VB中電腦鼠微型機(jī)器人走迷宮模擬仿真

趙新華，白峻汀，馬忠麗

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

電腦鼠是一種具有人工智能的輪式機(jī)器人，是由嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置，它結(jié)合了機(jī)械、電子、電機(jī)、控制、光學(xué)、程序設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等多方面的科學(xué)知識(shí)。因此，電腦鼠的開(kāi)發(fā)及相關(guān)技術(shù)的研究能夠體現(xiàn)多個(gè)電子相關(guān)技術(shù)的水平。研究人員分別從電腦鼠行走的控制算法、迷宮的優(yōu)化算法及硬件實(shí)現(xiàn)等三方面對(duì)電腦鼠運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性及迷宮搜索的快速性進(jìn)行了研究。電腦鼠行走的控制算法主要有模糊PID控制算法[1]、模糊控制[2]等；電腦鼠迷宮搜索方法有包括轉(zhuǎn)彎算法的改進(jìn)[3]、改進(jìn)蟻群算法在迷宮路徑規(guī)劃中的應(yīng)用[4]、迷宮搜索中心算法[5]、基于向心法則的迷宮算法[6]等；電腦鼠微型機(jī)器人硬件實(shí)現(xiàn)方面主要有基于DSP電腦鼠系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]及基于ARM的電腦鼠設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[8-9]。可見(jiàn)先進(jìn)的控制方法及迷宮搜索算法的應(yīng)用是電腦鼠走迷宮實(shí)現(xiàn)快速性及穩(wěn)定性的必然趨勢(shì)，但是在進(jìn)行先進(jìn)控制方法及優(yōu)化理論應(yīng)用的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，直接在電腦鼠硬件系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試，往往因?yàn)樗惴皡?shù)的不合理，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)的失敗，因而耗費(fèi)一定的人力物力。基于以上原因，本文提出了采用VB編程開(kāi)發(fā)仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電腦鼠運(yùn)動(dòng)的仿真，可以提高相關(guān)算法應(yīng)用開(kāi)發(fā)的效率。

本文以“IEEE國(guó)際電腦鼠競(jìng)賽”為背景，應(yīng)用VB程序軟件開(kāi)發(fā)對(duì)電腦鼠走迷宮進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)，該軟件能夠反映電腦鼠迷宮中的運(yùn)行狀態(tài)、顯示電腦鼠的運(yùn)行軌跡、開(kāi)發(fā)先進(jìn)的搜索算法、記錄采用不同搜索算法的運(yùn)行步數(shù)、最短路徑及搜索效率等，通過(guò)比較不同算法的執(zhí)行效率，獲得最佳的優(yōu)化方案。因此，本軟件可以作為電腦鼠工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)的先行軍，為參賽隊(duì)伍節(jié)省人力物力，提高工作效率。

1 迷宮的建立與設(shè)計(jì)

IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮由16×16個(gè)的正方形單元所組成。迷宮的起始單元可選設(shè)在迷宮4個(gè)角落之中的任何一個(gè)。起始單元必須三面有隔墻，只留1個(gè)出口。例如，如果沒(méi)有隔墻的出口為“北”時(shí)，那么迷宮的外墻就構(gòu)成位于 “東”、“西”和“南”的隔墻。電腦鼠競(jìng)賽的終點(diǎn)設(shè)在迷宮中央，由4個(gè)正方形單元構(gòu)成。

圖1 IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮Fig.1 IEEE standard maze

1.1 迷宮的建立

為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，可先對(duì)迷宮的每個(gè)單元進(jìn)行編號(hào)，建立二維數(shù)組A(16，16)(左上角的坐標(biāo)為A(1，1)，右下角為A(16，16))。每個(gè)單元有右、上、左、下有4個(gè)方向，定義4個(gè)常量Rig、Up、Dow、Lef，分別用數(shù)字0，1，2，3來(lái)表示。每個(gè)方向上有有擋板與無(wú)擋板之分，分別用1、0表示。定義B(16，17)表示橫擋板，C(17，16)表示豎擋板，如迷宮小格A(2，2)的上方橫擋板為B(2，2)，下方擋板為B(2，3)，左方擋板為C(2，2)，右方擋板為C(3，2)。到此，迷宮的建立就可以用擋板信息來(lái)表示。為了方便，可將擋板信息保存于txt文件中，應(yīng)用時(shí)讀取txt文件。迷宮四周存在的擋板，可去除這部分迷宮信息。

若建立圖1所示迷宮，此迷宮的橫擋板迷宮部分程序?yàn)?/p>

H(0)=“1111111011111100”

…

H(14)=“0101000001110101”

Forj= 2 To 16

Fori= 1 To 16

B(i,j) = Mid(H(j- 2),i, 1)

Nexti

Nextj

1.2 隨機(jī)迷宮的設(shè)計(jì)

隨機(jī)迷宮就是隨機(jī)產(chǎn)生的一個(gè)可以走通(即有解)的迷宮, 隨機(jī)迷宮產(chǎn)生的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)隨機(jī)[10]。其具體思路為：依照電腦鼠迷宮的特性，首先設(shè)定迷宮的初始狀態(tài)，墻壁都存在，并且迷宮終點(diǎn)的4個(gè)單元設(shè)置為不可訪問(wèn)。為保證電腦鼠迷宮的起始單元必須三面有隔墻，只留1個(gè)出口，開(kāi)始單元只能設(shè)為迷宮四角的一角。從開(kāi)始單元開(kāi)始，隨機(jī)地選擇一個(gè)沒(méi)有訪問(wèn)過(guò)的鄰接單元，并打通與它相鄰的墻壁。此時(shí)，此鄰接單元為當(dāng)前單元。如果所有周?chē)膯卧际窃L問(wèn)過(guò)的，則退回上一個(gè)單元進(jìn)行挖掘墻壁，如此反復(fù)。當(dāng)開(kāi)始單元被返回的時(shí)候，算法結(jié)束。此時(shí)，從開(kāi)始單元開(kāi)始能到達(dá)除迷宮終點(diǎn)的4個(gè)單元的任何一個(gè)單元。最后，再利用隨機(jī)函數(shù)在迷宮終點(diǎn)的4個(gè)單元處外圍開(kāi)一口，并設(shè)置內(nèi)部無(wú)擋板。至此電腦鼠迷宮設(shè)計(jì)結(jié)束。

VB部分程序如下：

Do

If 當(dāng)前單元周?chē)膯卧形丛L問(wèn)過(guò) then

A： Suiji=Int(Rnd * 4)

Select Case Suiji

Case 0

If當(dāng)前單元右單元有未訪問(wèn)過(guò) then

移動(dòng)到右單元

指針數(shù)+1

右單元訪問(wèn)過(guò)

Else

GotoA

End if

…‘另3個(gè)方向進(jìn)行判斷

End Select

Else

指針數(shù)-1‘返回上一單元

End if

Loop until 指針=0

根據(jù)此隨機(jī)迷宮算法，建立的迷宮符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮要求，具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 隨機(jī)迷宮示意圖Fig.2 The diagram of random maze

1.3 迷宮的顯示

迷宮的顯示是指讀取擋板的信息，為1時(shí)在軟件界面相應(yīng)單元處用Line函數(shù)畫(huà)出一段直線(xiàn)。顯示方法有2種：1)以人觀察為視角，迷宮的樣式直接顯示在軟件界面上，2)以電腦鼠的視野為視角，電腦鼠每移動(dòng)一個(gè)單元，顯示此單元的信息。其中，第2種方法加上手動(dòng)移動(dòng)電腦鼠在迷宮上搜索，進(jìn)行自身模擬走迷宮，有助于對(duì)迷宮算法的探討。此時(shí)，未免混亂，可另定義B1(16，17)、C1(17，16)來(lái)表示電腦鼠所觀測(cè)到的迷宮信息。

2 電腦鼠走迷宮的VB實(shí)現(xiàn)

VB是一套可視化的具有面向?qū)ο蟮某绦蜷_(kāi)發(fā)工具，是一種非常方便的Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它可以實(shí)現(xiàn)Windows的絕大多數(shù)功能(包括大型游戲軟件的開(kāi)發(fā))，最大的優(yōu)勢(shì)就是可快速創(chuàng)建用戶(hù)界面，把復(fù)雜而完善的Windows操作系統(tǒng)的使用融于易于學(xué)習(xí)和應(yīng)用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中，使得它具有易學(xué)易懂易用的特點(diǎn)，因而受到初學(xué)者和廣大工程技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的普遍喜歡。

2.1 電腦鼠的顯示

當(dāng)迷宮建立完成，可對(duì)電腦鼠進(jìn)行顯示，其關(guān)鍵點(diǎn)是電腦鼠的朝向。VB編程中，可在工程窗口中添加一個(gè)圖片控件組，分別加載電腦鼠不同朝向時(shí)的圖片，都先將其Visable屬性設(shè)為False。當(dāng)電腦鼠在迷宮前進(jìn)過(guò)程中，首先應(yīng)判斷其朝向，再依此把代表其朝向的圖片控件的Visable屬性設(shè)為T(mén)rue。

2.2 電腦鼠的移動(dòng)

電腦鼠的移動(dòng)歸根結(jié)底是圖片控件的移動(dòng)，可根據(jù)電腦鼠所處迷宮單元坐標(biāo)，對(duì)圖片控件的Left及Top屬性值進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)電腦鼠移動(dòng)到一單元，首先對(duì)其迷宮單元坐標(biāo)進(jìn)行判斷，進(jìn)而設(shè)定圖片控件的Left及Top屬性值，最后顯示相應(yīng)朝向的圖片控件。

2.2.1 電腦鼠主程序的實(shí)現(xiàn)

依照電腦鼠主程序流程，電腦鼠走迷宮過(guò)程可以分為4個(gè)狀態(tài)：等待狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、搜索狀態(tài)和沖刺狀態(tài)[11]。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of the main program

從該流程圖中可以看出，電腦鼠軟件主程序主要包括：迷宮子程序、路徑優(yōu)化子程序、沖刺子程序、路口檢測(cè)子程序、行走控制子程序、路口控制子程序。每個(gè)子程序的功能如下：

1)迷宮子程序。在沒(méi)有預(yù)知迷宮路徑的情況下，電腦鼠必須優(yōu)先探索迷宮中的所有單元格，直到抵達(dá)終點(diǎn)為止。為了完成這個(gè)功能，電腦鼠要隨時(shí)知道自己的位置及姿態(tài)，同時(shí)要記錄所有訪問(wèn)過(guò)的方塊四周是否有墻壁，并且在搜索過(guò)程中盡量避免重復(fù)搜索它搜索過(guò)的地方[12]。

2)路徑優(yōu)化子程序。通過(guò)對(duì)迷宮環(huán)境進(jìn)行搜索檢測(cè)，數(shù)組自動(dòng)記錄迷宮地圖信息以及迷宮中每一單元格到起始點(diǎn)的路程。運(yùn)行最優(yōu)路徑子程序，就能找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑。

3)沖刺子程序。此程序可使電腦鼠循著最短路徑從起點(diǎn)以最快的速度沖到終點(diǎn)。

4)路口檢測(cè)子程序。由安裝在正前、左前、右前方向的3個(gè)紅外發(fā)射管發(fā)射信號(hào)完成遠(yuǎn)距檢測(cè)，根據(jù)傳感器的讀入值，判斷迷宮中的障礙信息、路口信息。

5)行走控制子程序。根據(jù)左右兩側(cè)紅外傳感器接收的反饋信號(hào)來(lái)判斷電腦鼠偏離迷宮巷道中軸線(xiàn)的程度，通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)工作脈沖使某一邊電機(jī)減速來(lái)修正電腦鼠的行駛方向，使其基本行走在中軸線(xiàn)附近。

6)路口控制子程序。當(dāng)電腦鼠檢測(cè)到岔路口，且需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，調(diào)用該子程序。應(yīng)用VB進(jìn)行仿真模擬時(shí)，可在窗口增加一個(gè)Timer控件，其Value值用HScroll控件的Value值來(lái)表示，以方便觀察電腦鼠的走向。軟件運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電腦鼠的位置，根據(jù)其不同的狀態(tài)，進(jìn)行不同的控制，其中，狀態(tài)的變化可用Select函數(shù)進(jìn)行選擇。

2.3 迷宮搜索算法的實(shí)現(xiàn)

迷宮搜索算法的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)是電腦鼠遇到岔路口的處理方式：保存岔路口坐標(biāo)和根據(jù)迷宮搜索算法確定轉(zhuǎn)彎優(yōu)先級(jí)。對(duì)于岔路口坐標(biāo)的保存，可利用堆棧的方法。電腦鼠每到一個(gè)迷宮單元，即需進(jìn)行判斷，是否進(jìn)行坐標(biāo)保存。在VB可定義一個(gè)函數(shù)Chalu()，為了方便，可以也把起點(diǎn)用堆棧進(jìn)行保存，作為棧底元素。

VB部分程序代碼如下：

Public Sub Chalu()

可前進(jìn)方向數(shù) = 0

If 當(dāng)前迷宮單元上方滿(mǎn)足搜索要求

Then

可前進(jìn)方向數(shù)+ 1

End If

…‘判斷其余各個(gè)方向可前進(jìn)的方向數(shù)

If可前進(jìn)方向數(shù)> 1

Then

可前進(jìn)方向數(shù)指針+1

保存當(dāng)前坐標(biāo)

End If

End Sub

應(yīng)用VB進(jìn)行轉(zhuǎn)彎優(yōu)先級(jí)模擬時(shí)，可利用Select函數(shù)實(shí)現(xiàn)，按照優(yōu)先級(jí)順序設(shè)置case元素，當(dāng)不滿(mǎn)足電腦鼠轉(zhuǎn)向的要求時(shí)，選擇下一優(yōu)先級(jí)。由于VB中，每次執(zhí)行Select函數(shù)時(shí)，只能執(zhí)行相應(yīng)選擇的內(nèi)容后跳出，為了提升程序執(zhí)行效率，可以利用Goto函數(shù)，當(dāng)當(dāng)前選擇項(xiàng)不滿(mǎn)足時(shí)，跳回到Select函數(shù)開(kāi)始處。

2.4 等高表的實(shí)現(xiàn)

電腦鼠走迷宮一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于求解起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短距離。同時(shí)，在電腦鼠的尋路過(guò)程中也存在一個(gè)比較特殊的過(guò)程，就是在電腦鼠遇到了死胡同時(shí)，應(yīng)該讓電腦鼠回到上一個(gè)岔路口。這2個(gè)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是等同于求解電腦鼠從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的最短路徑。雖然可以利用堆棧的先入后出的特性來(lái)存儲(chǔ)尋路過(guò)程中經(jīng)過(guò)的單元的坐標(biāo)，但是這不能保證從當(dāng)前的位置移動(dòng)到岔路口是最短路徑,這就需要用到等高表，利用等高表流程圖可以方便地實(shí)現(xiàn)等高表算法。本文提出了一種新的等高表的算法，其主要思路是將路徑規(guī)劃的思想引入到等高表中，同時(shí)利用遞歸：定義一個(gè)等高表函數(shù)，若目標(biāo)單元的某一方向上沒(méi)有擋板并且此單元的等高表值比目標(biāo)單元的等高表值大1，再以此單元為目標(biāo)單元調(diào)用等高表函數(shù)。

VB部分程序代碼如下：

Public Function mapEdit(ByVal cx As Integer, ByVal cy As Integer) As String

If 上方無(wú)擋板And 上方等高值大1

Then

上方等高值=當(dāng)前等高值+1

Call mapEdit(上方單元坐標(biāo))

End If

If … then‘其他三方向的等高表制作

…

End if

…

End Function

與此相似，根據(jù)加權(quán)等高表特性，在注意電腦鼠朝向變化的情況下可方便對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

對(duì)改進(jìn)的等高表即等高表路徑規(guī)劃與加權(quán)等高表表示的迷宮如圖4所示，采用等高表路徑規(guī)劃方法，電腦鼠在搜索階段的運(yùn)行步數(shù)為496步，轉(zhuǎn)彎次數(shù)為232次，掉頭次數(shù)為19次，而采用第2種等高表方法，搜索階段的運(yùn)行步數(shù)為504步，轉(zhuǎn)彎次數(shù)為232次，掉頭次數(shù)為19次。可見(jiàn)等高表路徑規(guī)劃方法的效率略高。

(a) 等高表路徑規(guī)劃

(b)加權(quán)等高表圖4 等高表路徑規(guī)劃及加權(quán)等高表Fig.4 The path planning of the contour line and the weighting contour line

3 軟件仿真測(cè)試

VB實(shí)現(xiàn)的電腦鼠走迷宮模擬軟件最終效果圖如5所示，運(yùn)用右手法則對(duì)迷宮進(jìn)行全搜索，步數(shù)為400步，轉(zhuǎn)彎244次，掉頭27次；最短路徑步數(shù)為59步，轉(zhuǎn)彎43次。經(jīng)測(cè)試，制作的模擬仿真軟件可以很好地模擬電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 軟件最終效果圖(全搜索)Fig.5 The final picture of the soft(full search)

對(duì)迷宮的改進(jìn)搜索算法，包括死胡同排除搜索算法、死區(qū)域排除搜索算法、死岔路口排除搜索算法、死區(qū)域結(jié)合死岔路口排除搜索算法進(jìn)行了軟件仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖中所用迷宮均為圖5所示中的迷宮，運(yùn)用法則均為右手法則。圖中除終點(diǎn)外，為0的迷宮單元表示電腦鼠排除的單元。

(a) 死胡同排除搜索算法

(b)死區(qū)域排除搜索算法

(c) 死岔路口排除搜索算法

(d) 死區(qū)域結(jié)合死岔路口排除搜索算法圖6 改進(jìn)的迷宮搜索算法對(duì)比Fig.6 The comparison of the maze search algorithm

表1是用仿真軟件實(shí)現(xiàn)的各種迷宮搜索算法執(zhí)行效率的比較，分別從搜索階段、最短路徑、索索空間3個(gè)方面進(jìn)行了比較，其中空間為探索區(qū)域/全迷宮×100%。

表1 迷宮搜索算法效率

由表1及以上仿真結(jié)果圖分析可得：死區(qū)域結(jié)合死岔路口排除算法是迷宮搜索3種改進(jìn)算法最好的結(jié)合。分別從未搜索過(guò)的迷宮單元和已搜索過(guò)的迷宮單元移動(dòng)策略進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)迷宮搜索的效率進(jìn)行了提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)電腦鼠走迷宮競(jìng)賽的規(guī)則，應(yīng)用Visual Basic制作仿真軟件,實(shí)現(xiàn)了迷宮的隨機(jī)生成，電腦鼠的表示及迷宮優(yōu)化算法的對(duì)比分析。對(duì)軟件的測(cè)試表明，該軟件能夠?qū)Ω鞣N迷宮搜索算法進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，完成電腦鼠行進(jìn)速度的設(shè)定、搜索法則的選擇、電腦鼠行進(jìn)狀態(tài)的設(shè)定、等高表、最短路徑的顯示及搜索階段關(guān)鍵數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)等工作。該軟件為實(shí)際電腦鼠(迷宮微型機(jī)器人)的控制及優(yōu)化算法的實(shí)際應(yīng)用提供了有效的測(cè)試手段。

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