基于粒子群算法的迷宫电脑鼠应用研究

论文摘要

融合了红外传感,电机控制,智能算法等技术的电脑鼠是一种智能自主移动机器人,电脑鼠在迷宫中,探查周边环境、选择逃生路径则可以归结到路径规划的范畴。移动机器人路径规划是机器人技术中一个重要研究领域,得到了很多研究者的关注,并取得了一系列重要成果。路径规划问题是指自主移动机器人在未知的、复杂的环境中自主规划起点至终点的路径,并且躲避障碍。迷宫电脑鼠的路径规划是智能移动机器人路径规划中的典型应用。由于迷宫环境的特殊性,迷宫电脑鼠的路径规划有着比一般避障路径规划算法更加复杂的要求。(1)以功能强大的ARM7系列32位微处理器LPC2138为控制芯片制作出符合标准的电脑鼠,电脑鼠用直流电机做驱动装置,由集成CMOS管组成的H桥电路驱动直流电机,采用红外一体化发射接收器作传感器,完成了电脑鼠的制作。(2)本论文研究了一些经典的方法,对人工势场法、栅格法的路径规划进行了概述;在研究了国内外智能机器人路径规划技术的基础上,根据机器人路径规划算法的研究现状和向智能化、仿生化发展的趋势,论述了基于粒子群算法的机器人路径规划方法,指出了经典方法应用于电脑鼠的不足,同时指明了粒子群算法应用于电脑鼠的优势。(3)对粒子群算法概述,通过对三个有约束条件的函数最优值的求解验证了粒子群算法的优点;按照粒子群算法的基本思想,对迷宫进行规划,把迷宫转化为数字式的表示方法,并建立严谨的适配值函数,通过仿真实验,求解出了迷宫的最优路径,电脑鼠能用这个最优路径到达终点,整个过程用时最短。最后,对全文工作进行了总结,并对机器人技术和路径规划算法的研究进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 迷宫电脑鼠研究的学术价值
• 1.1.3 路径规划的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 迷宫电脑鼠的发展
• 1.2.2 粒子群算法的发展
• 1.3 课题研究的主要内容
• 1.3.1 课题研究的主要内容和方法
• 1.3.2 课题研究面临的主要难点
• 1.4 论文的章节安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 电脑鼠总体设计规划
• 2.1 电脑鼠的功能和特点
• 2.2 系统总体设计流程框图
• 2.3 系统机身结构框图
• 2.4 系统硬件电路流程图
• 2.5 基本驱动软件进展流程
• 2.6 搜寻策略软件系统进展流程
• 2.7 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 迷宫电脑鼠的机身设计
• 3.2 电源的选择
• 3.3 电机的比较与方案选择
• 3.3.1 直流电机与步进电机的比较
• 3.3.2 电机选择
• 3.4 电机驱动的比较与方案的选择
• 3.4.1 H 桥电路简介
• 3.4.2 几种典型H 型电路的分析与比较
• 3.5 集成CMOS 管组成的H 桥驱动电路
• 3.6 测速电路模块设计
• 3.7 挡板检测部分方案选择
• 3.7.1 方案的比较与选择
• 3.7.2 传感器检测电路
• 3.8 人机交互界面电路设计
• 3.9 电脑鼠控制器设计
• 3.9.1 LPC2138 最小系统设计
• 3.9.2 JTAG 接口电路
• 3.9.3 复位电路
• 3.9.4 最小系统及各引脚分配
• 3.10 本章小结
• 第四章 迷宫机器人的路径规划
• 4.1 移动机器人路径规划概述
• 4.2 移动机器人的路径规划方法
• 4.2.1 移动机器人路径规划的经典方法
• 4.2.2 移动机器人路径规划的智能方法
• 4.3 基于粒子群算法的机器人路径规划
• 4.4 本章小结
• 第五章 迷宫电脑鼠的控制算法设计
• 5.1 迷宫场地的简单介绍
• 5.2 迷宫的表示
• 5.3 迷宫机器人常用搜寻法则和策略
• 5.3.1 迷宫搜寻法则
• 5.3.2 迷宫搜寻策略
• 5.4 求解迷宫问题的经典算法
• 5.4.1 迷宫的广度优先搜索法
• 5.4.2 迷宫的深度优先搜索法
• 5.5 粒子群算法的应用
• 5.5.1 粒子群算法的起源与研究进展
• 5.5.2 基本粒子群算法的原理和数学模型
• 5.5.3 基本粒子群算法的实现步骤及程序结构流程
• 5.5.4 粒子群算法与遗传算法性能测试比较
• 5.6 粒子群算法解迷宫问题
• 5.6.1 迷宫最优路径问题
• 5.6.2 数学模型的建立
• 5.6.3 粒子位置和速度初始化
• 5.6.4 算法步骤
• 5.6.5 粒子群算法在迷宫中的实现
• 5.6.6 仿真结果与分析
• 5.6.7 粒子群算法面临的主要问题
• 5.7 本章小结
• 第六章 迷宫电脑鼠的软件设计与调试
• 6.1 控制系统软件综述
• 6.2 电脑鼠主程序
• 6.2.1 等待状态
• 6.2.2 启动状态
• 6.2.3 粒子群算法搜索状态
• 6.2.4 冲刺状态
• 6.3 底层驱动程序设计
• 6.3.1 初始化模块
• 6.3.2 电机PWM 驱动程序设计
• 6.3.3 迷宫挡板检测
• 6.3.4 沿跑道中线前进的姿势修正程序
• 6.3.5 电脑鼠前进一格程序设计
• 6.3.6 电脑鼠转弯程序设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 课题总结
• 7.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 电路图
• 附录 B 实物图
• 附录 C 电脑鼠的比赛规则
• 个人简历和在读期间发表的学术论文