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山东大学创新教育通识核心课程

人工智能与机器人

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山东大学

Artificial Intelligence and Robotics

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第十四章电脑鼠走迷宫

Artificial Intelligence and Robotics

山东大学工程训练中心主讲：李泉

Tel:86358137 13006589457Email:[email protected]

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电脑鼠走迷宫竞赛



11 22 33 44 55 66

电脑鼠简介

电脑鼠简介

电脑鼠走迷宫演示


电脑鼠走迷宫算法


走迷宫标准套件走迷宫

标准套件电脑鼠

调试例程电脑鼠

调试例程

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电脑鼠传感器校正


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• 电脑鼠迷宫竞赛已经风靡全球

14.1 14.1 电脑鼠走迷宫竞赛电脑鼠走迷宫竞赛14.1 14.1 电脑鼠走迷宫竞赛电脑鼠走迷宫竞赛

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• 电脑鼠迷宫竞赛的发展史

1972 年由美国机械杂志发起比赛，最初的电脑鼠是机械的，由弹簧驱动。

1977 年， IEEE Spectrum 杂志提出电脑鼠的概念，电脑鼠是一个小型的由微处理器控制的机器人车辆，在复杂迷宫中具有译码和导航的功能。真正的首场电脑鼠迷宫竞赛于 1979 年于纽约举行，上千作品中只有 15 个电脑鼠成功完成比赛。

1991 年以来，世界级的比赛数目显著增加，现在每年 100 场比赛以上。

电脑鼠比赛在中国大陆还很少见，直到 2007年，由上海市计算机学会主办的 IEEE标准电脑鼠走迷宫邀请赛（长三角地区）在上海师范大学举行，有三十多所院校参加，反响强烈。 2009 年，首届 “全国电脑

”鼠走迷宫竞赛在北京成功举办，随后组委会相继举办了 2010 “ ”全国电脑鼠走迷宫竞赛。


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电脑鼠走迷宫竞赛的三大赛事，水平排第一的是 All Japan Micromouse Contest，排第二的是新加坡公开赛SRG，排第三的是 IEEE APEC，在美国举行。新加坡公开赛参加的外国人不多，但新加坡的电脑鼠技术太强，这几年一直包揽各项赛事冠军。

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迷宫的规范• 1 ．迷宫由 16×16 个﹑ 18cm×18cm 大

小的正方形单元所组成。• 2 ．迷宫的隔墙高 5cm ，厚 1.2cm ，因

此两个隔墙所构成的通道的实际距离为16.8cm 。外墙将整个迷宫封闭。

• 3 ．迷宫隔墙的侧面为白色，顶部为红色。迷宫的地面为木质，使用油漆漆成黑色。隔墙侧面和顶部的涂料能够反射红外线，地板的涂料则能够吸收红外线。

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电脑鼠的规范• 1．电脑鼠必须自成独立系统，不能使用可燃物为能源。

• 2．电脑鼠的长和宽限定在25cm×25cm。每次运行中电脑鼠几何尺寸的变化不能超过 25cm×25cm。对电脑鼠的高度没有限制。

• 3．电脑鼠穿越迷宫时不能在其身后留下任何东西。

• 4. 电脑鼠不能跳越、攀爬、钻挖和损毁迷宫隔墙。

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• 迷宫竞赛的简介

目的：迷宫竞赛的目的是制作一个微型机器人，它能在最短的时间内穿越迷宫到达终点。

电脑鼠的基本功能是从起点开始走到终点，这个过程称为一次“运行”，所花费的时间称为“运行时间”。从终点回到起点所花费的时间不计算在运行时间内。从电脑鼠的第一次激活到每次运行开始，这期间所花费的时间称为“迷宫时间”。如果电脑鼠在比赛时需要手动辅助，这个动作称为“碰触”。

竞赛使用这三个参数，从速度、求解迷宫的效率和电脑鼠的可靠性三个方面来进行评分。在迷宫中运行时间最短的电脑鼠获胜。


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• 电脑鼠迷宫竞赛的计分规则说明

启动运行时间 T1 返回

迷宫时间：电脑鼠激活到每次运行开始的那段时间运行时间：电脑鼠从起点走到终点的时间

! 成绩＝迷宫时间 ÷30 ＋运行时间－奖励时间（非碰触）


返回运行时间T2

迷宫时间M2

迷宫时间 M1=0

碰触：电脑鼠在运行过程中若要手动辅助，则为碰触，最多允许碰触 4 次，发生一次碰触失去10s 的奖励时间，第二次以后多碰触一次增加 5s惩罚时间。

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• 电脑鼠迷宫竞赛的模拟

1 、搜索迷宫，第一次运行

2 、智能选路，第二次运行

时间计算：这个电脑鼠运行第一次运行时间为 60s ，没有碰触过，迷宫时间为0 ，排障时间就是： 60秒－ 10秒（无碰触） =50秒。第二次运行时间为 20秒，迷宫时间为 90s 。这次运行的排障时间就是： 20秒+ （ 90秒×1/30 ）－10秒（无碰触） =13秒


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11 22

电脑鼠简介

电脑鼠简介

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• 电脑鼠是一种具有人工智能的移动机器人» 它是多学科的交叉结合的结晶

14.2 14.2 电脑鼠电脑鼠简介简介14.2 14.2 电脑鼠电脑鼠简介简介

传感

机械人工智能

电子运动控制软件工程

移动机器人的应用实例

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• 电脑鼠诠释了肢体、感官、脑的协调工作

感官：传感器肢体：电机脑：处理器


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• Micromouse615 资源

传感器传感器驱动装置驱动装置

处理器处理器机械结构机械结构

软件设计软件设计

MicroMouse615采用红外传感器，电路简洁，控制轻松 MicroMouse615采用步进电机，速度平稳，运行准确 MicroMouse615采用基于 Cortex-M3 内核的 LM3S615 处理器 MicroMouse615 机身设计短小灵巧，能在迷宫里转动自如 MicroMouse615 实现了基本的迷宫算法，能准确找到终点


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LM3S615ARM cortex-M3 内核

• 功耗低• 具有门数目少（价格低）• 调试成本低 • 中断延迟短 • 中断响应快速且支持多级中断嵌套• 处理器采用先进的 ARMv7-M架构


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红外测距原理• 发射管

– 940nm– PWM 调制

• 接收管– IRM8601S– 940nm– 视角 45˚ – 38K带通滤波

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红外测距原理• 近距

– 红外信号衰减– 调整变阻器改变发射信号强度改变检测距离

• 远距– 调整发射频率改变带通滤波器对信号的衰减程度改变检测距离

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步进电机驱动•半步驱动•步进角 3.75˚• 两个电机独立控制•定时器控制 IO口翻转• 加减速控制

– 调节定时时间

A1

A1 B1 A2 B2 A1

t

B1

A2

B2

A1B1 A2B1 A2B2 A1B2 A1B1

t

A1 A1B1 B1 A2B1 A2

t

A2B2 B2 A1B2 A1

单拍驱动（a）整步驱动（b）

半步驱动（c）

A1

B1

A2

B2

A1

B1

A2

B2

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• 编码器• 陀螺仪

– MEMS陀螺仪– 旋转角度测量– 漂移

• 距离传感器• GP2D12

– 40ms – 10-80cm

• 运放+AD


传感器

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• 电机– 步进电机

• 更改电机• 细分

– 直流电机• 有刷直流电机

– 减速器– 闭环控制

»编码器，速度闭环控制» 电流环，力矩控制

• 无刷直流电机– 有感– 无感


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11 22 33

电脑鼠简介

电脑鼠简介



23

• 电脑鼠走迷宫演示

14.3 14.3 电脑鼠走迷宫演示电脑鼠走迷宫演示14.3 14.3 电脑鼠走迷宫演示电脑鼠走迷宫演示

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11 22 33 44

电脑鼠简介

电脑鼠简介





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• 电脑鼠迷宫搜索算法– 右手法则

• 电脑鼠顺着右边走，只要右边存在没有走过的入口则向右转。• 有多个未走过的入口坐标入栈• 无未走过入口时返回栈顶坐标格

– 左手法则• 电脑鼠顺着左边走，只要左边存在没有走过的入口则向左走。• 有多个未走过的入口坐标入栈• 无未走过入口时返回栈顶坐标格

– 中心法则• 电脑鼠就向着离中心目标点最近的方向前进。• 有多个未走过的入口坐标入栈• 无未走过入口时返回栈顶坐标格

14.414.4电脑鼠走迷宫算法电脑鼠走迷宫算法14.414.4电脑鼠走迷宫算法电脑鼠走迷宫算法

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• 迷宫资料的存储

人走迷宫会迷路，但是聪明的电脑鼠是不会的。

如右图，先给迷宫里的单元格按X,Y轴编上号。

迷宫是由一个个18cm×18cm 大小的方格组成的，迷宫大小为 16×16 ，即行列各有 16 个方格。

0

3 1

2

0

3 1

2

再规定用0 、 1 、 2 、 3 分别代替上、右、下、左

四个方向。

14.414.4 电脑鼠走迷宫算法电脑鼠走迷宫算法14.414.4 电脑鼠走迷宫算法电脑鼠走迷宫算法

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• 迷宫资料的存储 - 一维数组


m 272 X 16* Y 1 上方

左方m 16*X Y

m 272 X 16*Y

m 16* X 1 Y （）

下方

右方

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• 电脑鼠的方向转换

电脑鼠只要有了坐标便能够把采集的信息存到相应存储单元中，以被运行时遍历。但是除了坐标还得知道电脑鼠方向，才能将电脑鼠的四个方向转换为迷宫上的绝对方向。

电脑鼠向上时，电脑鼠的前方为当前绝对方向——上。

! 电脑鼠左转后，电脑鼠的前方则为当前绝对方向——左。

如何让老鼠在迷宫左拐右拐后还能记住自己前进的方向与迷宫的方向关系呢？


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电脑鼠走迷宫算法电脑鼠走迷宫算法

0

上

3 左右 1

下2

上面动画就是电脑鼠记住方向的示意图，也就是每转动一次（ 90 度或 180 度）就要把方向值顺时针或逆时针移动一个（ 90 度）或两个（ 180 度）单位。

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相对方向绝对方向电脑鼠前方 Dir

电脑鼠右方（ Dir + 1 ） % 4

电脑鼠后方（ Dir + 2 ） % 4

电脑鼠左方（ Dir + 3 ） % 4

相对方向转绝对方向

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绝对方向差值（∆ Dir ）

相对方向

0 电脑鼠前方1 电脑鼠右方2 电脑鼠后方3 电脑鼠左方

绝对方向转相对方向

∆dir=Dir_dst + 4 - dir

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• 求最短路径——制作等高图 :

电脑鼠走迷宫算法电脑鼠走迷宫算法

00 01 02 03

00 fe fe fe fe

10 fe fe fe fe

20 fe fe fe fe

30 fe fe fe fe STACK

建立一个小型示意迷宫，假设老鼠已完成对迷宫的搜索，即掌握了迷宫地图。 1

00

2 103

4 5

3 4 5

6 7

8

8

把走过的方格标记为

0xfe ，未走过的标记为

0xff

起点标记为 1

把起点坐标保存到堆栈

标记为 2 ，表示第二步到达的方格，后面的以此类推

此时迷宫的前方和右方都有路

这是第三步

此时没有可前进的路，于是返回堆栈保存分支的

地址继续标记地址出栈

20

22

13

继续保存分叉路的坐标 9101112

此时前进方向的数比自己还小，所以无路可走，应该返回到堆栈保存的分支地址

6

32

7784 5

等高图的最后的结果如左图所示，图中已经标明各个坐标到起点需要的最少步数，也就是找出了所有点到起点的最短路径。

于是保存分叉路的坐标，并随便选一个方向前进，这不影响结果

此时搜索已没有可前进的方向，且堆栈中的分支地址仅有起点地址，所以可以判断等高图制作完毕。

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连续转弯（ smoothturn)五段法转弯

转弯半径尽可能小直线段尽可能长转弯速度受限制

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电脑鼠简介

电脑鼠简介


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标准套件

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• 电脑鼠走迷宫竞赛标准迷宫

14.5 电脑鼠走迷宫标准套件14.5 电脑鼠走迷宫标准套件

符合 IEEE 国际标准的迷宫MicroMouse Maze16×16

此图为：MicroMouse Maze

16×16 我们还有：MicroMouse Maze

8×8

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• MicroMouse615 迷宫智能鼠

14.5电脑鼠走迷宫标准套件14.5电脑鼠走迷宫标准套件

• 符合国际比赛标准，体积小，宽度只有迷宫格的一半；

• 前方五组可测距的红外线传感器，灵敏度高，方便现场调节；

• 电机为步进电机，控制容易；• 电池为 2200mAh ， 7.4V 的可充电锂电池，支持电池的电压监测，避免电量不足带来的麻烦；

• 采用基于最新内核 Cortex-M3 的 32位Luminary 单片机 LM3S615 ，运算速度快，外设丰富；

• 为用户预留了 6 个 GPIO口，一个串口，一个 SPI接口。

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• 其他配套开发工具


与 MicroMouse615配套的有锂电池、充电器、 LM LINK USB JTAG 调试器和 SPI接口的键盘显示模块，使用户开发调试更为方便。

同时提供《电脑鼠开发指南》和出厂程序光盘。

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键盘显示模块（ SPI接口）用途提示： 1 、在开发过程中，或迷宫竞赛开始前用于显示红外线传感器的灵敏度，以方便进行调试。 2 、在验证自己迷宫算法的时候，用数码管显示自己所处的迷宫坐标和采集的墙壁信息。 3 、键盘可以设置为单步验证各个功能模块，并在数码管上进行显示，比如步进电机的转速，方向等等。 4 、……

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LM LINK 是由广州致远电子有限公司开发的低成本高性能 USB JTAG 调试器，它专门用于对Luminary系列单片机程序的调试与下载。该调试器结合 IAR EWARM 集成开发环境，可支持所有LM3S系列MCU 的程序的下载与调试。

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电脑鼠简介

电脑鼠简介


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调试例程

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• 电脑鼠硬件调试连接说明

14.6 电脑鼠调试例程14.6 电脑鼠调试例程

1.连接电脑鼠电源

2.插入 JTAG接口

3.拨开电源开关

4.插入 USB 通信接口

5. 开始下载调试

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• 软件安装

– 根据电脑鼠安装指南安装 IAR EWARM 集成开发软件

– 安装光盘中的 LM LINK 驱动程序，并按照指南进行相关配置

– 安装流明诺瑞驱动库，并按照指南进行相关配置


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• 实验例程：步进电机控制


打开 IAR EWARM集成开发环境，建立工作区和新建一个项目：

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点击 Create new project 后会跳出如下对话框，默认情况下直接点击 OK按钮：

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在“另存为”窗口中浏览和选择新建的 D:\DEMO目录，输入新项目的文件名为 demo ，然后保存：

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这时在屏幕左边的 Workspace 窗口中将显示新建的项目名和输出代码模式，如图所示：

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建立文件组，右击“ demo-Debug”然后选择 ADD > ADD Group ，如图所示：

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新建 3 个文件组： startup文件组、 src文件组和lib文件组，如图所示：

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向文件组添加对应文件，如图所示： driverlib.r79文件在安装目录： C:\Program Files\IAR Systems\Embedded Workbench 4.0 Kickstart\arm\lib\Luminary startup.c文件在库文件所在目录：D:\PDL-LM3S-1928\DriverLib\ewarm

main.c文件为用户建立保存的

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按照电脑鼠开发指南所示进行项目的设置。然后将目录MicroMouse615配套资料 \Demo\ 基础实验 \Step Motor\src 中 main.c 的内容复制粘贴到新建的“ mian.c”文件，并向工程添加“ type.h”文件，如图所示：

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在“ startup.c”文件里的开始位置中声明中断服务函数，如图所示：

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在“ startup.c”文件里修改系统定时器中断和定时器0 中断的入口地址，如图所示：

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编译下载程序，如图所示：

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然后即可进行分步调试，观察步进电机的转动是不是符合控制时序：

注意：如果在下载程序时，有提示信息出现，直接选择“否”就可以了。

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• #define KEY_PORT SYSCTL_PERIPH_GPIOC• #define KEY_PIN GPIO_PORTC_BASE , GPIO_PIN_4• #define KeyGet() GPIOPinRead(KEY_PIN)• // 防止 JTAG 失效• void WaitJTAG(void)• {• SysCtlPeripheralEnable (KEY_PORT); // 使能按键所在的 GPIO端口• GPIOPinTypeGPIOInput (KEY_PIN); // 设置按键所在管脚为输入• if ( KeyGet() == 0x00 ) // 如果有键按下，则进入• {• for (;;); // 死循环，以等待 JTAG连接• }• SysCtlPeriDis(KEY_PORT); // 禁止按键所在的 GPIO端口• }


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电脑鼠简介

电脑鼠简介


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调试例程

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• 红外线传感器在场地中的调试方法

14.7 电脑鼠传感器的校正14.7 电脑鼠传感器的校正

校正条件 & 要求：

1 、电脑鼠要放在标准迷宫中校正。2 、在电脑鼠上连接好套件中配套的键盘显示模块

调试程序： 1 、使用的测试程序就是出厂程序： MicroMouse615_Demo.bin 。

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调试步骤：步骤 1 ：上电复位，数码管显示数据

第 1~5 个数码管分别用来指示U1~U5五个传感器的状态，用手分别遮挡这五个传感器，就能观测到对应数码管的的点亮或者熄灭；第 6 个数码管空闲；第 7 、8 个数码管显示的是电池电压。

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步骤 2 ：调节 U1 和 U5 的灵敏度

在此类的迷宫中，通过调节W1设置 U1 传感器。使电脑鼠靠近右侧挡板约 5mm ，调节W1 ，使第一个数码管能稳定的点亮一个段，第二个段刚好点不亮或处于微弱的闪烁状态。

5mm

60


调节W5设置 U5 传感器灵敏度的示意图，方法同上，电脑鼠靠近左侧 5mm 时，第五个数码管能稳定的点亮第一个段，第二个段刚好不亮或处于微弱的闪烁状态。

5mm

61


20mm

放置图上所示的迷宫中，使电脑鼠靠近左侧挡板约 20mm ，调节W2 ，使第二个数码管刚好能稳定的点亮。

步骤 3 ：调节 U2 和 U4 的灵敏度

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20mm

放置图上所示的迷宫中，使电脑鼠靠近右侧挡板约 20mm ，调节W4 ，使第四个数码管刚好能稳定的点亮。

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步骤 4 ：调节 U3 的灵敏度

放置于图上所示的迷宫，使左右两侧的 U1 和 U5传感器刚好越过挡板的一端，探测不到挡板，这时第三个数码管刚好能指示出 U3 传感器能微弱的探测到前方挡板。即如果电脑鼠再后退一点就检测不到前方挡板。

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14.7 电脑鼠传感器调试14.7 电脑鼠传感器调试

步骤 5 ：电脑鼠试跑

放在布置好的标准迷宫中，按下底板上的 KEY键，这时电脑鼠将在迷宫中跑动。看它跑动过程中离迷宫间距是否合适，转弯是否准确，然后根据情况继续调整。

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• 相关资源– http://micromouse.com.cn 竞赛官方网站– http://micromouseonline.com 国外电脑鼠专业网站联系方式– Email:[email protected]，muzibaishui@fox

mail.com– Tel:13006589457– Office:86358137– 公共邮箱： [email protected],密码：

xunlianzhongxin

14.7 电脑鼠传感器调试14.7 电脑鼠传感器调试

http://micromouse.com.cn/

http://micromouseonline.com/

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思考题• 1 、简述电脑鼠走迷宫竞赛的发展史。•２、电脑鼠走迷宫竞赛的比赛规则是什么？• 3、电脑鼠走迷宫有几种算法？分别加以阐述。

• 4 、MicroMouse615电脑鼠的传感器如何校正？

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结束

谢谢大家！

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