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一、 綜述： a) 項目名稱：小車自動走迷宮； b) 小組成員： i. 周杰：負責總體規劃，及ARM編程； ii. 宋大成：負責車輪驅動； iii. 陳瀟：負責紅外驅動； c) 小車圖片： MicroMouse615： MicroMouse120： 二、 項目介紹： 電腦鼠走迷宮競賽的目的是制作一個微型機器人，它能在最短的時間內穿越迷宮到達終點。參賽的機機器人稱為“電腦鼠”，將電腦鼠放入迷宮并啟動操作的人稱為“操作員”。 電腦鼠的基本功能是從起點開始走到終點，這個過程稱為一次“運行”，所花費的時間稱為“運行時間”。從終點回到起點所花費的時間不計算在運行時間內。從電腦鼠的第一次激活到每次運行開始，這段期間所花費的時間稱為“迷宮時間”。如果電腦鼠在比賽時需要手動輔助，這個動作稱為“碰觸”。競賽使用這三個參數，從速度﹑求解迷宮的效率和電腦鼠的可靠性三個方面來進行評分。器人稱為“電腦鼠”，將電腦鼠放入迷宮并啟動操作的人稱為“操作員”。 在G02小組的工作中，基本完成了電腦鼠的驅動部分和算法部分：電腦鼠可以進行直線行走、90度左轉、90度右轉和180度后轉；能準確監測左前右三個方向的擋板，能準確判斷左右間距是否恰當；能進行調距運動，以保持與左右擋板的距離；能簡單判斷通路，并計算記憶合適通路；并按照通路完成迷宮行走。 但是，由于某些原因，小車的沒有取得完美的效果：由于電機轉速控制不當，小車直線行走效果不佳（參看第條）；左轉右轉不夠準確，只能依靠調整函數補償；算法不夠優秀，正在探究更好的算法。這些問題都在努力克服中，我們不會因為檢查完畢就放棄小車的調試。 三、 項目整體結構： MicroMouse102 電腦老鼠，采用美國LuminaryMicro 公司生產的32 位ARM CortexM3處理器LM3S102，控制和檢測紅外傳感器；主CPU 根據檢測到的傳感信號，控制電機驅動電路調整行走路徑，直到到達終點。 四、 硬件部分介紹： LED 電路 電腦鼠有5 個獨立的LED,通過LM3S 系統單片機的GPIO 口直接控制，如圖 1.6 所示。電路采用了I/O 口灌電流的驅動方式來驅動LED，LM3S 系統單片機的灌電流為2～8mA（可配置），所以不需要驅動就可以點亮LED。GPIO 引腳輸出高電平時LED 熄滅，低電平時LED 點亮。 電機驅動電路 電機采用直流減速電機，最高輸出轉速為800 轉/分鐘，工作電壓為DC3V。電機驅動 電路采用專用的單相直流電動機橋式驅動芯片。 車速檢測電路 車速檢測用于檢測并記錄車體運行的路徑，通過車速檢測記錄車體做迷宮的坐標，同 時也起到控制車速和保持左右雙輪的速度一致。 檢測原理：在左輪和右輪的內則都貼有的光電碼盤，碼盤由兩種顏色組成白色和黑色。 紅外發射管安裝在車輪光電檢測碼盤的檢測區域，當紅外發射與接收管正對著黑色邊時， 紅外線沒有被反射，接收管的電阻很大；當紅外發射與接收管正對著白色邊時，紅外線被 反射，接收管的電阻很小。 紅外檢測電路 紅外檢測電路是用于迷宮擋板的檢測，分為左側、右側、前方三個方向，三個方向的 檢測原理相同，某一個方向的檢測電路。 CPU 及晶振電路 電腦鼠的單片機、晶體振蕩器和LDO輸出原理如圖所示。該單片機選用LM3S102 微處理器。 五、 軟件部分介紹： 一體化紅外接收頭工作原理 一體式紅外線接收傳感器IRM8601S，它內部集成自動增益控制電路、帶通濾波電路、 解碼電路及輸出驅動電路。當連續收到38KHz 的紅外線信號時，將產生脈寬10ms 左右的 低電平。如果沒有收到信號，便立即輸出高電平。Send 為發射控制端，高 電平時發射38KHz 的紅外信號。Out 為接收輸出端，低電平表示收到信號。 檢測障礙物的軟件設計 根據接收頭是否檢測到經過反射的紅外線信號，就可以判斷是否存在障礙物。由于接 收頭檢測到信號時只產生一個負脈沖，所以只需要在檢測時使能紅外線發射，一次檢測結 束后使能無效，程序設計參考流程圖如圖2.5 所示。 接收頭有一定的 響應時間 開始發送38KHz 的紅外線 迷宮擋板檢測 調制信號產生 本設計中采用定時器1 產生38KHz 的調制信號，由PB5 輸出，該端口連接到圖2.3 中 的Pulse 端口。在中斷中翻轉PB5 輸出信號，所以要產生頻率為f 的脈沖，定時器的頻率 要為2f。在本設計中要產生38KHz 的頻率，定時器中斷頻率為76KHz。 程序清單 3.1 為定時器1 的初始化函數，程序清單 3.2 為中斷服務函數，在這里翻轉 PB5 口輸出狀態。 程序清單 3.1 定時器1 初始化 void PULSEIni(void) { GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, SEND | PULSE, GPIO_DIR_MODE_OUT); // 設置為輸 出 GPIOPinWrite( GPIO_PORTB_BASE,SEND | PULSE,0); // 紅外線初始時停止發射 SysCtlPeripheralEnable( SYSCTL_PERIPH_TIMER1 ); // 使能定時器1 外設 TimerConfigure(TIMER1_BASE, TIMER_CFG_32_BIT_PER); // 設置定時器1 為周期觸發 TimerLoadSet(TIMER1_BASE, TIMER_A, SysCtlClockGet()/76000); // 設置定時器裝載值 TimerIntEnable(TIMER1_BASE, TIMER_TIMA_TIMEOUT); TimerEnable(TIMER1_BASE, TIMER_A); IntEnable(INT_TIMER1A); } 程序清單 3.2 定時器1 服務函數 void Timer1A_ISR(void) { TimerIntClear(TIMER1_BASE, TIMER_TIMA_TIMEOUT); // 清除定時器1 中斷 GPIOPinWrite(GPIO_PORTB_BASE, PULSE,GPIOPinRead(GPIO_PORTB_BASE, PULSE) ^ PULSE); // 翻轉GPIO B5 端口 } 抗干擾處理 紅外線在空氣中傳播和反射受外界的干擾，如果測量距離剛好處在能夠檢測到信號的 臨界狀態，保持距離不變，傳感器輸出信號也可能不確定。這樣就需要在軟件中進行抗干 擾處理。參考程序如程序清單3.3 所示。 程序清單3.3 抗干擾處理程序 GPIOPinWrite( GPIO_PORTB_BASE,SEND , SEND); // 發送脈沖 Delay(150); // 延時 for(i=0,j=0;i<10;i++) // 檢測接收信號 { if(GPIOPinRead(GPIO_PORTA_BASE, OUT_L)==0) j++; } GPIOPinWrite( GPIO_PORTB_BASE,SEND , ~SEND); // 停止發送 if(j>5) // 左邊存在擋板 { } else // 左邊存在支路 { } 圖3.1 為抗干擾程序在Micromouse 中運行后用邏輯分析儀抓到的波形圖，Pulse 為 38KHz 的輸出信號，Send 高電平有效，有效時發送紅外線脈沖，OUT 為一體化接收頭輸 …… …… 出端，該圖所示為接收頭探測到障礙物，軟件在Send 信號無效（下降沿）前完成檢測OUT 輸出信號，從圖中可以看出，此時正處于OUT 有效信號的中間，所以軟件里延時參數能 保證正確檢測到信號。 圖3.1 傳感器檢測波形圖 軟件設計參考 為用一組紅外實現兩組參數（是否存在擋板和是否太接近擋板）的檢測流程圖。在Micromouse 中，用到了三組（左、前、右）反射式紅外檢測傳感器，左邊和右邊的傳感器各自都需要檢測兩組參數，而前方的傳感器只需要探測有無擋板，存在擋板就必須根據策略轉換行進方向，若不存在就可以繼續前進。如圖3.3 所示為Micromouse 紅外檢測的程序設計流程圖。紅外檢測參考程序見程序清單 3.4 所示，該程序中使用了五個LED 用來指示傳感器檢測的狀態，由于這幾個LED 硬件上連接到JTAG，關于如何切換GPIO和JTAG功能參見6 使用JTAG 引腳作GPIO。 此頻率僅作為參考，要根據實際檢測距離來確定。結合可調電阻R1 變可以實現擋板和防碰撞的檢測。 程序清單 3.4 Micromouse 紅外檢測函數（見附錄） 電機的調速 電機的調速 直流電機的轉速控制在本設計中通過PWM來控制，LM3S102 單片機則剛有兩路PWM 輸出，非常適合用于控制兩個電機的轉速。 兩路PWM 是LM3S102 通用定時器0（Timer0）的三種工作模式之一，16 位PWM 模 式。該模式是將一個32 位的定時器，折分成兩個16 位的定時器TimerA 和TimerB。這些 定時器為計數寄存器（GPTMTnR）遞減計數，遞減到0 時自動加載預裝載值（GPTMTnILR）。 當然預裝載值也是由用戶設定，該直也就決定了定時周期，也即PWM 的輸出周期。 當計數器的值與預裝載值相等時，輸出PWM 信號有效，當計數器的值與匹配寄存器 （GPTMnMATCHR）的值相等時，輸出PWM 信號失效。通過軟件可以設定PWM 輸的信 號有效和信號無效的電平狀態。當GPTMCTL 寄存器的TnPWML 位值為0 時，信號有效 為高電平，信號無效為低電平；TnPWML 位值為1 時，則反之。如圖 4.1 所示。 輸出信號 計數 0x411A 0xC350 TnPWML=0 TnPWML=1 TnEN置位 GPTMTnR=GPTMnMR GPTMTnR=GPTMnMR 時間 圖 4.1 16 位PWM 模式輸出 占空比的約定：占空比為在一個周期內，輸出有信號有效電平占整個周期時間的比率。 在這里為以統一軟件控制的約定，用戶API 函數輸入的占空比值越大，電機轉速越快，正 向運行和反向運行都一樣。 為了簡化占空比輸出的計算，將計數寄存器與匹配寄存器值相等時，輸出的電平信號 為驅動電機的有效信號。例如將PWM 周期時間設定為60000 個時鐘節拍，需要輸出驅動 電機的占空比為75%，則設置匹配寄存器值為75*6000。 由于電機的轉向不一樣，所以電機驅動的有效電平也需要調整，通過控制TnPWML 實現。 2 程序設計 Timer0 的兩路16 定時器TimerA 和TimerB 的PWM 輸出引腳分別為PB0 和PB6，PB0 和PB6 分別控制左輪和右輪驅動器TA7291S 的IN1 引腳，而它們的IN2 引腳分別由GPIO 輸出的PA4 和PA5 控制。 左輪的控制函數如程序清單 4.1 所示。 該函數的第1 個參數sel 為選擇輪子的控制方式：0 為停止，1 為輪子向前，2 為輪子 向后；percen 參數為占空比，其最大值為99，最小值為1，對于輪子的停止控制該參數無 效。 程序清單 4.1 左輪控制函數 void LeftWheelRun(int sel,unsigned char percen) { switch(sel) { /*輪子停止轉動*/ case 0: TimerDisable(TIMER0_BASE,TIMER_A); // 禁止定時器 GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE,LWC2,0xff); // 控制引腳輸出高電平 GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, LWC1, GPIO_DIR_MODE_OUT); // GPIO 輸出 GPIOPinWrite(GPIO_PORTB_BASE,LWC1, 0xff); // GPIO 輸出高電平 break; /*左輪向前*/ case 1: GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE,LWC2, 0xff); // PA4 輸出高電平 TimerControlLevel(TIMER0_BASE,TIMER_A,true); // PWM 有效電平方向 GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, LWC1, GPIO_DIR_MODE_HW); // PWM 輸出 TimerMatchSet(TIMER0_BASE,TIMER_A,percen*600); // 設置占空比 TimerEnable(TIMER0_BASE,TIMER_A); // 使能定時器 break; /*左輪向后*/ case 2: GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE,LWC2, 0); // PA4 輸出低電平 TimerControlLevel(TIMER0_BASE,TIMER_A,false); // PWM 有效電平方向 GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, LWC1, GPIO_DIR_MODE_HW); // PWM 輸出 TimerMatchSet(TIMER0_BASE,TIMER_A,percen*600); // 設置占空比 TimerEnable(TIMER0_BASE,TIMER_A); // 使能定時器 break; } } 右輪的控制函數如程序清單 4.2 所示。 該函數的第1 個參數sel 為選擇輪子的控制方式：0 為停止，1 為輪子向前，2 為輪子 向后；percen 參數為占空比，其最大值為99，最小值為1，對于輪子的停止控制該參數無 效。 程序清單 4.2 右輪控制函數 void RightWheelRun(int sel,unsigned char percen) { switch(sel) { /*輪子停止轉動*/ case 0: TimerDisable(TIMER0_BASE,TIMER_B); // 禁止定時器 GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE,RWC2,0xff); // 控制引腳輸出高電平 GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, RWC1, GPIO_DIR_MODE_OUT); // GPIO 輸出 GPIOPinWrite(GPIO_PORTB_BASE,RWC1,0xff); // GPIO 輸出高電平 break; /*右輪向后*/ case 2: GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE,RWC2, 0xff); // PA4 輸出高電平 TimerControlLevel(TIMER0_BASE,TIMER_B,true); // PWM 有效電平方向 GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, RWC1, GPIO_DIR_MODE_HW); // PWM 輸出 TimerMatchSet(TIMER0_BASE,TIMER_B,percen*600); // 設置占空比 TimerEnable(TIMER0_BASE,TIMER_B); // 使能定時器 break; /*右輪向前*/ case 1: GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE,RWC2, 0); // PA4 輸出低電平 TimerControlLevel(TIMER0_BASE,TIMER_B,false); // PWM 有效電平方向 GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, RWC1, GPIO_DIR_MODE_HW); // PWM 輸出 TimerMatchSet(TIMER0_BASE,TIMER_B,percen*600); // 設置占空比 TimerEnable(TIMER0_BASE,TIMER_B); // 使能定時器 break; } } 需要注意的是，當PWM 信號禁止后，其輸出引腳的電平狀態是保持靜止時的狀態（可 能為低電平也可能為高電平），導致電機可能不能停止，所以在制停電機時，需要將PWM 引腳改為GPIO 輸出，并且出高電平，使電機剎車停止。 定時器PWM 初始化函數如程序清單 4.3 所示。 程序清單 4.3 定時器PWM 初始化 void PWMTimer0AIni(void) { SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0); // 使能定時器0 模 塊 GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, LWC1|RWC1 , GPIO_DIR_MODE_OUT); /* 控制引腳輸出*/ GPIOPinWrite(GPIO_PORTB_BASE, LWC1|RWC1 , 0xff); // GPIO 輸出高電 平 GPIODirModeSet(GPIO_PORTA_BASE, LWC2|RWC2 , GPIO_DIR_MODE_OUT); // 控制引腳輸出 GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE, LWC2|RWC2 , 0xff); // GPIO 輸出高電 平 /* 定時器配置*/ TimerConfigure(TIMER0_BASE,TIMER_CFG_16_BIT_PAIR |TIMER_CFG_A_PWM|TIMER_CFG_B_PWM); // 16 位PWM 輸出 TimerControlLevel(TIMER0_BASE,TIMER_A,false); //有效信號為低電 平 TimerControlLevel(TIMER0_BASE,TIMER_B,false); TimerLoadSet(TIMER0_BASE,TIMER_A,60000); // 設定PWM 頻率 TimerLoadSet(TIMER0_BASE,TIMER_B,60000); } Micromouse 車速檢測 車速檢測程序設計 本設計中選用了LM3S102 的PA0 和PB1 分別檢測左輪和右輪的下降沿的脈沖個數， 為了快速向應檢測信號，使用了下降沿觸發中斷。LM3S102 單片機的特點，任何一個GPIO 引腳都可以配置為中斷輸入，并且可以作任意設定為高電平觸發、低電平觸發、下降沿觸 發、上升沿觸發和上升或下降沿觸發5 種模式。本應用中使用下降沿觸發，其初始化如程 序清單 5.1 所示。 程序清單 5.1 輪子脈沖檢測初始化 void WheelPulseIni(void) { // 配置引腳為輸入 GPIODirModeSet(GPIO_PORTA_BASE, PULSE_R, GPIO_DIR_MODE_IN); GPIODirModeSet(GPIO_PORTB_BASE, PULSE_L, GPIO_DIR_MODE_IN); // 配置引腳下降沿觸發中斷 GPIOIntTypeSet(GPIO_PORTA_BASE,PULSE_R,GPIO_FALLING_EDGE); GPIOIntTypeSet(GPIO_PORTB_BASE,PULSE_L,GPIO_FALLING_EDGE); // 使能引腳輸入中斷 GPIOPinIntEnable(GPIO_PORTA_BASE,PULSE_R); GPIOPinIntEnable(GPIO_PORTB_BASE,PULSE_L); // 使能GPIO PA 口和GPIO PB 口中斷 IntEnable(INT_GPIOA); IntEnable(INT_GPIOB); } 左右輪檢測脈沖中斷處函數如程序清單 5.2 所示。 程序清單 5.2 左右輪檢測脈沖中斷處函數 //------------------------------------------------------------------------------------ // 函數名稱: GPIO_Port_A_ISR // 函數功能: 右輪檢測脈沖中斷處函數 //------------------------------------------------------------------------------------ void GPIO_Port_A_ISR (void) { unsigned char IntStatus; IntStatus = GPIOPinIntStatus(GPIO_PORTA_BASE,true); // 讀PA 口中斷狀態 if(IntStatus&PULSE_R) // 是否為左輪脈沖中斷 { PulCount_R++; if(PulCount_R >= RightPulse) { RightWheelRun(0, 1); WheelStop_R= 1; } GPIOPinIntClear(GPIO_PORTA_BASE,PULSE_R); // 清中斷 } } //------------------------------------------------------------------------------------ // 函數名稱: GPIO_Port_B_ISR // 函數功能: 左輪檢測脈沖中斷處函數 //------------------------------------------------------------------------------------ void GPIO_Port_B_ISR (void) { unsigned char IntStatus; IntStatus = GPIOPinIntStatus(GPIO_PORTB_BASE,true); // 讀PA 口中斷狀態 if(IntStatus&PULSE_L) // 是否為右輪脈沖中斷 { PulCount_L++; if(PulCount_L>= LeftPulse) { WheelStop_L= 1; LeftWheelRun(0, 1); } GPIOPinIntClear(GPIO_PORTB_BASE,PULSE_L); // 清中斷 } } 六、 系統DV：參看附件： a) 直線行走3格+右轉： 該運動中，小車首先直線行走3格（50CM），然后右轉，并在碰到障礙物后右轉，直線行走一格，再右轉一次； b) 圍繞小桌運動： 該運動中，小車圍繞方形小桌繞圈，判斷安全距離、檢測是否存在通路，并自動修正方向。 七、 測試情況： 經檢測，小車能較好的完成給定的運行任務，較為準確地直走、左右轉，及180度轉。小車完全可以完成探究迷宮、自動尋路等任務，并以較短的時間完成迷宮行走。 但是，小車依舊存在些問題：直走中有擺動現象，左右轉也做不到90度（大概85度到95度之間），180度更不好；算法不夠優秀，時間依舊較長。雖然這些問題更為瑣碎更為難處理，但我們有信心，暑假間會完全克服。 八、 曾遇到的問題：
1．車輪行進速度不一：
同一函數中，小車的左右轉速相差比較大，我們嘗試采取了以下幾種方式解決
1）。調占空比：無效，原因不明。在與別的小組交流之后，我們嘗試改寫了原先的驅動函數，使速度函數與正反轉函數區分開：
（原函數 & 改進后的函數 請見附錄）
還不太明白是為什么，把兩個函數分開寫了之后，發現有一定效果。
2）。脈沖補償：
這也是演示程序的方法，在執行完一次運行任務之后，把相差的脈沖補償到下一次任務的設定中：
PWMTimer0AIni(); // PWM初始化
PULSEIni(); // 調制信號初始化
WheelPulseIni(); // 測速初始化
while(1)
{
LeftPulse = 10; // 設定電機運行任務
RightPulse = 10;
WheelStop_L = 0; // 清零電機停止標志位
WheelStop_R = 0;
LeftWheelRun(1, 99); // 啟動左右電機
RightWheelRun(1, 99);
while(!(WheelStop_L && WheelStop_R))// 等待運行結束，狀態在中斷中改變
Check_Infrared(0); // 等待過程中進行紅外檢測
PulCount_L -= LeftPulse; // 誤差補償到下一次運動中
PulCount_R -= RightPulse;
}
想法很好，實際行不通。
以最低誤差來算，假設左輪10個脈沖，右輪9個，小車明顯走出一條弧線；而當下次補償到下次之中時，小車還是先走同樣的路程，然后左輪停轉，右輪轉2個脈沖(上次誤差+ 這次誤差），表現出了明顯的“一瘸一拐”的情況；而且，在我們的調試過程中，出現了不穩定的左右擺動，這是由于“半個脈沖”的問題，小車不能有效識別比較小的距離差，在最好的狀態下，小車也存在計數的問題，比如，左輪剛轉就開始向下的觸發，右輪快轉一圈才有第一次的向下觸發。而且，這種誤差是隨機的，與小車車輪的起始位置有關，不好避免。
3）.從硬件下手：
在左右電機同加固定電壓時，清楚地看到轉速不一樣，因此，最好的辦法還是從硬件上下手，通過串聯電阻來解決問題。這是我們的一個想法，還沒開始實施，準備在暑假時再想想軟件解決辦法，不行就改電路。（電機內阻，運行時電流）
2。檢測信號的波形：
受燈光的影響，可以看到，紅外接受得到的波形不時很好。檢測初速的還好，因為幅度比較大，所以沒有誤判的問題；檢測擋板的波形振動比較大。按照電路圖，嘗試著變換的電阻，取得不錯的效果，以下函數足夠完成判斷：
（ 源程序詳見附錄）
3。編譯器的問題：
大量鐵的事實證明，crosswork不好用，推薦使用Keil for ARM。前期使用的是crosswork，很多不明就里的問題，換到Keil for ARM就解決了，說明crosswork對小車的支持不夠好。很多函數，在crosswork上，完全起不到效果，跑出來都知道是怎么回事。我們不是在責怪crosswork不好，但至少說明，不易于上手。
總結了一些發現的問題：
1）。不能出現漢字：還好，無非就是存盤載入時麻煩點。
2）。只能裝C盤：剛開始裝在D盤，整天藍屏。
3）。頭文件載入：很多頭文件需要手動一一載入，還是查百度知道的，說明文件上沒有。
4）。編譯顯示錯誤，不顯示為什么錯：開始時，發現錯誤就在Keil上找錯。。。。。。
5）。脫機運行問題：想脫機運行?需要改很多。。。。。。
因此，不推薦用crosswork。
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