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第十一课 机器人走迷宫编程
东风一中E21信技课题组
【学习目标】①掌握机器人马达模块控制；②熟悉运用循环结构、分支结构控制机器人运动。
【学习任务】 制作机器人，实现机器人走迷宫编程。
一、 机器人走迷宫算法
走迷宫问题是一个古老而著名的问题。
有两种方法都可以走到出口，一种是顺时针走法（左手法则），另一种是逆时针走法（右手法则）。
以左手法则为例：
如果左手摸着墙壁，向前走；
如果左手摸不到墙壁，向左转，使左手能够摸到墙壁；
如果前面撞到墙了，说明前面有障碍物，向右转；
重复以上三步，就可以走到出口。
迷宫场地图
① ③ ④ ⑤
②
出口
机器人走迷宫程序流程图
【思考与练习】
1、为什么机器人老在打转，没有碰到墙？
2、机器人撞到前面的墙，为什么没有转过弯来？
3、机器人为什么在房间门口没有进去？
问题答案
1、机器人左右马达参数设置有问题。
2、机器人转动的时间不够，延时时间需要调整。
3、机器人转弯幅度不够，需要调整马达参数。
附：参考C语言程序。
姓名：张学号: 20101302组员: 王班级: 计控1101系部: 计算机应用系摘要我们本次实训采用的能力风暴机器人套件组装的智能小车，利用两层钢板做为车架，以AS-EICON II控制器为核心，加上灰度传感器和电源供电电路以及其他电路组成，，AS-EICON II控制器对灰度传感器采集到得信号予以分析判断，及时控制驱动直流电机以调整小车前进后退以及左右移动，此外，对整个控制软件设计和程序的编制以及程序的调试，使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶，实现小车自动寻迹走出迷宫的目的。
关键词：AS-EICON II、灰度传感器、调试、黑色轨迹。
AbstractThe training ability storm robots kit assembly smart car, two layers of steel as a frame, as the core the AS-EICON II controller, plus Grayscale sensor and power supply circuit and other circuits, , AS-EICON II controller gray sensor signal acquisition to be analyzed to determine, in a timely manner to control the drive DC motor to adjust the car forward and back, and move around, in addition, control software design and program preparation, and program debugging, car automatic travel along the black trajectory to achieve the purpose of the car with automatic tracing out of the labyrinth.Keywords: AS-an EICON II, gray-scale sensors, debugging, black trajectory.目录1. 项目概述 (5)2. 迷宫图 (5)3. 机器人套件组成 (6)3.1电机 (6)3.2控制器 (6)3.3传感器 (6)3.3.1光电传感器 (6)3.3.2碰撞传感器 (7)3.3.3灰度传感器 (7)3.3.4声音传感器 (8)4. 系统设计 (8)4.1小车组成 (8)4.1.1 控制部分组成 (9)4.1.2传感器的选择 (9)4.2小车的效果图 (10)4.3设计框图 (10)5. 走迷宫算法设计 (11)5.1走直线 (11)5.2向左转 (12)5.3向右转 (12)6. 程序模块 (13)7. 总结 (14)1. 项目概述利用能力风暴机器人套件，组装成一个小车，然后利用能力风暴机器人套件里面的AS-EICON II控制器控制该小车能够走出指定的迷宫。
摘要：迷宫机器人主要研究的几个部分：行走机构、传感器、驱动方式、控制系统。
控制系统设计是迷宫机器人设计中很关键的一部分，只有具有合理的结构和稳定可靠的控制系统，才能保证迷宫机器人顺利迅速地完成行走迷宫的过程，才能保证为研究复杂的迷宫算法打下良好的基础。
关键词：迷宫机器人，硬件结构，控制系统设计1.引言迷宫机器人的体系结构分为两种：水平式体系结构，垂直式体系结构。
水平式结构最早由nillsion提出来的，它采用从上而下的方法构造系统，根据信息的流向及行为功能，将机器人的控制过程分解成不同的子任务，由不同的功能模块去执行，这些功能模块组成了一条闭环链，信息流由环境经由传感器进入机器人处理器，经过规划决策处理后再经由执行机构返回环境，从而实施控制行为，构成一个闭环系统。
垂直式结构是采用从下而上的方法构造系统，将完成机器人某一特定控制的感知、规划、任务执行等过程封装在一起，称为一个行为（如停止、避障、漫游、跟踪探测等等），每一个行为都实现传感器信息与机器人动作间的一种映射，某一时刻，只有一种行为能够控制车体，机器人最终的动作是由各层行为间的相互竞争实现的.2.迷宫机器人行走机构设计行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。
执行机构只要是机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。
驱动装置和传动装置用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。
要研究迷宫机器人的路径规划，实现机器人在迷宫中的准确行走，都必须建立移动机器人的运动学模型，在轮式移动机器人中，差动转向式机器人控制复杂，但精度比较高，因此迷宫机器人采用双轮单独驱动、前轮为万向轮的结构，通过两个后轮的转速差来实现机器人的前进、后退、转弯等动作，使得机器人能够在迷宫中灵活地行走和避障。
机器人的机械结构主要是指机器人的机械构造、设备选型等，迷宫机器人的机械部分主要有车架、车轮、直流减速电机及其连接等。
走迷宫机器人——控制系统的设计上海交通大学：钱真彦（F9903406班）苏稚英（F9903501班）摘要走迷宫机器人主要是基于自动导引小车（AGV——auto-guided vehicle）的原理，实现小车识别路线，判断并自动规避障碍，选择正确的行进路线。
导引方式采用与地面颜色有较大差别的导引线，使用反射式光电传感器感知导引线，障碍判断采用机械式传感器。
驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM开环控制。
控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。
控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，路线判断，电机控制。
该技术可以应用于无人工厂，仓库，服务机器人等领域。
总体规划对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路设计；二、传感器选择以及安放位置设计；三、程序设计。
从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使小车行驶自如。
控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。
一、电路设计控制电路主要有电机驱动电路，单片机接口电路，电源电路三个部分。
考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。
传感器的电源直接使用24V蓄电池，单片机的电源则通过7805将24V电源转换到5V。
这里主要对驱动电路进行一下介绍：小车使用24V直流电机，对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种。
（1）线性型使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。
（2）脉宽调制另外一种是较常用的脉宽调速（PULSE WIDE MODULATION——PWM），这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。
自动走迷宫的机器人设计与课程总结报告一、引言随着人工智能和机器人技术的快速发展，自动走迷宫的机器人成为了研究的热点之一。
本课程旨在通过理论与实践相结合的方式，让学生掌握机器人设计的基本方法，并能够独立完成一个自动走迷宫机器人的设计和实现。
二、课程目标理解机器人设计的基本原理和方法。
学习迷宫问题的解决策略。
掌握传感器、控制器等机器人硬件的使用。
熟悉编程语言在机器人控制中的应用。
培养团队合作和项目管理的能力。
三、迷宫问题概述迷宫问题是一个经典的搜索问题，目标是在有限的空间内找到从起点到终点的路径。
在机器人领域，迷宫问题通常涉及到路径规划、障碍物避让等技术。
四、机器人设计硬件设计：包括传感器（如红外传感器、超声波传感器）、控制器（如Arduino或Raspberry Pi）、驱动器（如电机驱动器）和机械结构等。
软件设计：包括迷宫问题的算法实现（如深度优先搜索、广度优先搜索、A*算法等）和机器人控制程序的编写。
系统集成：将硬件和软件集成到一起，确保机器人能够按照预期工作。
五、课程实施理论学习：通过课堂讲授和阅读教材，学生学习机器人设计的理论知识。
实践操作：学生在实验室中进行机器人的组装和编程实践。
团队合作：学生分组进行项目开发，培养团队协作能力。
项目管理：学生需要制定项目计划，管理项目进度，确保按时完成任务。
六、项目实施需求分析：明确机器人的功能需求和性能指标。
方案设计：设计机器人的硬件架构和软件架构。
硬件组装：根据设计方案，选择合适的硬件组件进行组装。
软件开发：编写控制算法和机器人控制程序。
测试与调试：在迷宫环境中测试机器人的性能，进行必要的调试。
性能优化：根据测试结果，优化机器人的设计，提高其性能。
七、课程成果机器人原型：学生成功设计并实现了一个能够自动走迷宫的机器人原型。
技术报告：学生撰写了详细的技术报告，包括设计思路、实现过程和测试结果。
展示与交流：学生在课程结束时进行了项目展示，并与其他团队进行了交流。
“走迷宫的机器人”设计与制作
走迷宫的机器人是移动机器人路径规划算法的典型应用，在国际上迷宫机器人一直是控制领域和计算机领域的研究热点问题，文章结合迷宫机器人走迷宫的实际特点，对机器人走迷宫的一些算法进行了研究和改进，从而实现了机器人在无人为干预下自主走迷宫的目标。
标签：迷宫机器人；单片机；数据通信；智能化
1 走迷宫的机器人设计的目的
随着科学技术的高速发展，國内的教育和科研机构也日益关注机器人事业，有关科研工作在深度和规模上逐渐提高。
一些著名高校基本形成了完整的研究体系，对推动高校的科技创新和产学研一体化产生了重要作用，因此我们将设计一种机器人，能够在迷宫中寻找出最短路径。
2 走迷宫的机器人系统设计
本设计以STC89C52单片机系统为控制中心，通过4路红外电路检测黑线，并保证小车能够按照黑线前行，而当单片机检测到需要转向的传感器信号时，单片机通过改变PWM波的占空比来调整小车两侧的电机转速，从而使其两侧轮产生速度差，以实现小车的转向。
同时超声波探测周围障碍物，并通过WIFI模块实时传输给计算机。
小车遍历整个迷宫区域，同时计算机绘制出迷宫概况，并用递归算法计算出最短路径。
3 走迷宫的机器人硬件设计
3.1 总体硬件结构图
说明：小车以STC89C52单片机控制器，采用红外传感器及其处理模块实现对黑线的循迹；通过单片机产生PWM波对电机进行驱动并通过转速对小车的方向和速度进行控制；用WIFI模块将小车周边障碍物情况传送给电脑，电脑经过运算后将最优路径传输回小车。
数据采集系统以单片机为控制核心，模拟实况、算法分析由计算机完成。
3.2 微处理器的选择
单片机我们选用STC89C52，该单片机是宏晶公司推出的新一代单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机；内部集成512字节RAM，具有EEPROM功能和看门狗功能，可上电擦除；通用I/O口32个，3个16位定时器/计数器，且功耗低。
对于该项目，晶振不能采用常用12兆晶振，否则通信时便会产生积累误差，进而产生波特率误差，影响通信的同步性。
采用11.0592兆晶振可以得到非常准确的数值，方便通信。
3.3 WIFI模块
WIFI模块我们采用的是ESP8266，它是一款超低功耗的UART-WiFi传输模块，拥有较小封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能；且支持AT+控制指令集。
3.4 超声波测障模块
该模块采用HC-SR04，具有体积小，精确度强等优点；具有2cm-400cm的非接触式距离感测功能，可用于障碍物测量。
其基本工作原理是：采用IO口TRIG 触发测距，但至少要给10us的高电平信号才能触发；模块自动发送8个40kHz 的方波，自动检测是否有信号返回；若有信号返回，则通过I/O口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
只需5V电源供电，TRIG 触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等。
3.5 由于小车底座集成了电池槽和电源转换，并带有两台电机，所以不需要考虑电池和电机的选择。
4 走迷宫的机器人软件设计
4.1 遍历算法
我们采用小车遍历迷宫算法，迷宫的线路用黑线搭建进行模拟，横竖各8条，每一个交点为一个坐标点，用二维数组a[8][8]表示（取左上角为起点，右下角为终点，总共64个交点）。
小车初始点为a[0][0]，在没遇到结点（岔路口）时，判断前、右、左方向上是否有障碍物，如果有两个或者两个以上的方向上有时，则按照优先前，其次右，最后左的顺序（中右法则）。
为了记忆迷宫的详细信息，需要对迷宫单元的位置进行线路标记。
走过的路线用0代替，墙用-1代替，未监测1代替。
如果三个方向都有障碍物（死路），就需要退回去，这时就需要记录上一次结点的位置。
在有两个或两个以上的方向可走的时候就将该点坐标记录，当进入死路的时候就退回上次结点，并将该死路的入口由0改为-1，然后在进行中右法则（如果只剩一个方向则不需要判断）。
对于有多个方向结点，应将结点储存。
4.2 最短路径算法
计算机计算最短路径递归算法：迷宫为一个8*8的二维数组；0表示路，-1表示墙，1表示未探索区域，然后求从入口，到出口的最短路程。
从起点开始出发（初始点赋值为1），根据中右定则向四个方向查找（先中
其次右最后左），每确定一个方向就对前方的点赋值为此点+1，走过的路径也可以重复行走。
但有一个条件，就是本点+1必须小于已走过的点的值（墙不能走），如果本点+1大于已走过的点的值就退出，这样递归调用，直到找到终点为止。
递归每成功调用一次该坐标点的值就为1，将所有1用直线连接起来，就可得到最短距离。
5 结束语
本课题智能机器人拥有主动避障功能，自主识别障碍物并判断可行走路线，能够在错综复杂的环境规划出最短路径，可以应用到探测未知区域，例如实现管道故障排查和路况检测，或利用其物理特性实现非接触实时测量，并且不受光线影响，例如实现夜间避障。
使其智能化后，可在环境比较恶劣或者对人体有危险的地方工作，比如外星探测、火场救人、处理危险源、进行水下操作。
同时还可以应用到无人驾驶公交、工业自动化控制运输等方面，有着广阔的应用前景。
参考文献
[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社.
[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].高等教育出版社.
[3]传感器原理及其应用[M].电子科技大学出版社.
[4]超声波探测器HC-SR04官方文件，WIFI模块ESP8266官方使用手册[Z].
作者简介：葛涛（1995-），男，汉族，山东省菏泽市人，本科，单位：江西科技师范大学，专业：电子信息工程。
