“走迷宮的機器人”設計與制作

葛濤+++徐運德+++陳顯東+++段紅委

摘 要：走迷宮的機器人是移動機器人路徑規劃算法的典型應用，在國際上迷宮機器人一直是控制領域和計算機領域的研究熱點問題，文章結合迷宮機器人走迷宮的實際特點，對機器人走迷宮的一些算法進行了研究和改進，從而實現了機器人在無人為干預下自主走迷宮的目標。

關鍵詞：迷宮機器人；單片機；數據通信；智能化

1 走迷宮的機器人設計的目的

隨著科學技術的高速發展，國內的教育和科研機構也日益關注機器人事業，有關科研工作在深度和規模上逐漸提高。一些著名高校基本形成了完整的研究體系，對推動高校的科技創新和產學研一體化產生了重要作用，因此我們將設計一種機器人，能夠在迷宮中尋找出最短路徑。

2 走迷宮的機器人系統設計

本設計以STC89C52單片機系統為控制中心，通過4路紅外電路檢測黑線，并保證小車能夠按照黑線前行，而當單片機檢測到需要轉向的傳感器信號時，單片機通過改變PWM波的占空比來調整小車兩側的電機轉速，從而使其兩側輪產生速度差，以實現小車的轉向。同時超聲波探測周圍障礙物，并通過WIFI模塊實時傳輸給計算機。小車遍歷整個迷宮區域，同時計算機繪制出迷宮概況，并用遞歸算法計算出最短路徑。

3 走迷宮的機器人硬件設計

3.1 總體硬件結構圖

說明：小車以STC89C52單片機控制器，采用紅外傳感器及其處理模塊實現對黑線的循跡；通過單片機產生PWM波對電機進行驅動并通過轉速對小車的方向和速度進行控制；用WIFI模塊將小車周邊障礙物情況傳送給電腦，電腦經過運算后將最優路徑傳輸回小車。數據采集系統以單片機為控制核心，模擬實況、算法分析由計算機完成。

3.2 微處理器的選擇

單片機我們選用STC89C52，該單片機是宏晶公司推出的新一代單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機；內部集成512字節RAM，具有EEPROM功能和看門狗功能，可上電擦除；通用I/O口32個，3個16位定時器/計數器，且功耗低。對于該項目，晶振不能采用常用12兆晶振，否則通信時便會產生積累誤差，進而產生波特率誤差，影響通信的同步性。采用11.0592兆晶振可以得到非常準確的數值，方便通信。

3.3 WIFI模塊

WIFI模塊我們采用的是ESP8266，它是一款超低功耗的UART-WiFi傳輸模塊，擁有較小封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到WiFi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能；且支持AT+控制指令集。

3.4 超聲波測障模塊

該模塊采用HC-SR04，具有體積小，精確度強等優點；具有2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，可用于障礙物測量。其基本工作原理是：采用IO口TRIG觸發測距，但至少要給10us的高電平信號才能觸發；模塊自動發送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；若有信號返回，則通過 I/O口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。只需5V電源供電，TRIG 觸發控制信號輸入，ECHO回響信號輸出等。

3.5 由于小車底座集成了電池槽和電源轉換，并帶有兩臺電機，所以不需要考慮電池和電機的選擇。

4 走迷宮的機器人軟件設計

4.1 遍歷算法

我們采用小車遍歷迷宮算法，迷宮的線路用黑線搭建進行模擬，橫豎各8條，每一個交點為一個坐標點 ，用二維數組a[8][8]表示（取左上角為起點，右下角為終點，總共64個交點）。

小車初始點為a[0][0]，在沒遇到結點（岔路口）時，判斷前、右、左方向上是否有障礙物，如果有兩個或者兩個以上的方向上有時，則按照優先前，其次右，最后左的順序（中右法則）。為了記憶迷宮的詳細信息，需要對迷宮單元的位置進行線路標記。走過的路線用0代替，墻用-1代替，未監測1代替。

如果三個方向都有障礙物（死路），就需要退回去，這時就需要記錄上一次結點的位置。在有兩個或兩個以上的方向可走的時候就將該點坐標記錄，當進入死路的時候就退回上次結點，并將該死路的入口由0改為-1，然后在進行中右法則（如果只剩一個方向則不需要判斷）。對于有多個方向結點，應將結點儲存。

4.2 最短路徑算法

計算機計算最短路徑遞歸算法：迷宮為一個8*8的二維數組；0表示路，-1表示墻，1表示未探索區域，然后求從入口，到出口的最短路程。

從起點開始出發（初始點賦值為1），根據中右定則向四個方向查找（先中其次右最后左），每確定一個方向就對前方的點賦值為此點+1，走過的路徑也可以重復行走。但有一個條件，就是本點+1必須小于已走過的點的值（墻不能走），如果本點+1大于已走過的點的值就退出，這樣遞歸調用，直到找到終點為止。

遞歸每成功調用一次該坐標點的值就為1，將所有1用直線連接起來，就可得到最短距離。

5 結束語

本課題智能機器人擁有主動避障功能，自主識別障礙物并判斷可行走路線，能夠在錯綜復雜的環境規劃出最短路徑，可以應用到探測未知區域，例如實現管道故障排查和路況檢測，或利用其物理特性實現非接觸實時測量，并且不受光線影響，例如實現夜間避障。使其智能化后，可在環境比較惡劣或者對人體有危險的地方工作，比如外星探測、火場救人、處理危險源、進行水下操作。同時還可以應用到無人駕駛公交、工業自動化控制運輸等方面，有著廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）[M].高等教育出版社.

[2]閻石.數字電子技術基礎（第五版）[M].高等教育出版社.

[3]傳感器原理及其應用[M].電子科技大學出版社.

[4]超聲波探測器HC-SR04官方文件，WIFI模塊ESP8266官方使用手冊[Z].

作者簡介：葛濤（1995-），男，漢族，山東省菏澤市人，本科，單位：江西科技師范大學，專業：電子信息工程。