基于ARM的電腦鼠走迷宮的研究

摘要：目標(biāo)是設(shè)計制作集傳感器與控制于一體的，能夠自動穿越迷宮的電腦鼠。該電腦鼠結(jié)合了模擬電路、數(shù)字電路，自動控制理論等相關(guān)專業(yè)知識。提出將模塊化方法應(yīng)用于系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計，不僅提高了軟硬件開發(fā)效率，而且提高了軟硬件在實驗及檢修過程中的可維護(hù)性、可升級性。這里設(shè)計的電腦鼠能在迷宮中搜索路徑，走出迷宮，并能實現(xiàn)路徑優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：電腦鼠；嵌入式；ARM；迷宮路徑優(yōu)化

0 引言
電腦鼠(Micromouse)是智能機(jī)電鼠的簡稱，是一個由微處理器控制的集探測、分析、行走功能于一體，能夠自動搜索最佳路徑到達(dá)目的地的微型機(jī)器人。實際上電腦鼠就是一個電力驅(qū)動小車，而這個電動小車是由一個或多個微控制器來控制，通過傳感器和其他各功能器件的配合，具備一定的智能。同時，電腦鼠需擁有探測障礙物、行走、轉(zhuǎn)彎、加減速和制動等基本功能。
本文是以“IEEE國際電腦鼠競賽”為背景，以美國Luminary Micro公司生產(chǎn)的ARM CortexM3內(nèi)核的ARM處理器LM3S615為主控制器，控制和檢測紅外傳感器；微控制器根據(jù)檢測到的傳感信號，控制電機(jī)驅(qū)動電路，調(diào)整行走，按照載入搜索算法進(jìn)行迷宮的探測，尋找最短路徑，最終實現(xiàn)從起點到終點的沖刺。

1 電腦鼠系統(tǒng)整體設(shè)計方案
如圖1所示，整個系統(tǒng)可以大致分為以下主要部分：電源模塊，控制模塊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，傳感器模塊，機(jī)身模塊。可以做形象的比喻：電源模塊是電腦鼠的葡萄糖，控制模塊是電腦鼠的大腦，傳感器模塊是電腦鼠的眼睛，機(jī)身模塊是電腦鼠的軀干，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電腦鼠的腿；各模塊之間相互配合使電腦鼠正常工作并尋找到終點。

2 電腦鼠硬件研究與實現(xiàn)
2．1 電腦鼠硬件設(shè)計原理
本文研究的電腦鼠是一個跨學(xué)科的綜合作品，主要由電源、傳感器、步進(jìn)電機(jī)、控制核心電路、機(jī)身5個部分組成，如圖1所示。所以，電腦鼠的硬件設(shè)計主要包括電源模塊、微控制器單元模塊、傳感器模塊、電機(jī)控制模塊4個部分的設(shè)計。其中LM3S615微控制器是電腦鼠的核心，通過檢測到的傳感器信號，結(jié)合載入的搜索算法，控制步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)電腦鼠在迷宮中的行走。
2．2 電源模塊
電源模塊包括供電電池和電壓調(diào)節(jié)電路。供電電池為2 200 mAh，7．4 V的可充電鋰電池。電機(jī)驅(qū)動電壓由電源直接供給；LM3S615微控制器需3．3 V電壓供電，電壓調(diào)節(jié)電路采用Exar公司生產(chǎn)的SPX1117M3-3．3芯片將電源電壓穩(wěn)至3．3V；電腦鼠所使用的紅外線傳感器工作電壓為5 V，升壓芯片采用Exar公司生產(chǎn)的SP6641A將已經(jīng)較為穩(wěn)定的3．3 V電壓升至5 V。
2．3 微控制器單元模塊
本文采用美國Luminary Micro公司生產(chǎn)的CorteX-M3內(nèi)核的ARM處理器LM3S615，該芯片具有32位RISC性能，具備32 KB單周期FLASH，8 KB單周期SRAM，29個中斷，帶8個優(yōu)先級。微控制器模塊和其他模塊共同構(gòu)成一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，通過對路程信號、岔口信號和姿勢修正信號的檢測，經(jīng)由LM3S615進(jìn)行運(yùn)算，再將結(jié)果賦給電機(jī)執(zhí)行，由此實現(xiàn)電腦鼠的智能穿越迷宮。