基于STM32與DFS算法的電腦鼠的研究與設計

摘要：隨著人工智能與工業自動化的發展，機器人在各個領域的運用愈發廣泛，自動化機器人逐漸代替人力已經成為社會的發展趨勢。電腦鼠作為移動機器人的典型代表，涉及到運動控制、傳感器、路徑規劃、機械設計等多個技術領域。本設計對當前市面上流行的電腦鼠機器人進行改進和優化，通過改進電腦鼠的整體結構，提高運行的穩定性，通過設計電腦鼠的運動驅動方案、測距方案，并深入研究電腦鼠的運動算法，并采用DFS 算法重新設計電腦鼠的路徑規劃算法，實現電腦鼠的最優路徑規劃。并能夠通過上位機實時顯示電腦鼠的電池電壓、運行模式、實時位置、方向等信息，并可對電腦鼠的參數進行實時修改，以應對不同環境下參數配置的需要，在一定程度上推進了電腦鼠的在現實中的應用。

關鍵詞：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，自動化機器人在智慧工業、智慧工地、智能家居等多個領域均得到了廣泛的應用，而針對機器人的自動規劃路徑的研究，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境（迷宮）中，探索最優運行路徑展開研究。

本設計的研究主要從以下幾個方面進行。

（1）路徑規劃：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劃，而在現實生活中，比如工業機器人在不同的工作站運送物料，就需要對路徑進行規劃，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速進行更加精確的控制。而在電腦鼠進行轉彎的過程中對轉速的要求則更加嚴格。

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

2 系統電路設計

2.1 紅外發射電路

SFH4550 工作時的電流為 100 mA，所以串聯 50 Ω 電阻進行限流，通過 NMOS 進行驅動，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，因此可以通過微控制器直接進行控制。該電路具有結構簡單、高效、利于控制等優點，紅外發射電路原理圖如圖 1。

2.2 紅外接收電路

TPS601A 在工作時，接收到對應波長的紅外光束，形成到導通回路形成電流，通過電阻進行分壓，并通過微控制器進行 AD 轉換將電壓的模擬量轉換為數字量，根據電壓的高低，來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 電機驅動電路

電機驅動電路采用的是 TB6612，該電機驅動芯片外圍電路設計簡單，僅需要兩個電容即可。內部具有大電流的 MOSFET-H 橋結構，并且是雙通道驅動，一個芯片可以驅動兩個電機，支持正轉、反轉、制動、停止 4 種控制模式，同時內部具有低壓保護電路與過熱停機保護電路。電機驅動電路原理圖如圖 3。

2.4 電池電壓采集電路

電腦鼠在運行過程中，為防止電池電壓過低造成電池的過放電損壞電池，經過查詢資料得知 8.4 V 的鋰電池組當電壓小于 7.4 V 時就屬于虧電，所以采用了低電壓待機的方案，當電壓小于 7.4 V 時啟動電腦鼠進入待機狀態。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 運動控制程序設計

在電腦鼠運行過程中，電腦鼠不斷讀取紅外傳感器的數據，通過比例算法實時調整左右電機的轉速，實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行精確的控制，連續轉彎時的運行軌跡如下圖 5，經過簡單計算可以得出內外圈的長度比為 1:3.5，因此就需要內圈與外圈的轉速比需要達到 1:3.5 才能在相同時的時間下經過 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 180 度即可。

3.2 系統程序設計

本程序的系統流程圖如圖 6，電腦鼠在上電的時候先對紅外傳感器，電機驅動等外設模塊進行初始化，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，在沒有發現路口的情況下保持直行的狀態，當發現路口時首先會獲取當前電腦鼠在迷宮中的坐標信息，在進行與目標點的絕對位置計算，當前進一格后到終點的絕對位置小于轉彎后前進一格到終點的絕對位置，那么程序判斷直行到達終點的代價會小于轉彎到終點的代價，執行繼續前進的指令。反之當前進一格后到終點的絕對位置大于轉彎后前進一格到終點的絕對位置，那么程序判斷直行到達終點的代價會大于轉彎到終點的代價，執行轉彎指令。直到到達終點，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，當在探索下當電腦鼠到達了終點，并且經過了 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待機的狀態下的，不斷接收上位機發送的信息，解析出需要修改的信息，進行指定數據的修改，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或圖的算法，沿著樹的深度遍歷樹的節點，盡可能深的搜索樹的分支。而在電腦鼠到達終點時，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建為一個新的迷宮，將迷宮的數據導入到 DFS 算法中， DFS 的本質就是窮舉法，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航數據以及再次沖刺時的數據導航。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行連接時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，電腦鼠會不斷上傳電壓、運行模式等狀態信息。在連接成功后并且電腦鼠處于調試模式時，上位機可以使用修改參數的功能，對電腦鼠的數據進行修改。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候方便修改電腦鼠內部的數據，如圖 13。

4 結語

電腦鼠是移動機器人領域的重要分支，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來判斷電腦鼠周圍的環境，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）改進了紅外傳感器的布局，并采用了高聚集的紅外發射管和紅外接收管，使電腦鼠采集的數據更加靈敏、準確、快速；

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

（3）改進了傳統電腦鼠的調參過程，傳統電腦鼠的調參需要修改代碼重新下載程序，非常麻煩。特別是當到達一個新的比賽環境，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節參數就不會有這種麻煩，修改參數只有將需要修改的數值填上，即可實現一鍵對電腦鼠的數據進行修改；

（4）改進了電腦鼠的迷宮解算算法，實現了 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.吸盤電腦鼠的設計與控制算法研究[D].天津:天津工業大學,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,2008.

[3] 王遠敏.深度優先搜索算法的應用研究[J].網絡安全技術與應用,2022(03):40-42.

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

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

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

（注：本文轉自《電子產品世界》雜志2022年6月期）