基于STM32與DFS算法的電腦鼠的研究與設計

摘要：隨著(zhù)人工智能與工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機器人在各個(gè)領(lǐng)域的運用愈發(fā)廣泛，自動(dòng)化機器人逐漸代替人力已經(jīng)成為社會(huì )的發(fā)展趨勢。電腦鼠作為移動(dòng)機器人的典型代表，涉及到運動(dòng)控制、傳感器、路徑規劃、機械設計等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。本設計對當前市面上流行的電腦鼠機器人進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，通過(guò)改進(jìn)電腦鼠的整體結構，提高運行的穩定性，通過(guò)設計電腦鼠的運動(dòng)驅動(dòng)方案、測距方案，并深入研究電腦鼠的運動(dòng)算法，并采用DFS 算法重新設計電腦鼠的路徑規劃算法，實(shí)現電腦鼠的最優(yōu)路徑規劃。并能夠通過(guò)上位機實(shí)時(shí)顯示電腦鼠的電池電壓、運行模式、實(shí)時(shí)位置、方向等信息，并可對電腦鼠的參數進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以應對不同環(huán)境下參數配置的需要，在一定程度上推進(jìn)了電腦鼠的在現實(shí)中的應用。

關(guān)鍵詞：DFS；電腦鼠；PID；紅外傳感器；人工智能；上位機；藍牙

1 研究背景及意義

近年來(lái)，自動(dòng)化機器人在智慧工業(yè)、智慧工地、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應用，而針對機器人的自動(dòng)規劃路徑的研究，也變得更有必要。本設計以 STM32F103RCT6 單片機為主控制器，紅外傳感器為主要傳感器，結合深度優(yōu)先搜索算法 (depth-first-search, DFS) 算法，對電腦鼠機器人在其當前所處環(huán)境（迷宮）中，探索最優(yōu)運行路徑展開(kāi)研究。

本設計的研究主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）路徑規劃：一個(gè)好的算法可以使電腦鼠在迷宮中走最少的路線(xiàn)而找出迷宮的終點(diǎn)，所以，研究迷宮算法的過(guò)程中，需要對電腦鼠的路徑進(jìn)行規劃，而在現實(shí)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(jìn)行規劃，減少運動(dòng)的軌跡，可以有效地延長(cháng)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(guò)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，計算出墻壁的距離。

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

（4）運動(dòng)軌跡可視化：電腦鼠在運行過(guò)程中，通過(guò)藍牙調試板與 PC 上位機進(jìn)行通信，電腦鼠實(shí)時(shí)上報當前的狀態(tài)，包括電池電壓、運動(dòng)軌跡、當前位置等信息。通過(guò)對運行軌跡的分析，可以?xún)?yōu)化出更好的算法，并且可以通過(guò)上位機對電腦鼠內部參數進(jìn)行修改。

2 系統電路設計

2.1 紅外發(fā)射電路

SFH4550 工作時(shí)的電流為 100 mA，所以串聯(lián) 50 Ω 電阻進(jìn)行限流，通過(guò) NMOS 進(jìn)行驅動(dòng)，該型號的 MOS 最大電流可達到 5 A，柵源極閾值電壓為 2.7 V，因此可以通過(guò)微控制器直接進(jìn)行控制。該電路具有結構簡(jiǎn)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)，接收到對應波長(cháng)的紅外光束，形成到導通回路形成電流，通過(guò)電阻進(jìn)行分壓，并通過(guò)微控制器進(jìn)行 AD 轉換將電壓的模擬量轉換為數字量，根據電壓的高低，來(lái)獲取當前電腦鼠與墻壁的距離。紅外接收電路原理圖如圖 2。

2.3 電機驅動(dòng)電路

電機驅動(dòng)電路采用的是 TB6612，該電機驅動(dòng)芯片外圍電路設計簡(jiǎn)單，僅需要兩個(gè)電容即可。內部具有大電流的 MOSFET-H 橋結構，并且是雙通道驅動(dòng)，一個(gè)芯片可以驅動(dòng)兩個(gè)電機，支持正轉、反轉、制動(dòng)、停止 4 種控制模式，同時(shí)內部具有低壓保護電路與過(guò)熱停機保護電路。電機驅動(dòng)電路原理圖如圖 3。

2.4 電池電壓采集電路

電腦鼠在運行過(guò)程中，為防止電池電壓過(guò)低造成電池的過(guò)放電損壞電池，經(jīng)過(guò)查詢(xún)資料得知 8.4 V 的鋰電池組當電壓小于 7.4 V 時(shí)就屬于虧電，所以采用了低電壓待機的方案，當電壓小于 7.4 V 時(shí)啟動(dòng)電腦鼠進(jìn)入待機狀態(tài)。分壓電阻將電池電壓調整到微控制器可以采集的范圍。原理圖如圖 4：

3 微控制器程序設計

3.1 運動(dòng)控制程序設計

在電腦鼠運行過(guò)程中，電腦鼠不斷讀取紅外傳感器的數據，通過(guò)比例算法實(shí)時(shí)調整左右電機的轉速，實(shí)現電腦鼠的位置始終保持在賽道的中間位置。

（2）直角轉彎：連續轉彎的控制比較復雜，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，連續轉彎時(shí)的運行軌跡如下圖 5，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計算可以得出內外圈的長(cháng)度比為 1:3.5，因此就需要內圈與外圈的轉速比需要達到 1:3.5 才能在相同時(shí)的時(shí)間下經(jīng)過(guò) 90 度轉彎。

（3）原地掉頭：只需要控制電腦鼠左右輪向互斥方向轉動(dòng) 180 度即可。

3.2 系統程序設計

本程序的系統流程圖如圖 6，電腦鼠在上電的時(shí)候先對紅外傳感器，電機驅動(dòng)等外設模塊進(jìn)行初始化，判斷電池電壓是否正常，如果電池電壓過(guò)低進(jìn)入待機狀態(tài)不啟動(dòng)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(xiàn)、調試模式三種模式。

（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(méi)有發(fā)現路口的情況下保持直行的狀態(tài)，當發(fā)現路口時(shí)首先會(huì )獲取當前電腦鼠在迷宮中的坐標信息，在進(jìn)行與目標點(diǎn)的絕對位置計算，當前進(jìn)一格后到終點(diǎn)的絕對位置小于轉彎后前進(jìn)一格到終點(diǎn)的絕對位置，那么程序判斷直行到達終點(diǎn)的代價(jià)會(huì )小于轉彎到終點(diǎn)的代價(jià)，執行繼續前進(jìn)的指令。反之當前進(jìn)一格后到終點(diǎn)的絕對位置大于轉彎后前進(jìn)一格到終點(diǎn)的絕對位置，那么程序判斷直行到達終點(diǎn)的代價(jià)會(huì )大于轉彎到終點(diǎn)的代價(jià)，執行轉彎指令。直到到達終點(diǎn)，停止運動(dòng)，進(jìn)行 DFS 迷宮最短路徑解算，如圖 7。

（2）固定路線(xiàn)模式：在電腦鼠的比賽中是允許電腦鼠進(jìn)行多次測試的，當在探索下當電腦鼠到達了終點(diǎn)，并且經(jīng)過(guò)了 DFS 算法解算出最短路徑，此時(shí)的最短路徑信息會(huì )被保存在微控制器內部的 Flash，做到掉電不丟失，中途更換電池也不會(huì )影響電腦鼠中儲存的最短路徑信息，程序流程如圖 8。

（3）調試模式：該模式主要用于電腦鼠的調試階段的程序參數的修改，在調試模式下電腦鼠是處在一個(gè)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(jìn)行指定數據的修改，在修改完成之后，返回一條修改好的數據返回給上位機軟件，告訴上位機軟件修改后的數據，通過(guò)該模式可以大大提高電腦鼠的調試效率，免去了修改代碼、重新下載程序等的重復的步驟。調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(shù)或圖的算法，沿著(zhù)樹(shù)的深度遍歷樹(shù)的節點(diǎn)，盡可能深的搜索樹(shù)的分支。而在電腦鼠到達終點(diǎn)時(shí)，電腦鼠在探索過(guò)程中的迷宮信息都將保留下來(lái)，將電腦鼠走過(guò)的軌跡創(chuàng )建為一個(gè)新的迷宮，將迷宮的數據導入到 DFS 算法中， DFS 的本質(zhì)就是窮舉法，DFS 開(kāi)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航數據以及再次沖刺時(shí)的數據導航。DFS 算法程序流程圖如下圖 10。

3.3 上位機程序設計

上位機的系統流程圖如圖 11，上位機在與電腦鼠進(jìn)行連接時(shí)需要選擇電腦鼠與電腦藍牙的端口以及波特率信息，當電腦鼠與電腦建立起連接后，電腦鼠會(huì )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試模式時(shí)，上位機可以使用修改參數的功能，對電腦鼠的數據進(jìn)行修改。如果電腦鼠處于探索模式下，程序主窗口會(huì )實(shí)時(shí)顯示電腦鼠在迷宮的位置信息。

（1）主界面：主頁(yè)面的主要作用就是顯示運行信息、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置、功能按鈕，如圖 12。

圖12 主界面設計

（2）修改參數：修改參數是為在調試電腦鼠的時(shí)候方便修改電腦鼠內部的數據，如圖 13。

4 結語(yǔ)

電腦鼠是移動(dòng)機器人領(lǐng)域的重要分支，傳統的電腦鼠運行速度、穩定性都比較差，并且大多數采用數字紅外傳感器技術(shù)來(lái)判斷電腦鼠周?chē)沫h(huán)境，迷宮的解算算法也比較落后。本設計針對傳統電腦鼠的明顯的弊端，深入研究電腦鼠的紅外布局、運動(dòng)控制、紅外測距、硬件設計等，并最終完成了電腦鼠的設計。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，使電腦鼠采集的數據更加靈敏、準確、快速；

（2）改進(jìn)了傳統電腦鼠的控制方案，采用編碼電機實(shí)現了電腦鼠的速度、位置雙閉環(huán)控制器，對行駛中的電腦鼠速度、位置進(jìn)行精準的控制，設計出電腦鼠的連續轉彎機制，該轉彎方式可以顯著(zhù)提高電腦鼠的在轉彎時(shí)所用的時(shí)間；

（3）改進(jìn)了傳統電腦鼠的調參過(guò)程，傳統電腦鼠的調參需要修改代碼重新下載程序，非常麻煩。特別是當到達一個(gè)新的比賽環(huán)境，這樣的方式就顯得不是很高效，而采用了上位機的方式來(lái)調節參數就不會(huì )有這種麻煩，修改參數只有將需要修改的數值填上，即可實(shí)現一鍵對電腦鼠的數據進(jìn)行修改；

（4）改進(jìn)了電腦鼠的迷宮解算算法，實(shí)現了 DFS 算法與電腦鼠的結合，大大提高了電腦鼠解算迷宮的準確性。

參考文獻：

[1] 劉奇.吸盤(pán)電腦鼠的設計與控制算法研究[D].天津:天津工業(yè)大學(xué),2019.

[2] 李明.迷宮電腦鼠控制系統設計與算法研究[D].贛州:江西理工大學(xué),2008.

[3] 王遠敏.深度優(yōu)先搜索算法的應用研究[J].網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)與應用,2022(03):40-42.

[4] 曹景銘.基于強化學(xué)習的電腦鼠優(yōu)化方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2021.DOI:10.26944/d.cnki.gbfju.2021.000850.

[5] 王偉強.基于電腦鼠的底層驅動(dòng)庫的設計與實(shí)現[J].科技創(chuàng )新與應用,2016(16):83.

[6] 路亮.高端電腦鼠設計與控制研究[D].天津:天津工業(yè)大學(xué),2018.

（注：本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）