迷宫电脑鼠的硬件设计简介

电脑鼠硬件

应用科技

Ｎ●ｌ

迷宫电脑鼠的硬件设计简介

吴曼展

（同济大学中德学院上海市２０００９２）

ｆ摘要】人工智能技术是一门融合了众多学科的新星科学，它被广泛地应用于勘探、侦察、医疗救援、抢险以及日常生活的各个方面。智能机器人竞赛则是～项旨在开发人工智能技术而举行的比赛，它集科学、娱乐和比赛于＿ｔ体，在各国引起了广泛关注和极大兴趣。目前豳际上有很多针对机器人技术的比赛，两ＩＥＥＥ迷宫鼠竞赛鬻楚其中的一个典羹代表。本文首先辩近年来在国际上迅速开矮的迷宫槐器入竞赛作了简簧介绍，簿要说碉了迷宫鬣竞赛的竞赛规则以及发展历史，同时也分析了国内外关于此课题的研究现状。其次，本文对迷寓鼠的硬件设计作了一个擞体规划，将迷宫鼠的设计分为微控制器模块、马达驱动模块、传感器模块、人工智能模块移数据存镳及佼埝模块。最嚣还瓣参据ＩＥＥＥ迷寥甄竞赛弱餐毵毫｝ｌＩ嚣久雩筝了～些溅试。

【关键词】人工智能迷宫电脑鼠智能传感器嵌入式系统中期分类号：ＴＰ

文献标识码：Ａ

１００９－９１毒ｘ（２００９）２７—００２５－０２

１．引言

人工智能楚一门由诗算机科学、控制谂、信息论、聿搴经生理学、心理学、落害学等多种学科互相渗透而发震起来的综合性学科。它所研究的是如何制造出入造的智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸人们的智能。智能枫器入竞赛是一项罄在秀发人王餐戆技零焉举办麓毙赛，宅融合７众多最薅沿领域的研究技术，是一颈集科学、娱乐和比赛于一体的活幼，近年来在世界各国引起了广泛关注和极大兴趣。

２‘遮塞电麓纛蠢奏餐务ＭｉｃｒｏｍｏｕｓｅＣｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ，鼢迷宫鼠竞赛，起源于上世纪７０年代。该竞赛要求一智能机器人在一个指定１６．１６格迷宫中自动寻找到规定的目标地点，然质疑指定熊落基发剃达强熬逵，曩辩短老获魅。困其终形醚｛羰老鼠，爱黻褥名迷塞电脑鼠竟赛。

第一次迷宫电脑鼠竞赛是在１９７２年由《ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎ｝发起的，参赛的迷塞撬器入是撬壤雏，矮弹簧辍裁力。在疆悉瓣卡豆年孛，该院赛穗继在英国、荧国、日本、新加坡、澳大利弧等国家举办，吸引了众多国家和地区的参赛者参加。而随着迷宫设计和竞赛规则的不断完善、电脑鼠的不断智能化发展，目前ＩＥＥＥ迷富毫瓣鬣竞赛瑟经戒鸯掘嚣久镶域懿有趣懿、其蠢攘战性豹、技术先进翡耋瑟研究方向。在国内的迷宫机器人研究方面，尽管起步较晚（迷宫机器人进入中闼麓不多是上世纪九十年代），但随着各方面按术的不断完善，特别是微控制器技术、铸惑器技本、入工智能技术的发鼹，国内黪班嚣入巍赛也褒翅必鲤蒙建开最。而迷宫鼠竞赛在台湾、香港等发达地区也已缀举办过多次。

３．迷寓■的硬件设计思想

迷宫鬣夔硬黪设谤是一瑗系统瓣工程。‘玄涉及到诲多方裁，毽括微控镧嚣攒块、马达驱动模块、传感器模块以及备模块间的相互连接。在设计之前，设计者岿须要对照个电脑鼠的各部分构造有一个大致的了解，由于迷宫是由２５６块１８ｃｍＸｌ８ｃｍ夔单元接缀戒，除去墙体辱度１。２ｃｍ，嚣壤淹熬实赫距离兔１６．８ｃｍ，因此可以考虑将整个电脑鼠就设计在一块ｌＯｃｍ见方的底板上，以使其能能方便、灵活地转向。

迷宫鬣戆电路援缕梅分必上下辩层。上瓣隽挖嗣援，其孛镪捂镞控穰器ＭＣＵ、传感器检测电路和一些数据存储与连接模块。下层为驱动板，主要包括左右两侧的车轮、驱动马达、两翼的ＣＮＹ７０光电传感器、万向轮、Ｈ桥驱动芯片等。两层之间经震蠡壤镧柱用予支撑。这样的设诗安簿，栽够燕诧迷富鬣各部分的稳造、继分备模块的功能，同时也有利于拆装和臼后保养维护。

３．１微控制器模块

徽控稍嚣单元，帮ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ，或称单片税（Ｍｃｕ），悬指将中央处理单元ＣＰＵ、程序存储嚣ＲＯＭ、数据存储嚣ＲＡＭ以及输入输出端口（ｉ／０口）等

单独翘囊两者缀合成不阏性能的交换黼络结构来实现。根据交换网络入端信道数与出端倍道数的不同，可以把交换网络分成集线器、扩线器和分配嚣。

集线器的功能是将用户电路的串行码进行串并转换，经过话存进入交换网络，通常采用“顺序写入、控制读出”的控制方式。Ｔ级话存的功能主要耀来完成话音的交换，邋常采霜“随机写入、控翻读出”静控稍方式。扩线器的功能是将Ｔ级话存的话音信息，经过扩线器话存后进行并串转换，送鬣苓疆戆ＰＣｍ蝼口。扩线爨话存遴褰采援“控铡写入、蹶彦读遗”戆羧刳方式。

４时分交换网络中元器件的接口、驱动和改进措施４。１根据所需容量来选择掰型的存健器芯片

由上可知，在对分交换弼络中，话音存储器和控制存储器都是由存储

耗也可降副较低承平。

此外，交换网络及ＳＰＣＥ中的其它元器件也可以选用ＢｉＣＭＯＳ器件来实

现。ＢｉＣＭＯＳ逻辑门在逶髂数字部传（翔编鹚器、译诲嚣秘摸／数转羧器等）和门阵列的应用中极为广泛，因为它的扇出数一般为５～８，如此大的扇出数意味着具有较强的带负载能力，而且ＢｉＣＭＯＳ门比ＣｍＯＳｆ１能更快速地驱动这些负载。另矫，ＢｉＣＭＯＳｆｊ中的器件尺寸可以怒一致的，这就降低了通信数字部件在物理设计上的难度；不同的ＣＭＯＳ电路对减小单位负载的舆惩送往缝不溺，对予ＢｉＣＭＯＳ电爨，蠹予双稷墅捺捷ＢＪＴ嚣俘隔开了ＣＭＯＳ电路的主体与负载，使得不同电路中负载的状况变差都是相同的，这样就简化了通信和信感处理用数字逻辑部｛牛和电路的设计任务，提毫了工作效寨。

５结论

交换阏络是数字程控交换橇翡关键缝成部分之一，其髋能壹羧影豌着

器芯片米实现的，现代程控交换机中将用到大量的存储芯片，实现使用中

逶常鬏攥爨纛鸯墨来选择存键嚣蕊冀，焚整戆芯片襄选麓ＳＹＳＴＥＭＳ公司豹

ＳＲＭ２０１６、Ｓ０１ｉｄ

Ｔａｔｅ

Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ公词的ＳＣＭ６１１６以及ＨＩＴＡＣＨＴ公司

稷控交换机的技术指标和通话质墩。随着计算机技术、超大规模集成电路

投本、微激子技本鞍半导体存德按零懿进～步发震，震瑟黪麦透静ＢｉＣＭＯＳ

的ＨＭ６２６４等系列。

４．２采用先进的ＢｉＣＭＯＳ技术

传统的存储器芯片通常是通过ＣＭＯＳ工艺实现，随糟微电子技术的发震，塞瑗了毅型瓣ＢｉＣＭＯＳ器锌，臻ＢｉＣＭＯＳ器ｌ孛实现熬存德器芯片与ＣＭＯＳ实现的存储器相比，性能指标将大大优化，反映猩衡量速度性能的传输她迟时阀搬标将缩小，传输速度明鼹提高，德量其舆效率搜能的功耗指标将

工艺制作的器件用于程控交换机交换网络的实现将成为现实，这将使通信成璧褥到可靠的保证，同时将会有越来越多鲍裹毅暹售技术窝电子元器侈

＿暾用于交换网络的实现中。目前，已有专用集成电路芯片朋于程羧交换机按续（典型的如用户电路芯片）。面利用ＢｉＣＭＯｓ工艺制作稷控交换机内部的交换弼络元器件，使之集成记并应孺子电信工稷实践中，关于这一方面的研究和腹用，将是我们今后继续进行的研究方向之一。参考文献［１］技，１９９３。（２］

躲正友，杨为理．

程控数字交换机硬件软件及应用［Ｍ］．

北京：

叶敏．

糕控数字交换与交换网［Ｍ］．

北京：北京邮电学院出版

大大减小，只有几磷大小。

先进的ＢｉＣＭＯＳ技术集中了双极型晶体管和ＣＭＯＳ器件的优点，两者互

枣｝，在数字程控交换懿交换网络瓣实瑗中占有翡驻霞势。麓ＣＭＯＳ工艺实现

的存储器芯片构成的交换网络，在实现使用中，会因为其速度指标问题而如现数搬码流丢失的误鼹现象，这说明，利用ＣＭＯＳ工艺缀难进一步生产遽信发展所需的速度更高、驱动能力更强的存储器芯片，而先进的ＢｉＣＭＯＳ技术在存储器芯片的速度、容量和功耗等性能指标上提供了数据交换所要求瓣哥靠戆。铡翔瓣予典黧戆六管静态存镰器，稠麓ＢｉＣＭＯＳ菝术，胃菝壤葵在较低的电源电压（３．３Ｖ）下工作，同时可提高存取速度，缩短读碍时间，功

清华大学出舨社，１９９５。【３］器［Ｊ］．

成立，陈照章，董索玲，等．微电子学。２００３■

一种低压耗快闪式静态随机读写存储

科技博览ｌ

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电脑鼠硬件

ｌ■Ｆ舞愚蔫愚黑蔫蔫

应用科技

柔性机械臂研究方法浅析

黎昌勇

（戏帮铁路起重运输橇棱厂疆矧成都６１０２１１）

【摘

要】随着宇航业及机器人业的飞速发展，出现了越来越多地采用由若干个柔性构件组成的多柔体系统。本文对柔性机械臂研究控制方法进行了分析。希望

本文瓣磺究麓梵翅关领域戆硬究起裂挞砖萼ｌ玉熬终嗣。

【关键词】柔性机械臂方法控制中圉分类哿：ＴＰ

文献标识粥：Ａ

１００９－９１４Ｘ（２００９）２７－００２６－０２

一、柔性机械臂研究税述

鼹前关于柔性机械臂系统的研究大致可以分为两个方颟：建模理论，控制系统竣谤。这两个游题的磷究稻发震是夯多亦趋的。王￡确稳建壤理稔京解决枫城莺系统动力特性问题的同时，也为后续的控制设计提供了模型保证。因此建立准确实用的黍性机械臂的动力学模型是实施控制设计的必要前提。

秉性祝禳鹫的柔健主要表璐为关节豹柔茬帮连杼静柔往，关节柔往燕指税械臂传动机构和关节转轴的扭曲变形，通常用集中参数模型描述；避杆柔性则指机攮嚣连轷的弹性变形、剪切变形等，通常需用偏微分方程所代表的分布参数模型船疆描述。戴外，还娶考虑柔径关节与莱性连稀之闻酶攒合作餍。

粱性连杆机械臂的动力学建模的方法很多，经过近十多年的发展也比较成熟。一般来说，柔性机械臂因戈连杼柔性会在运镗过程中产生挠曲变形、轴翔变形和剪切变形。觚动力学角度看，每根柔性连秆都可视为…段Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ粱，考虑到机械臂连杆的长度总比其截面尺寸大的多，遥行过程中所产嫩的轴向变形和剪切变形摆对予挠越交形露誊非常小，因两在动力学摸型过程中常索可忽略＝者的影响，将每根柔挂连杆简化为Ｅｉｄｅｒ—Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁处理。

索性连杆机械臂是典型的动力学系统，其建模首先成满足Ｌａｇｒａｎｇｅ方程。当规城骛终蠼撬每爨运动受隈瓣，力了考虑约束对于方程静影确，剐须瘦矮Ｈａｍｉｌｏｎ原理。而所得到的模型往往是一组高度非线性的积分一微分方程，求解十分豳难。可见在柔性臂建模上，关键是对分布索性的有限维近似。在近似方法中，有当终分礤参数系缝来处瑗抟Ｒｉｔｚ法、缓设摸态法、线性纯法等，这些方法把相对密度、质量比较均匀的系统作为研究对象来处理。另一类是强作集中参数系统来处理的有限元法、有限段法等。不仅使用十密度、质髓比较均匀的物体，对不均匀貔秘髂氇缀有效。越努，述有裂予建立控割方程魏旋转代数法秘奇异摄动法等。

：、柔性臂楚摸方法介绍Ｉ、Ｎｅｗｔｏｎ－Ｅｕｌｅｒ法

该方法通过质心动麓矩定理写出隔离体的动力学方程，在动力学方程中会出现棚临体间的内力项，但其物理意义明确，并且表达了系统完整的受力关系；餐是途耱方法穗存在饕方程数薰大、诗舞效率低等缺点，不过诲多横型懿援范纯形式墩终都是以该种模型出现，并且该方法也是目前动力学分析粥于实时控制的主嚣手段。利用Ｎｅｗｔｏｎ—Ｅｕｌｅ：公式对柔性梁进行建模时，首先假定：（１）柔性梁的交形帮柔链粱静长度院较趁来非常小；娩）霰设粱是暴露蝣驾截＿蠢帮稳定性质的Ｅｉｄｅｒ—Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁；（３）梁的转动惯凝和剪切变形忽略不记；（４）空气阻力和梁的内阻力忽略不记。

２、Ｋａｎｅ方法和虚位移原理

Ｋａｎｅ在对嚣释动力攀骧理进行分橱琵较靛基稿主，提出了蒹寿矢量力学稳分析力学特点的Ｋａｎｅ方法。Ｋａｎｅ方法采用相对能ｊ黧＝的形式，该方法从约束质点系的Ｄ’Ａｌｅｍｂｅｒｔ原理出发，将各体的主动力（矩）和惯性力（矩）乘以偏速度、偏角速度矢量，再对整个系统求葙，露褥与系统童由凌羧西褶弼静方程缀。其符煮也是可消除方程中的内力项，避免繁琐的微分运算，使推导过程较为系统化。

３、模型辨识的方法

这蕈孛方法可以完全掇拜经典分析力学翡思想，零Ｊ用模登辨谖静方法模掇索性臂的运动特征，得到柔性机械臂的动力学模型。模型辨识的方法较多，可以用实验的方法，系统辨识的方法等。出于神经网络能镊意逼近非线性函数，因蕊崔系统建模方蕊鸯着徭大的潜力。俄楚，由于天工粹经瞒络本身还处于发震静除段，很多理论还不完善，所以，利用神经网络来建立柔性机械臂动力学模型的方法也不缀成熟。

三、粱幢辊赣鬻羟稠蠢法

柔性机械臂的先进程度和功能强弱通常都直按与其控制系统的性能有关。特别是掰一代计簿规熬出现与人工智能的发展，绘柔性枧城劈控制技术带来校其丰富的内容。机械臂的运动控制问题是研究机器人的基础。如果机械臂没有优良的运动控制品质，则很滩使机器人胜任比较复杂工作。目前关于机械臂控制的疆究大多集中于连续孰述戆罪踪。国蠹癸磺究学者耀继提出了多静控剿方寨，常见的大敬可分为以下几类：线性反馈控制、非线性反馈控制、自适应控翩、人工神经网络控制。

１、线性反馈控铡

它怒由控制误差的线性反馈而形成的。其中ＰＤ或ＰＩＤ是最简单的控制冀法，目前，绝大多数柔性机械臂都采用这类控制算法。实践证明即使是像柔性机援譬这～类强褫含强ｊ≥线性系统，鏊予豫熬控剿算法也是鸯效熬。赫。Ｔａｋｅｇａｋｉ和Ｓ．Ａｒｉｍｏｔｃ埘柔性机械臂的控制最先提出了ＰＤ加重力补偿的控制算法，并利用Ｌｙａｐｕｎｏｖ第＝方法诞明了该辣法全局～致渐进稳定。应用于轨迹控制的ＰＤ撩藏壤÷｝偿控剿箨法是Ｄ．Ｋｏｄｉｅｓｃｈｅｋ最先提出懿，毒秀耱彤式：薅热兹骥｛｝嫠和ＰＤ加计算的前馈补偿，两者统称ＰＤ控制。但Ｄ．Ｋｏｄｉｔｓｃｈｅｋ并没有针对柔性机械臂动力学特点进行稳定性分析。

２、ｌ｝线性爱镄控潮

利用非线性反馈的方法使系统成为解祸的线性系统，然后在解祸的基础上

藤绛集成在一块大援模竣超大趣搂集戏彀路上豹超辍型诗算糗。鼙片撬在瑷｛弋社会的每个方面都有着极其广泛的应用领域，如：自动控制、数据采集系统、智能仪表设备、外部控制设铸、家用电器等。

辩予迷富瓿器久熬嚣言，微控裁嚣藏是箕梭一§，可敬谖建迷富鬣戆“太麓＇，帮“心脏”。由传感器检测所发回的数据，通过一些转换程式存储与微控制器中，然后经过比较，再结合一定的迷宫搜索算法，最后由微控制器决定下～步的指令并将其发送绘马ｉ拳驱蘸羧铡电路，然后驱动迤疆来攘翻小车’Ｆ一步蕊鬟传动终。

微控制器怒整个迷宫鼠硬件设计中擞为关键的部分，它既是连接传感嚣和驱动电机的桥粱，同时又直接给传感器、驱动电机传输控制指令。微控制器的好坏壹接决定了整个迷富鬣静性畿。

３．２马达驱动模块

本设计中使用左右两个直流电机来分别控制小车的发矗两个轮子，小车前部中央有一个万向轮，经迷富鬣程转弯辩更掬舔酝。对壹流毫枫的凝动藉控潮采用了微处理器的电机控制接口，熊内部有一个三棚逆变桥电路，通过六个脉冲信号的不同组合米实现对电机的驱动控制，实现马达的正转、正转制动、反转、反转制动，友转、右转等动僚。普逶静蔻流电梳由于一黧技术参数的原函，使萁在不睦情况下会有一定的误差。因此，可以考虑对其进行改造，例如加入一些减速装置、差速系统，使嗽规定位更糖确。

３．３传感嚣检测穰块

传感器又称探测器、变换器戏换能器。它是将感受到的外界信息，按照一定翦援德转换戒赝嚣的存髑信息瓣装置。它获取豹镶息可以是各群物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也有各种形式。传感器的主要功能是探测迷宫，帮搜索迷离的开口以确定迷宫的形状。同时也可以修工Ｅ小车在行进过程中的偏藏。本设计中锼趸三个ＣＮＹ７０光电传黪器，分别位于恕脑鼠豹两翼及正翦方。缝外线

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ＣＮＹ７０健感器包禽红癸线发光二投管、光电照体以及光滤波嚣。

哇．鳍论与展毓

机器人竞赛是一项集合了人工智能技术、机器人学、机电一体化技术、通讯与计算梳技拳、援觉与传感舞技术、餐髓控锲与决策、多智糍体系统安现、智憝体机构设计与规划、三维图形交互、图象识别技术等众多当今前沿技术领域的活动。各豳学者通过迷宫机器人竞赛，不断推进了对糟能机器人的研究，不断改进了秘嚣入豹硬咎瞧蕤彝迷富羹法，经迷富撬器久更接近餐麓钝；霹辩也键进了迷宫鼠竞赛的深入发展。

迷离鼠竞赛必将成为今后各蹦对与机器人研究的重要方面，不断完善其竞赛规爱翦，不断提高迷宫藏务方面的性能，筏迷宫梳器入更热智麓佬。机器入，特戮是智能机器人，具有很好应用和研究背景。而融合释学科知识的研究，也必将成为令螽科研发矮戆重要方囱。参考文献

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ｔｏｎｏｍｏｕｓ

ＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔｓ，ＴｈｅＭＩＴ

Ｐｒｅｓｓ，

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２００５■

ｌ科技博览

电脑鼠硬件

迷宫电脑鼠的硬件设计简介

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

吴曼晨

同济大学中德学院,上海市,200092中国科技博览

ZHONGGUO BAOZHUANG KEJI BOLAN2009(27)

参考文献(5条)

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