基于ARM的電腦鼠走迷宮的研究

摘要：目標是設計制作集傳感器與控制于一體的，能夠自動穿越迷宮的電腦鼠。該電腦鼠結合了模擬電路、數字電路，自動控制理論等相關專業知識。提出將模塊化方法應用于系統軟、硬件的設計，不僅提高了軟硬件開發效率，而且提高了軟硬件在實驗及檢修過程中的可維護性、可升級性。這里設計的電腦鼠能在迷宮中搜索路徑，走出迷宮，并能實現路徑優化。
關鍵詞：電腦鼠；嵌入式；ARM；迷宮路徑優化

0 引言
電腦鼠(Micromouse)是智能機電鼠的簡稱，是一個由微處理器控制的集探測、分析、行走功能于一體，能夠自動搜索最佳路徑到達目的地的微型機器人。實際上電腦鼠就是一個電力驅動小車，而這個電動小車是由一個或多個微控制器來控制，通過傳感器和其他各功能器件的配合，具備一定的智能。同時，電腦鼠需擁有探測障礙物、行走、轉彎、加減速和制動等基本功能。
本文是以“IEEE國際電腦鼠競賽”為背景，以美國Luminary Micro公司生產的ARM CortexM3內核的ARM處理器LM3S615為主控制器，控制和檢測紅外傳感器；微控制器根據檢測到的傳感信號，控制電機驅動電路，調整行走，按照載入搜索算法進行迷宮的探測，尋找最短路徑，最終實現從起點到終點的沖刺。

1 電腦鼠系統整體設計方案
如圖1所示，整個系統可以大致分為以下主要部分：電源模塊，控制模塊，執行機構模塊，傳感器模塊，機身模塊。可以做形象的比喻：電源模塊是電腦鼠的葡萄糖，控制模塊是電腦鼠的大腦，傳感器模塊是電腦鼠的眼睛，機身模塊是電腦鼠的軀干，執行機構是電腦鼠的腿；各模塊之間相互配合使電腦鼠正常工作并尋找到終點。

2 電腦鼠硬件研究與實現
2．1 電腦鼠硬件設計原理
本文研究的電腦鼠是一個跨學科的綜合作品，主要由電源、傳感器、步進電機、控制核心電路、機身5個部分組成，如圖1所示。所以，電腦鼠的硬件設計主要包括電源模塊、微控制器單元模塊、傳感器模塊、電機控制模塊4個部分的設計。其中LM3S615微控制器是電腦鼠的核心，通過檢測到的傳感器信號，結合載入的搜索算法，控制步進電機，實現電腦鼠在迷宮中的行走。
2．2 電源模塊
電源模塊包括供電電池和電壓調節電路。供電電池為2 200 mAh，7．4 V的可充電鋰電池。電機驅動電壓由電源直接供給；LM3S615微控制器需3．3 V電壓供電，電壓調節電路采用Exar公司生產的SPX1117M3-3．3芯片將電源電壓穩至3．3V；電腦鼠所使用的紅外線傳感器工作電壓為5 V，升壓芯片采用Exar公司生產的SP6641A將已經較為穩定的3．3 V電壓升至5 V。
2．3 微控制器單元模塊
本文采用美國Luminary Micro公司生產的CorteX-M3內核的ARM處理器LM3S615，該芯片具有32位RISC性能，具備32 KB單周期FLASH，8 KB單周期SRAM，29個中斷，帶8個優先級。微控制器模塊和其他模塊共同構成一個閉環的反饋控制系統，通過對路程信號、岔口信號和姿勢修正信號的檢測，經由LM3S615進行運算，再將結果賦給電機執行，由此實現電腦鼠的智能穿越迷宮。