“走迷宫的机器人”设计与制作

“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。