基于现实迷宫地形的电脑鼠设计.pdf
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1、第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会教改项目()江苏省高等教育教改研究课题重点项目()南京邮电大学教育科学“十三五”规划重点课题()南京邮电大学大学生创新创业训练计划项目()通讯联系人文章编号:()基于现实迷宫地形的电脑鼠设计吴润强庹忠曜刘文杰项璟晨孙科学(.南京邮电大学 电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院江苏 南京.南京邮电大学 自动化学院、人工智能学院江苏 南京.南京邮电大学 通信与信息工程学院江苏 南京)摘要:针对现阶段电脑鼠计算量庞大且不适用于现实迷宫地形的问题设计出一款可在现实迷宫地形下自动寻找出口的电脑鼠 该电
2、脑鼠基于超声波测距与传统迷宫算法原理适用于岔路数量与道路宽度不定、多死路弯道并且相对较大的迷宫地形具有适应性强、计算量小、兼容性和可塑性强等优点对于现实迷宫地形下的自动应用具有一定研究价值关键词:电脑鼠超声波测距迷宫算法自动应用中图分类号:.文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.随着当今社会的进一步智能化智能小车这一领域得到巨大的发展但是其中对于智能小车走迷宫的研究却大多只是偏重电脑鼠的路径记忆与快速寻找出路的算法之中 此类电脑鼠往往需要先通过轨道循迹或障碍接触对可以行走的路径进行遍历不仅其中有关路径记忆的庞大数据占用了大量的 对较为复杂的功能增添带来困难而且其道路感知方式、车辆行驶方法
3、和迷宫算法等通常仅适用于 比赛等道路笔直宽度一致、至多三分岔口并且整体较小的理想迷宫环境 面对岔路数量与道路宽度不定、多死路弯道并且相对较大的现实迷宫地形智能小车的功能应用大多都是通过手动控制其中对于现实迷宫地形的无记忆路径寻找更是处于一片相对空白的区域基于以上因素特设计出一款适用于现实迷宫环境的电脑鼠 该电脑鼠以超声波测距为基础对当前的道路状况与前方可转弯的路口可能进行判断保证电脑鼠始终保持在道路中间行驶并基于现有的电脑鼠智能算法进行改进提出三类较为可行的路径寻找算法并根据其适用情况进行比较分析 在保证其能成功在现实中的迷宫环境中找寻出路的前提下减少没必要的路径遍历与路径记忆步骤进而降低自身
4、寻路运算占用 整体设计.设计思想在复杂的现实道路中阻碍电脑鼠前进的障碍物并非 比赛中呈直线平行分布的情况(见图)并且电脑鼠相邻两边的障碍物距离也可能随着电脑鼠的前进而不断变化具象化的现实道路(见图)图 理想的迷宫地形图图 实际的迷宫地形图为方便电脑鼠行驶可将弯曲且宽度不一的现实道路进行均匀微分(图)由于所分段后的路程长度相对实际情况下两边障碍物之间的距离较小故而可对所分得的每一路段近似认为障碍物呈现笔直排布 电脑鼠在每个微分路段上的中线上直线行驶则可完成弯曲道路上的正常行驶图 实际道路的合理化超声波探测可对探测头与现实生活中的障碍物之间的距离进行测量故而可以通过超声波测距测量电脑鼠距离周围障碍
5、物的距离值判断其所处地形在所划分的每一个路段中保持道路中间行驶并判断该路段是否有交叉路口具体流程图如图 图 系统流程图基于所提出的三类迷宫算法此电脑鼠便可在迷宫地形的死路与多岔路口中做出相应选择从而寻得出口.结构设计本电脑鼠采用三轮式驱动由电机控制两前驱动进行前进与转向后万向轮无驱使动力仅由电脑鼠运动带动用以辅助电脑鼠进行转弯三轮式驱动结构如图 图 三轮式驱动结构由转向舵机与超声波测量模块共同组成测距结构其中超声波模块进行超声波的释放与接受从而计算电脑鼠与障碍物之间的距离值而转向舵机带动超声波进行转向从而得出电脑鼠与四周障碍物之间的距离值测距结构如图 所示图 测距结构.电路设计此电脑鼠对于自身
6、寻路所占用的代码量与计算量较少故适用于市面上的多类开发板 目前智能小车常与物联网开发相结合故以基于此电脑鼠的后续物联网开发为例基于 开发板设计的电路图如图 所示电池组电源经过 芯片的电流稳压处理后分别对发光二极管、开发板等元器件进行供电其中发光二极管起指示灯作用若电路导通则二极管发光开发板通过 引脚与转向舵机的数据引脚相连控制转向舵机的旋转角度通过、引脚与超声波模块的 引脚与 引脚分 第 期吴润强等:基于现实迷宫地形的电脑鼠设计别相连根据传递的数据进行超声波测距经过 驱动芯片的数据处理对左右电机的转速、方向等进行控制从而完成电脑鼠的前进、转弯等功能图 电路图 超声波探测.测距与判断原理假设超声
7、波的传播速度为 超声波探头的位置可近似代表电脑鼠所在的位置则根据超声波测距的原理可由超声波释放与接受的间隔时间 得到电脑鼠与障碍物之间的距离/.()为读取电脑鼠与周围障碍物的距离需测量多组 值而当同时使用多组超声波探头时彼此产生的余波可能会干扰距离的测量结果同时考虑到性价性与普适性等现实因素特采用转向舵机带动超声波探头测距在进行探测时以电脑鼠的前进方向作为基准线根据现实环境中可能存在的路口宽度以固定的旋转间隔角度 分别将舵机向左向、右旋转得到每一个角度所对应的障碍物到电脑鼠的距离进而根据其旋转角度计算其对应的横向距离与纵向距离距离计算方案如图 所示图 测距计算方案障碍物距离电脑鼠的横向距离为
8、与旋转角的正弦值之积纵向距离为 与旋转角的余弦值之积 同时当路口的宽度不小于相邻两个探测点的纵向距离之差时超声波即可探测到该路口内的障碍物情况此时可认为该路口在超声波的探测范围之内当舵机旋转角度 越小其可探测到的路口宽度越小测量也越精准 而当 过小时其计算的数据量较大复杂度较高当 过大时其精确大 学 物 理 实 验 年度较低可能漏过宽度较小的路口在实际情况下可转弯路口的实际宽度与当前所行驶的道路宽度可大致认为相差不大且所分段的道路长度对于二者而言相对较小故而可认为路口的道路宽度大于分段的道路长度则 取 是一个较为合理的值不妨以 作为旋转间隔角度进行研究将基准线的探测距离记为 在基准线上以 为间
9、隔向左进行三次探测其探测距离记为 、在基准线上以 为间隔向右进行三次探测其探测距离记为 、则根据以上的研究有以下公式:()()().().中线距离求解基于前面对于实际道路的合理化在前方道路左侧无路口时应该近似相等同理当右侧无路口时应该近似相等对于近似相等的 与 即可求得电脑鼠距离左侧与右侧道路的平均值 与:()/()()/()将公式()、()带入公式()中有 ()/()/()将公式()、()带入公式()中有 ()/()/()基于公式()、()即可确定中线位置与电脑鼠位置从而实现中线判断与中线对齐功能.路口判断路口判断分为转弯路口判断与死路判断两部分超声波测距所得到的数据则为其判断依据超声波探测
10、到小车前方道路出现路口时所得到的 与 中的某个或多个值会变得极大当 中出现不合理的极大值时可认为左侧有可通过的路口同理当 中出现不合理的极大值时可认为右侧有可通过的路口 此时便可根据迷宫算法执行转弯路口判断功能同时对于不合理的极大值进行去除将剩余的 与 带入公式()、()中仍可进行中线判断与中线对齐当一般当电脑鼠当前道路无障碍时可视为一个极大值故而当 与 均为合理值且与 相差不大时便可认为当前方向已经无路可走需要执行车辆掉头功能.路口判断为保证电脑鼠在每一微分段落均能对齐中线行驶并进行路口判断电脑鼠每达到一个微分段落便需要进行一次超声波探测电脑鼠在微分段落中以速度 进行匀速直线运动在超声波探测
11、的间隔时间 里电脑鼠运动的距离恰好为微分段落的长度:.()电脑鼠的驱动源自电机对于驱动轮的带动而电机的驱动频率 与驱动轮周长 决定车辆的运动速度:()驱动轮周长可通过方便测量的驱动轮直径 进行求解:.()由公式()()解得超声波探测时间公式如下:()其中驱动轮直径 应为一个定值 的取值受 与 的比值成正比在电脑鼠的现实应用中可根据道路的弯曲复杂程度合理地取 的值并且通过公式()对电脑鼠的运动速率进一步优化 电脑鼠驱动.中线判断与中线对齐中线判断即根据超声波探测所得到的 与判断出道路的中心直线记此线为中线 基于超声波探头位于电脑鼠最中部并且可用于其近似代表电脑鼠位置的理论当超声波探头沿着中线前进
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