“電腦鼠”走迷宮09賽事圓滿落幕
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日前，一場(chǎng)嵌入式領(lǐng)域的盛大賽事——2009年全國(guó)“電腦鼠走迷宮”競(jìng)賽在北京圓滿落下帷幕。經(jīng)過(guò)全國(guó)9大分賽區(qū)、52所高校、140個(gè)隊(duì)歷時(shí)近4個(gè)月的角逐后，11月7日在北京首亨科技大廈進(jìn)行了總決賽。陜西科技大學(xué)在決賽中的25所學(xué)校的27支隊(duì)伍中脫穎而出，以15.7秒獲得的冠軍。其余15只隊(duì)伍獲得了獎(jiǎng)勵(lì)。
本次電腦鼠走迷宮大賽由廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司為每個(gè)邀請(qǐng)高校免費(fèi)提供2個(gè)能初步簡(jiǎn)單行走（暫無(wú)智能算法）的電腦鼠MicroMouse615及IEEE標(biāo)準(zhǔn)1/4迷宮。MicroMouse615電腦鼠的微控制器采用了TI半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器——LM3S615。同時(shí)提供相應(yīng)的配套開發(fā)工具、指導(dǎo)書籍。
獲獎(jiǎng)名單：
電腦鼠的前世今生
電腦鼠是使用嵌入式微控制器、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（微型機(jī)器人），電腦鼠可以在不同“迷宮”中自動(dòng)記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地達(dá)到所設(shè)定的目的地。1972年由美國(guó)機(jī)械雜志發(fā)起比賽，最初的電腦鼠是機(jī)械的，由彈簧驅(qū)動(dòng)。1977年IEEE Spectrum雜志提出電腦鼠的概念：電腦鼠是一個(gè)小型的由微處理器控制的機(jī)器人車輛，在復(fù)雜迷宮中具有譯碼和導(dǎo)航的功能。真正的首場(chǎng)電腦鼠迷宮競(jìng)賽于1979年于紐約舉行，從1991年以來(lái)，每年都有世界級(jí)的比賽。由于該項(xiàng)比賽受到了各國(guó)高等學(xué)府的熱烈歡迎，許多大學(xué)還因此特別開設(shè)了“電腦鼠原理和制作”選修課程。2007年和2008年，上海市計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)率先在國(guó)內(nèi)主辦了兩次IEEE標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮邀請(qǐng)賽（長(zhǎng)三角地區(qū)），有三十多所院校參加，反響強(qiáng)烈。
電腦鼠是具有機(jī)電知識(shí)整合的基本架構(gòu)，要在指定的迷宮中比賽，在迷宮中探索以找出通往終點(diǎn)的路徑，并隨時(shí)掌握自身的位置信息，準(zhǔn)確獲取墻壁信息并做記錄，最終依靠記憶找出走出迷宮的最佳路徑，以最短的時(shí)間解開迷宮，贏得比賽。一只優(yōu)秀的電腦鼠必須具備良好的感知能力，有良好行走能力，優(yōu)秀的智能算法和強(qiáng)健體魄。一只完整的電腦鼠可大體分為以下五個(gè)部分：
1． 傳感器
傳感器是電腦鼠感知外界環(huán)境的窗口，是電腦鼠的雙眼。好的傳感器是電腦鼠準(zhǔn)確獲取外部環(huán)境信息以做出正確判斷的依據(jù)，是電腦鼠靈敏快捷的保證。紅外測(cè)距方式在電腦鼠上應(yīng)用最廣。電腦鼠不但要求測(cè)距傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)測(cè)量速度也有較高要求，而且必須能夠抗干擾。此外加速度計(jì)和角度傳感器等也越來(lái)越多的在電腦鼠上使用。
2． 執(zhí)行部件
電機(jī)是電腦鼠的動(dòng)力源，是電腦鼠的四肢。只有具備健壯且靈活的四肢的電腦鼠才有可能在比賽中高效的解開迷宮。電機(jī)不但要能輸出足夠的馬力還要便于控制，在此基礎(chǔ)上再配以合適的控制算法就能使電腦鼠快速而精確的行走。電腦鼠中常用的是步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制容易，但直流電機(jī)使電腦鼠控制更加靈敏。優(yōu)秀的電機(jī)配上合適的減速和速度反饋裝置使電腦鼠控制精度更高，更加靈敏。
3． 微處理器
微處理器是電腦鼠的核心部分，是電腦鼠的大腦。幾乎所有的信息，包括墻壁信息，位置信息，角度信息和電機(jī)狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過(guò)微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。所有的數(shù)據(jù)分析，算法實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行指令的發(fā)出等都需要由微處理器來(lái)完成。由于需要實(shí)時(shí)控制以保證電腦鼠的速度和靈敏度就必須要求處理器有足夠快的中斷處理能力和運(yùn)算能力，另外還需要有足夠的數(shù)據(jù)和代碼存儲(chǔ)空間。
4． 機(jī)械結(jié)構(gòu)
電腦鼠要能夠在迷宮里面靈活穿梭，必須有一副好身板，有適合在迷宮中快速運(yùn)行的身體結(jié)構(gòu)。首先他必須結(jié)實(shí)，擁有兩只東倒西歪的輪子的電腦鼠是很難不在迷宮中碰壁的。在IEEE競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)中就有規(guī)定電腦鼠長(zhǎng)寬。事實(shí)上，身材嬌小的電腦鼠在迷宮里是會(huì)更靈活的，它有更大的空間用于完成轉(zhuǎn)彎，有更大的空間用于糾正姿勢(shì)。另外體重太大和沒(méi)有平衡感的老鼠也是不適宜迷宮競(jìng)賽的。基于如此多的考慮，一只學(xué)富五車而又嬌小玲瓏的電腦鼠需要我們從機(jī)械上面有更多創(chuàng)新。
5． 算法
算法是電腦鼠的靈魂。電腦鼠必須采用一定的算法才能找到終點(diǎn)，才能找到一條最短的路徑，在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)。算法的效率決定了解迷宮的效率。優(yōu)良的電機(jī)控制算法能讓電腦鼠走得更快更平穩(wěn)，降低微處理器負(fù)荷。
電腦鼠
迷宮地圖
電腦鼠競(jìng)賽的與眾不同之處
電腦鼠走迷宮競(jìng)賽具有一定難度，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性和趣味性的比賽。此外，它還是一個(gè)很好的教學(xué)工具。電腦鼠可看作是一個(gè)集多項(xiàng)工程學(xué)科知識(shí)于一體的小型系統(tǒng)。成功的設(shè)計(jì)者通常都是合作團(tuán)體，他們必須考慮電子、電氣、機(jī)械以及計(jì)算機(jī)各方面的問(wèn)題。重量、速度、功耗、傳感技術(shù)、重心以及程序各方面都是設(shè)計(jì)中需要決定和綜合考慮的因素。電腦鼠是一個(gè)多學(xué)科的綜合體，與多各學(xué)科關(guān)系精密：
(1) 機(jī)械工程：首先電腦鼠必須是個(gè)實(shí)實(shí)在在的機(jī)器人，而對(duì)于在迷宮中高速穿梭的電腦鼠，“身材”的好壞極其重要。大多數(shù)使用步進(jìn)電機(jī)的電腦鼠可以直接將車輪安裝在電機(jī)軸上，而使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電腦鼠往往許多添加減速和傳動(dòng)裝置，如何既使輪子安裝穩(wěn)定不顫動(dòng)，保證高傳動(dòng)效率，又使車體輕巧美觀是機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的問(wèn)題。
(2) 電子工程：電腦鼠是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，需要廣泛的涉及信號(hào)處理、通信、微處理器應(yīng)用和電機(jī)控制等。
(3) 自動(dòng)控制：控制電腦鼠在迷宮中快速而準(zhǔn)確的行走屬于自動(dòng)控制技術(shù)范疇。測(cè)距傳感器獲取距離信息并將其反饋給微處理器，微處理器對(duì)距離值分析處理獲得墻壁信息并根據(jù)墻壁信息控制電機(jī)動(dòng)作以帶動(dòng)輪子產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，這整個(gè)構(gòu)成一個(gè)大自動(dòng)控制系統(tǒng)。而在這個(gè)大系統(tǒng)內(nèi)還可以包含其他的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
(4) 人工智能：電腦鼠走迷宮競(jìng)賽的整個(gè)過(guò)程可大體分為兩個(gè)部分：一、搜索迷宮，從起點(diǎn)出發(fā)，找到終點(diǎn)并找出一條最短路徑；二、沖刺，從起點(diǎn)開始，在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)。搜索迷宮過(guò)程是電腦鼠學(xué)習(xí)過(guò)程。沖刺過(guò)程前需要在所有走過(guò)的通路中依據(jù)自己的原則選擇一條路徑作為最短路徑，這是一個(gè)決策過(guò)程。
(5) 程序設(shè)計(jì)：電腦鼠程序具有嵌入式軟件的一般特征并有更高要求。電腦鼠程序必須高效率和高實(shí)時(shí)性才能保證電腦鼠的控制精和靈敏度。
(6) 傳感與測(cè)試技術(shù)：電腦鼠需要有眾多信息的反饋，如墻壁信息等。需要用到許多傳感器，如測(cè)試墻壁信息紅外傳感器測(cè)量距離，使用霍爾傳感器測(cè)試車輪轉(zhuǎn)速以控制轉(zhuǎn)速和測(cè)量路程等。電腦鼠是一個(gè)精密控制體，足夠的控制精度才能保證在高速行走的時(shí)候不撞墻和迷失自我。不但要求能夠準(zhǔn)確測(cè)量，還必須有足夠快的響應(yīng)速度。
電腦鼠具有精確的定位能力，快速的行走能力和優(yōu)秀的避障能力等特點(diǎn)。對(duì)電腦鼠進(jìn)行升級(jí)后可以應(yīng)用在許多場(chǎng)合。電腦鼠技術(shù)可以應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人設(shè)計(jì)中，并可以將電腦鼠技術(shù)說(shuō)涉及的各學(xué)科知識(shí)分別應(yīng)用在各相關(guān)領(lǐng)域。
電腦鼠結(jié)合了多學(xué)科知識(shí)，對(duì)于提升在校學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識(shí)的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面都非常有幫助。另外電腦鼠走迷宮競(jìng)賽極具趣味性，容易得到學(xué)生的認(rèn)同及參與，并能很好的激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生這方面的興趣和愛好。競(jìng)賽的開展必然提升參賽者在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平和應(yīng)用能力，為技術(shù)創(chuàng)新提供平臺(tái)?？梢耘囵B(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才,進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。通過(guò)舉辦競(jìng)賽可以向社會(huì)大眾展示我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。另外積極地參加國(guó)際電腦鼠比賽能夠促進(jìn)與其他國(guó)家的技術(shù)交流，增進(jìn)國(guó)際友誼，提升我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的國(guó)際地位。
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