)�,� 電腦鼠在無感覺的情況下巡�.這一階段主要�(xué)�(xí)如下任務(wù):
1 ,編程使電腦鼠做一些基本的巡航�(dòng)�:向前,向后,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn)和原� 旋轉(zhuǎn).
2 ,�(diào)節(jié)任務(wù) 1 的運(yùn)�(dòng),使動(dòng)作更加精�.
3 ,�(jì)算使電腦鼠運(yùn)�(dòng)指定距離需要發(fā)給電腦鼠伺服電機(jī)的脈沖數(shù)�.
4 ,編寫程序使電腦鼠由突然啟�(dòng)或停止變?yōu)橹鸩郊铀倩驕p速運(yùn)�(dòng).
5 ,寫一些執(zhí)行基本巡航動(dòng)作的子程�,每一�(gè)子程序都能夠被多次調(diào)�.
6 ,將復(fù)雜巡航運(yùn)�(dòng)記錄在電腦鼠�(nèi)存模塊內(nèi)沒有被程序占用的�(nèi)存中,� 寫程序重�(xiàn)這些巡航�(yùn)�(dòng).
�,電腦鼠的紅外�(dǎo)� 在競賽過程中電腦鼠完全依靠紅外傳感器探測到的信息�(jìn)行計(jì)算和� �,使用紅外線發(fā)射和接收器件探測道路,因此必須要學(xué)�(huì)電腦鼠的紅外 �(dǎo)航原理及控制方法.本階段學(xué)�(xí)任務(wù)如下:
1,物體檢測和紅外干涉的�(shí)地測�.
2,紅外檢測距離�(diào)� .
3,探測和避開障礙物.
4,�(jī)器人迷路�(shí)的人工智能決�.
5,根據(jù)障礙距離選擇的動(dòng)作和避讓方法.
�,迷宮�(shí)�(yàn)
�(jīng)過前面的�(xué)�(xí)我相信我這使已經(jīng)基本掌握了電腦鼠的所有控制方�, 那么本階段開始就可以�(jìn)行迷宮實(shí)�(yàn)�.在真正的迷宮�(shí)�(yàn)中將以前所�(xué)�(xí) 的知�(shí)串連融合起�,使電腦鼠擁有正真的人工智�.在本階段同樣需要一 些策略性的�(xué)�(xí):
1,在迷宮中含姿勢修正的走直線實(shí)�(yàn).
2,步�(jìn)電機(jī)勻加減速控�,以及在迷宮中的前后移�(dòng),左右�(zhuǎn)彎實(shí)�(yàn).確定� 參數(shù).
3,有記憶功能的走迷宮實(shí)�(yàn)..使電腦鼠能夠在迷宮中不迷�,找出路徑.
4,使電腦鼠在迷宮過程中能夠顯示�(yùn)行狀�(tài),方便人機(jī)交互和參�(shù)�(shè)�.
�,迷宮算法�(yōu)� 本階段是競賽的沖刺階段了,本階段主要的任務(wù)是�(jìn)行迷宮算法設(shè)�(jì), 找出�, 使電腦鼠在迷宮任�(wù)中擁有正確的決策能力, 以及�(yōu)美的�(dòng)作轉(zhuǎn)�. 在迷宮任�(wù)中脫穎而出.
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