“U轉法”在基于STM32的微電腦鼠迷宮探索中的應用

0 引言

微電腦鼠本質(zhì)上就是個(gè)微小的智能機器人，個(gè)子只有鼠標的大小，有著(zhù)4 個(gè)小輪子，依靠微控制器、傳感器和機電運動(dòng)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(gè)由許多圍墻和死胡同構成的迷宮中，通過(guò)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?chē)沫h(huán)境并自動(dòng)記憶，依靠人工智能算法自主判斷選擇合適的路徑，控制著(zhù)輪子行走的方向和速度，從而保證用最少的時(shí)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、數據分析處理功能強、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(diǎn)。一只完整的電腦鼠應該包括微處理器系統、傳感器電路、電機驅動(dòng)電路、智能算法等幾個(gè)部分，如果微電腦鼠想用最短的時(shí)間到達預定的目標，那么，其必須對迷宮進(jìn)行有效的探索，對路徑進(jìn)行最佳的規劃，在硬件結構和功能區別不大的情況下，最佳的判斷、選擇最優(yōu)的路徑就意味著(zhù)耗用最少的時(shí)間，因此，一個(gè)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(shí)間是評判微電腦鼠是否優(yōu)秀的一個(gè)重要衡量指標，迷宮時(shí)間的長(cháng)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(shí)間內到達目的地。

早期的迷宮一般是木制材料制成，為一個(gè)正方形，尺寸是18 cm×18 cm，內部分成16×16 格。隨著(zhù)集成電路技術(shù)、現代傳感與測量技術(shù)、現代通訊技術(shù)和AI 算法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，迷宮的尺寸變成了9 cm×9 cm，內部分成了32×32 格，即1 024 個(gè)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?chē)沫h(huán)境變得更加復雜，任務(wù)的完成變得更加具有挑戰性，在相當程度上增加了微電腦鼠到達目的地的難度。

圖1 迷宮二維結構

將微電腦鼠放置在迷宮左下角的起點(diǎn)，坐標（0，0）的位置，打開(kāi)微電腦鼠的電源開(kāi)關(guān)，微電腦鼠將全程獨立自主地到達終點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，微電腦鼠身上的傳感器類(lèi)似它的“眼睛”，用來(lái)準確獲取周?chē)沫h(huán)境信息并傳輸給微處理器；微處理器類(lèi)似它的“大腦”，需要迅速進(jìn)行信息處理并作出準確判斷，通過(guò)各種智能算法，在最短的時(shí)間內、正確地解開(kāi)由1 024 個(gè)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(diǎn)到達終點(diǎn)的最佳路徑，然后以最合理的速度、在最短的時(shí)間內到達目標位置。值得注意的是，微電腦鼠在迷宮探索過(guò)程中應隨時(shí)觀(guān)察周?chē)h(huán)境，獲取自身的位置信息以及周?chē)鷵鯄Φ沫h(huán)境信息，并實(shí)時(shí)將信息傳遞給微處理器，便于其及時(shí)處理和判斷，同時(shí)向控制器發(fā)出指令，控制器根據指令參數來(lái)不斷執行前進(jìn)/ 后退、加速/ 減速、左轉/ 右轉等運動(dòng)控制，使其按照選擇的規劃路徑和適當的運動(dòng)參數探索行走。1 只優(yōu)秀的微電腦鼠必須具有良好的運動(dòng)控制能力、周?chē)h(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(shí)間是其中一個(gè)重要的衡量指標，迷宮時(shí)間的長(cháng)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(shuō)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(xué)者進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行劃分并對概率距離和標定各區域進(jìn)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(jiǎn)稱(chēng)“U 轉法”）進(jìn)行了研究，實(shí)現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(guò)程是在一邊探索一邊根據接收的指令快速移動(dòng)，如圖2 所示，假設在行走過(guò)程中遇到這樣一段線(xiàn)路環(huán)境，那么當前坐標點(diǎn)（x，y）將傳送到微處理器中并被存儲起來(lái)，隨后，控制器發(fā)出指令，微電腦鼠開(kāi)始探索行走的路徑，特別是轉彎的路徑探索。

圖2 線(xiàn)路環(huán)境

微電腦鼠的一般運動(dòng)軌跡如圖3 所示，在這樣的環(huán)境下，微電腦鼠會(huì )豎直向上直行，遇到前方有障礙物體時(shí)，會(huì )90° 右轉向右繼續行走，然后又遇到前方障礙物體時(shí)，會(huì )繼續90° 右轉向下行走，再次遇到前方擋墻時(shí)，會(huì )90° 左轉向左繼續行走，然后又遇到前方擋墻時(shí)，又會(huì )繼續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，一般情況下，微電腦鼠會(huì )選擇這樣的一條行走路線(xiàn)，那么它行走的距離就變得更加長(cháng)了，另外，在行走的過(guò)程中，它還需要不斷地啟動(dòng)、加速、減速、停止、轉向……，這樣的話(huà)，行走的時(shí)間也就毫無(wú)疑問(wèn)的增加了。

圖3 一般運動(dòng)軌跡

為此，本文對微電腦鼠的連續轉彎方法進(jìn)行了深入探索，提出了一種連續兩次90° 轉彎的回轉探索法，因其路徑類(lèi)似字母U，簡(jiǎn)稱(chēng)“U 轉法”，并進(jìn)行了實(shí)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(diǎn)的時(shí)間也減少了。思路如下：微控制器接收到傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的周?chē)h(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，然后與FPGA 器件進(jìn)行通訊，FPGA 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(dòng)微電腦鼠在不斷地探索中行走。

圖4 右側回轉“U轉法”原理圖

具體原理描述如下：當微電腦鼠一邊探索一邊向前行走時(shí)，假設在行走過(guò)程中遇到如圖2 所示的一段線(xiàn)路環(huán)境，微電腦鼠將按照曲線(xiàn)運動(dòng)軌跡分段進(jìn)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_Arc、R90_Passing。微控制器首先把行走直線(xiàn)很短的距離R90_Leading 按照探索到的環(huán)境參數轉化為位置參數、速度參數以及加速度參數指令值，然后與FPGA器件通訊，FPGA 控制著(zhù)微電腦鼠的左右輪，FPGA 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(dòng)的PWM 波，PWM 波經(jīng)驅動(dòng)橋放大，控制著(zhù)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(shí)時(shí)更新指令并傳輸給FPGA，實(shí)時(shí)動(dòng)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(xiàn)；當到達既定位置時(shí)，傳感器參考值R90_FrontWallRef 開(kāi)始工作，進(jìn)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(huì )按照不同環(huán)境要求，把曲線(xiàn)運動(dòng)軌跡R90_arc 轉化為速度和加速度參數，通過(guò)與FPGA 通訊進(jìn)行指令值傳送，然后，FPGA 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(dòng)的PWM波，PWM 波經(jīng)驅動(dòng)橋放大，控制著(zhù)微電腦鼠輪子的速度和加速度實(shí)現回轉探索。在微電腦鼠回轉探索過(guò)程中，微處理器結合傳感器的各種反饋，實(shí)時(shí)更新指令并傳輸給FPGA，實(shí)時(shí)動(dòng)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；當到達既定位置后，微電腦鼠已經(jīng)完成向右旋轉90° ，進(jìn)入到R90_Passing 段，微控制器把行走直線(xiàn)很短的距離R90_Passing+R90_Leading 按照探索到的環(huán)境參數轉化為速度和加速度參數指令值，然后與控制著(zhù)微電腦鼠左右輪的FPGA 器件通訊，FPGA 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(dòng)的PWM波，PWM 波經(jīng)驅動(dòng)橋放大，控制著(zhù)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(shí)時(shí)更新指令并傳輸給FPGA，實(shí)時(shí)動(dòng)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(xiàn)；微電腦鼠完成R90_Passing 直線(xiàn)行走，進(jìn)入到R90_Leading 段，到達既定位置時(shí)，傳感器參考值R90_FrontWallRef 開(kāi)始工作，進(jìn)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(lái)，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° 。

圖5 左側回轉“U轉法”原理圖

左側回轉完成后再繼續右側回轉，如此往復，直至到達預定的位置，這就是U 轉法的具體實(shí)現過(guò)程。

圖6 微電腦鼠

2   硬件設計

本文實(shí)驗所用的微電腦鼠如圖6 所示，為了滿(mǎn)足微電腦鼠探索時(shí)行走的穩定性和快速性的要求，采用了ARM+FPGA的雙核控制的先進(jìn)設計理念，FPGA有非?？斓臄祿幚砟芰?，可以來(lái)處理直流伺服系統的各種算法，這樣可以適當減輕ARM 的工作壓力，實(shí)時(shí)響應各種中斷，實(shí)現了數據通信和存儲的實(shí)時(shí)同步，增強了抗干擾能力。本設計的整個(gè)系統框架包含了硬件系統和軟件系統兩個(gè)部分，其中，硬件系統由微處理器、電源電路、傳感器電路、電機驅動(dòng)電路以及車(chē)體結構系統等部分組成。在完成相應的硬件、軟件制作以及功能測試后，就可以進(jìn)行系統測試，并對結果進(jìn)行評估。系統硬件結構組成如圖7 所示。

圖7 系統硬件結構

本設計的微控制器選用的是STM 公司生產(chǎn)的STM32F429IGT6， 它是基于A(yíng)RM 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(gè)12 位A/D 轉換器、2 個(gè)D/A 轉換器、1 個(gè)低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、12 個(gè)通用16 位計時(shí)器、2 個(gè)通用32 位計時(shí)器等強大的I/O 端口和先進(jìn)的外設，Cortex-M4 支持所有ARM 單精度數據處理指令和數據類(lèi)型，實(shí)現了一套完整的DSP 指令，能夠滿(mǎn)足數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(diǎn)滿(mǎn)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（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）是優(yōu)秀的可編程器件，可解決原來(lái)的可編程器件門(mén)電路有限的缺點(diǎn)，用于A(yíng)SIC（專(zhuān)用集成電路）的半定制電路，可以根據設計需要，在短時(shí)間內設計出特定的ASIC，降低成本、縮短開(kāi)發(fā)周期、可重復使用，非常適合高性能的多軸伺服系統的控制需求，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(guò)I/O 接口與微處理器實(shí)時(shí)進(jìn)行數據交互。

U 轉法中，對微電腦鼠探測周?chē)h(huán)境參數提出了更高的要求，為了提高迷宮探索的精密度和準確度，本文實(shí)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。

圖8 微電腦鼠傳感器結構圖

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，防止出現誤加速，如果傳感器1 和6 發(fā)現運動(dòng)前方出現了擋墻障礙物，就會(huì )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(dòng)信號，反之，微電腦鼠將進(jìn)入加速運動(dòng)；同時(shí)，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(xiàn)。如果傳感器1、3 和6 發(fā)現前方出現擋墻障礙物，會(huì )將環(huán)境信息及時(shí)的傳遞給微處理器進(jìn)行處理，然后與A3P250 進(jìn)行通訊，生成控制電機的PWM 控制信號，執行右轉1/4 圓弧的操作；如果傳感器1、4 和6 發(fā)現前方出現擋墻障礙物，微處理器會(huì )及時(shí)接收到環(huán)境信息，然后與A3P250 進(jìn)行通訊，生成控制電機的PWM 信號，執行左轉1/4 圓弧。本文實(shí)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(jìn)過(guò)程中的穩定性，對微電腦鼠的位置坐標能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)過(guò)程中出現大幅度偏離中心位置的現象。

3 軟件設計

本文實(shí)驗所用的微電腦鼠，在準備開(kāi)始迷宮探索的時(shí)候，將其放置在迷宮的起點(diǎn)（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(lài)于4 個(gè)傳感器探測的環(huán)境信息，根據實(shí)際的導航環(huán)境沿著(zhù)預判路徑快速前進(jìn)，STM32F429 根據探索到的環(huán)境參數將其轉化為輪子所需行走的距離、速度和加速度參數，然后與A3P250 進(jìn)行通訊，A3P250 根據這些參數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?；凇癠 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(xiàn)探索”和“S 法探索”^[8]就不在此討論了。

4 結束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗，本文所用的微電腦鼠在迷宮探索時(shí)，行走在兩邊擋墻的中心線(xiàn)，能夠沿著(zhù)預設的曲線(xiàn)方向運行，這說(shuō)明紅外傳感器組和陀螺儀對微電腦鼠的位置坐標能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)補償，STM32F429 能夠接收反饋并實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，實(shí)現精確補償，U 轉法的應用，進(jìn)一步減少了微電腦鼠的迷宮探索時(shí)間。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）