软件系统设计与实现毕业设计.doc

软件系统设计与实现毕业设计 目录 1 简介 1 1.1 背景与意义 1 1.2 研究内容与思路 1 2 现有迷宫算法简述 3 2.1 迷宫的数字模型表征 3 2.2 迷宫问题的搜寻准则 4 2.3 迷宫问题的搜寻策略 5 3 硬件系统分析 6 3.1 实验平台与设计工具 6 3.2 硬件控制模块分析 6 3.3 电机选择与分析 7 3.3.1 电机比较 8 3.3.2 电机选择 8 3.4 传感器模块分析 9 3.5 测试赛道 10 4 软件系统设计与实现 12 4.1 路径决策功能的实现 12 4.1.1 迷宫探测算法 13 4.1.2 路径决策功能程序及分析 14 4.2 驱动控制功能的实现 19 5 验证结果与改进方案 24 5.1 实验验证结果 24 5.2 改进方向与研究方案 24 5.2.1 迷宫墙壁信息的记录 24 5.2.2 迷宫路口信息的记录 25 6 结论 26 6.1 结论 26 附录 30 简介 背景与意义 电脑鼠（Micro-Mouse）是指采用嵌入式微处理器、传感器、机械电子运动部件为一体的微型智能移动机器人[1]，可实现探测、分析、行走等基本功能控制，且集合传感、机械移动等设计功用[2]。国际电气和电子工程学会（IEEE）每年都要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛，而对应的赛事要求、设计成果等内容业已成为参与电脑鼠研究的关注点[3]。目前电脑鼠迷宫竞赛就参与程度、设计水平、发展程度而言，主要集中在美国、日本、英国、新加坡等，例如APEC（美国）、ALL JAPAN MICROMOUSE CONTEST（日本）、Singapore Inter-School Micromouse Competition（新加坡）、Euromouse maze contest（英国）[4]。我国于2007年开始举办“IEEE 标准电脑鼠走迷宫”邀请赛，而比赛发展至今，比赛规模和参赛质量上均取得了显著的进步[5]。 目前电脑鼠迷宫边塞规定，电脑鼠在按下启动键后将自行选取搜寻法则，并且在迷宫行进过程中实现前行、转弯、往返、记忆迷宫墙壁资料、计算最优路径、探测障碍物、寻找目标终点等功能内容[6]。 研究内容与思路 本文以“IEEE 标准电脑鼠走迷宫”竞赛规则为研究背景，选取电脑鼠MicromouseV3.2作为研究对象和实验工具，以STM32F103R8T6增强型系列微控制器[8]作为电脑鼠主控制器，具体依据课题设计要求分别完成规定部分，包括三个独立部分： （1）往返运动：电脑鼠从起始点A处出发，运行到挡板B处，并原路返回至起始点A处，如图1.1所示。 图1.1“往返运动”示意图 （2）连续转弯：电脑鼠从A点出发，先后经B，C，D点之后，到达A处；之后掉头原路返回，如图1.2所示。 图1.2 “连续转弯”示意图 （3）寻找目标点：电脑鼠从A点出发，寻找到迷宫终点B处，并最终运行到终点B处。 如图1.3所示。 图1.3 “寻找目标点”示意图 课题研究具体的研究内容分为以下几个部分： （1）电脑鼠硬件结构研究与分析，包括电脑鼠主控制模块的特征与开发原理、电机选择与驱动模块分析、红外检测模块、迷宫挡板探测模块、电源模块、速度感应与状态调整模块、电动机选取与分析等等。 （2）电脑鼠软件系统实现，包括程序初始化模块、迷宫墙壁记忆模块、红外探测与反馈模块、运动及其驱动控制模块、决策模块等等。 （3）电脑鼠迷宫路径搜寻与避障算法的研究，包括现代典型迷宫算法的分析对比、迷宫数字化表征方式、迷宫路径的数学模型研究、基于硬件语言的迷宫算法实现、记忆与决策功能算法的实现等等。 （4）实现软件系统设计和算法程序载入后，利用电脑鼠MicromouseV3.2在专用比赛跑道进行系统测试和调整，最终使电脑鼠具有基本的运动、探测、控制功能，并完成课题规定的竞赛功能。 现有迷宫算法简述 迷宫算法的研究属于移动机器人路径规划研究的一部分[9]，是优化与提升移动机器人性能的重要研究环节。面向不同环境的路径规划决策方式与实时避障功能是当前移动机器人性能研究中表征自主能力的重要检测指标[10]。针对移动机器人（或面向电脑鼠）的路径规划算法和实时避障算法的研究已经获得众多理论成果，重点分为两类：（1）基于已知地图的路径规划方法，如栅格法[11]、Free Space Approach、V-Graph等；（2）基于未知地图的路径规划方法，遗传算法、势场法、模糊逻辑算法[9]、深广结合算法[9]、粒子群算法[10]等等。各类算法都有针对性的适用范围和使用优势，对电脑鼠迷宫路径算法研究具有重要参考意义。 迷宫的数字模型表征 本次毕业设计面向的迷宫模型如图2.1所示，共有10×10个方格组成。由于设计中“连续转弯”规定部分的需要，迷宫外围是一个封闭式的挡板。对应地，电脑鼠的起