迷宫探路智能化机器人的研究与应用
迷宫探路智能化机器人的研究与应用
摘 要：机器人在随机的复杂的多级迷宫里自行找到出路，需要始终坚持一个“靠右原则”，利用智能机器人AS-UII型号，加上扩展配件：红外接收扩展卡，数字指南针，红外测距卡，地面灰度检测卡 这些扩展的性能完成机器人对周围环境信息的获得，通过其微处理系统对信息数据进行处理，执行相应的任务，能够准确分析迷宫出路，快速自行走出人类智力的效率无法快速分析的多极复杂迷宫。
关键词：迷宫节点，靠右法则，校正，记录节点，最短路径
前 言：
迷宫本是一种智力游戏，但当其运用于现实生活中时，又会带来许多军事，科技，以及经济等方面的价值。军事方面诸葛亮的“八阵图”以及数学方面的“中国邮递员问题”，其基本结构均归于迷宫，因此，深入认识迷宫问题，对选择最优化路径，提高工作效率节省消耗等方面都具有重大的价值。在计算机未发明之前，人类无法同时处理大量数据，尤其在记忆功能方面，因此，在当前计算机技术高度发达的情况下，充分利用机器人的数据处理能力，用其来代替人类去探索迷宫，将有很可行的实用价值。
众所周知，迷宫，其实是现实中错综复杂地域环境的一种在实验室中的虚拟。此类机器人的扩展可用在军事（比如敌方领地的探测等），室内火灾现场的救人和逃离，复杂管道中的各种工作，古文明遗迹的机器人探索（比如金字塔中迷宫的探索和考察，以及危险环境中的机器人探路等），野外考察的预先探路和路径开辟，空间机器人探索等多方面领域。亦可附加其他各种功能以用于不同领域。是一切现代高级机器人所应该具备的最基本的新型功能和素质。
一、研 究 过 程
（一）实现目标
通过对机器人的扩展组装、命令程序的构思和编写，以及各参数的调试后，将机器人自 任何 迷宫的入口放入，机器人可根据对环境的探测，分析获得数据，执行相应的命令，最终能够自行找到通向出口的路径走出迷宫；并在此基础上，构思总结出对这类机器人的功能的拓展方案，以及这些方案的算法理论。
（二）研究材料与仪器性能介绍
1.能力风暴智能机器人AS-UII 型号性能指标
外形尺寸： 直径φ=220 mm 高H=150 mm
质量： ≈1.1 Kg
单片机工作频率：2MHz
电池供电范围： 5.5—12 V
串口速度：9600 bps
IR振荡频率：37.9KHZ
红外检测距离：>30cm
编码器分辨率：33脉冲/转
轮胎直径：65mm
电池：6V，1200mAh镍氢电池
2.扩展配件
红外接收扩展卡，数字指南针，红外测距卡，地面灰度检测卡
3.迷宫
（1）迷宫类型：直角弯；跑道宽度处处相同（本实验中均为30cm）；为随机建成；一入口和一出口；存在出路。
（2）本实验设置：实验地面为瓷砖，出口外地面贴一张黑纸。
（三）理论思路
1.数学模型：树的遍历
本项目的基本数学模型，就是数学图论中的树的遍历。
从理论和实践两个方面来说，都可以把一个迷宫，抽象为图论中的一棵树其结点的度为2或者3。其中迷宫中的每一条路径，都是相应的树的一个分支。
而对迷宫的探测，就是对树的一个遍历的过程。
在我们这个项目里，所采用的靠右走的方法，对应于树的先序遍历。
从上面的对应关系，可以看出，迷宫的最短路径就是
IN—A—C—D—E—G—H—OUT
2.实验方向：
此工程的难点首先在于直径为22㎝的机器人要在宽度仅为30㎝狭窄的迷宫跑道中执行任务，也就是机器人左右两侧距墙都只有4㎝的距离，实验要保证机器人不擦墙在其中行走自如，我们用三种传感器相互巧妙配合，精心调试，解决此问题。
迷宫走法：始终坚持靠着右墙走的原则（当然，始终靠左也可以），即可走出迷宫。
（四）实验步骤
1.实验部分总述
我们解决迷宫探路整个问题的算法如下：
流程图：
2.原理与细节分步
（1）设定磁极参数
在用指南针进行磁极校正时，四个方向的返回值并不是严格地成相差90°的关系，而是具有相应大小的波动偏差。在机器人停在某一方向上的时候，其返回的数值也不是唯一而是跳动变化的。
原因：指南针装置内部的质量问题与误差波动；周围磁场并不均匀。
由此，我们做出如下的设计：
设定一个参数i ：
iOrient=GetOrient();
if (iOrient>=358 || iOrient<=2) i=1 指北
if（iOrient>=84 && iOrient<=88) i=2 指东
if (iOrient>=176 && iOrient<=180) i=3 指南
if (iOrient>=264 && iOrient<=268) i=4 指西
通过改变参数 i ，使各个方向的iOrient 值与其正确匹配。
（2）红外测距卡
（A）原理：通过发射与接收之间的的时间差，来计算与障碍物的距离。
（B）出现的问题：
a, 机器人处理命令的速度较低，不能及时地处理返回的数据。
b, 红外测距卡的有效测距范围有下限，当超过下限时，其返回值与距离的关系将反转，以至于无法做出正确的判断。
c, 在运行过程中，由于机器人前进的速度太快，以至于红外测距卡不能及时、连续地返回变化着的距离所对应的数值。
(C)处理方法：
将其运行过程分成两阶段处理：
减速———停止
在距离落入规定范围值时，先使机器人减速，以较慢的速度接近障碍物（墙）。从而有利于测距卡适时地返回距离的变化，然后在执行“停”的命令。
if(iIr<60) driveb(23,21);
if(iIr>60) driveb(13,11);
if(iIr>80) stop();
(3)意外擦枪擦墙
问题及原因：
即使红外测距装置稳定工作，在其过程中由于惯性，机器人仍然会向前冲出一小段距离，以至于使得机身过分地靠近前墙。这样机器人在转弯后，机身更加靠近这一侧的墙，而不是处于跑道中央，容易出现擦墙问题，使机器人的运行出现严重阻碍。
解决方案：
利用红外测距卡，使机器人先后退一段，再以很慢的速度接近，从而得到一个很好的距离感。（之所以先后退，是由于测距卡的有效距离有下限。后退之后能够排除机器人进入下限后而造成的错误命令）。
void Ijz()/*保持与前墙的距离*/1047