电脑鼠发展历程

i目录第1章电脑鼠的发明..................................................................................................1第2章电脑鼠..............................................................................................................3第3章竞赛起源..........................................................................................................6第4章竞赛意义..........................................................................................................8第5章竞赛发展历程..................................................................................................9第6章竞赛套件简介................................................................................................14附录AIEEE电脑鼠走迷宫竞赛规则.........................................................................16附录B2009国际电脑鼠走迷宫竞赛.........................................................................18广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097638730977Fax：[phone]年出生在美国密执安州的数学家申龙，1938年申龙完成了《继电器和开关电路的分析》论文。由于布尔代数只有0和1，恰好与二进制数对应，申龙将它运用于以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到技术彻底改变了数字电路的设计方向，因此这篇论文在现代数字计算机史上具有划时代的意义。1940年申龙取得了博士学位之后，在AT&T贝尔实验室里度过了硕果累累的15年。他用实验证实，完全可以采用继电器元件制造出能够实现布尔代数运算功能的计算机。1948年申龙又发表了另一篇至今还在闪烁光芒的论文——《通信的数学基础》，从而给自己赢得了“信息论之父”的桂冠。1956年，他参与发起了达特默斯人工智能会议，成为这一新学科的开山鼻祖之一。他不仅率先把人工智能运用于电脑下棋方面，而且发明了一个能自动穿越迷宫的“电老鼠”，以此证明计算机可以通过学习提高智能。2.电老鼠的制作与竞赛所谓“电老鼠”，英文名称叫做Micromouse，是使用微控制器﹑传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置的俗称。它可以在“迷宫”中自动记忆和选择路径，寻找出口，最终到达所设定的目的地，其样例详见图1.1。图1.1“迷宫”和“电老鼠”样例国际电工和电子工程学会（IEEE）每年举办一次国际性的电老鼠走迷宫竞赛，自举办以来参加国踊跃，尤其是美国和欧洲国家的高校学生，为此有的大学还开设了“电老鼠原理与制作”选修课程。电老鼠走迷宫竞赛要求参赛者自己设计和制作电老鼠，迷宫的路径也是在竞赛开始前几分钟随机设置的，所以竞赛的难度较大。竞赛除了考验参赛者在人工智能编程方面的能力以外，还要考验参赛者对嵌入式系统应用﹑传感器应用﹑控制技术应用与人工智能技术等多方面的经验和实践能力。因为这类竞赛对培养和提高学生的创新精神和实践能力有很大的益处，从2007年9月开始在广州周立功单片机发展有限公司的赞助下，中国嵌入式系统学会组织上海市、江苏省、浙江省30多所高校连续举办了两次联赛。3.人工智能学科的诞生人工智能是研究理解和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。1956年麦卡锡联合申龙（信息论创立者）、明斯基（人工智能大师、《心智社会》广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097638730977Fax：[phone]的作者）、罗彻斯特（IBM计算机设计者之一）发起了达特默斯人工智能会议，达特默斯会议标志人工智能学科的诞生，它从一开始就是交叉学科的产物，与会者有数学家、逻辑学家、认知学家、心理学家、神经生理学家和计算机科学家。在达特默斯会议上，明斯基的神经网络模拟器、麦卡锡的搜索法以及西蒙和纽维尔的定理证明器是3个亮点。分别讨论如何穿过迷宫，如何搜索推理和如何证明数学定理，会上首次使用了“人工智能”这一术语。我国的人工智能研究起步较晚，1978年开始纳入国家研究计划，从1981年起相继成立了各种人工智能学会学术团体。1987年《模式识别与人工智能》杂志创刊，1989年首次召开中国人工智能联合会议（CJCAI）。中国科学家在人工智能领域取得了一些在国际上有影响的创造性成果，如吴文俊院士关于几何定理证明的“吴氏方法”。广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097638730977Fax：[phone]章电脑鼠电脑鼠走迷宫竞赛的任务是设计一只电脑鼠，它能在迷宫中从起点出发，自行搜寻到终点，并记录迷宫墙壁信息且找出一条最短路径，以最快的速度从起点到达终点。该比赛最初由InstituteofElectricalandElectronicsEngineers（IEEE）发起。国际上通用的比赛规则《2006IEEE电脑鼠竞赛规则》，国际电工和电子工程学会（IEEE）每年都要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛，参加比赛的可以是在校大学生、中学生、科研人员、在职的工程技术人员和机器人爱好者。所谓“电脑鼠”，英文名叫做Micromouse，是一种具有人工智能的轮式机器人，是由嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置的俗称，电脑鼠的一个实例如图2.1所示。迷宫由16×16个18cm×18cm大小的正方形单元所组成，迷宫的隔墙和底板各项参数在IEEE标准中都有规定。图2.1电脑鼠一只电脑鼠是具有机电知识整合的基本架构，要在指定的迷宫中比赛，在迷宫中探索以找出通往终点的路径，并随时掌握自身的位置信息，准确获取墙壁信息并做记录，最终依靠记忆找出走出迷宫的最佳路径，以最短的时间解开迷宫，赢得比赛。一只优秀的电脑鼠必须具备良好的感知能力，有良好行走能力，优秀的智能算法和强健体魄。一只完整的电脑鼠可大体分为以下五个部分：1．传感器传感器是电脑鼠感知外界环境的窗口，是电脑鼠的双眼。好的传感器是电脑鼠准确获取外部环境信息以做出正确判断的依据，是电脑鼠灵敏快捷的保证。红外测距方式在电脑鼠上应用最广。电脑鼠不但要求测距传感器能够准确测量，对测量速度也有较高要求，而且必须能够抗干扰。此外加速度计和角度传感器等也越来越多的在电脑鼠上使用。2．执行部件电机是电脑鼠的动力源，是电脑鼠的四肢。只有具备健壮且灵活的四肢的电脑鼠才有可广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097638730977Fax：[phone]能在比赛中高效的解开迷宫。电机不但要能输出足够的马力还要便于控制，在此基础上再配以合适的控制算法就能使电脑鼠快速而精确的行走。电脑鼠中常用的是步进电机和直流电机。步进电机控制容易，但直流电机使电脑鼠控制更加灵敏。优秀的电机配上合适的减速和速度反馈装置使电脑鼠控制精度更高，更加灵敏。3．微处理器微处理器是电脑鼠的核心部分，是电脑鼠的大脑。几乎所有的信息，包括墙壁信息，位置信息，角度信息和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。所有的数据分析，算法实现和执行指令的发出等都需要由微处理器来完成。由于需要实时控制以保证电脑鼠的速度和灵敏度就必须要求处理器有足够快的中断处理能力和运算能力，另外还需要有足够的数据和代码存储空间。4．机械结构电脑鼠要能够在迷宫里面灵活穿梭，必须有一副好身板，有适合在迷宫中快速运行的身体结构。首先他必须结实，拥有两只东倒西歪的轮子的电脑鼠是很难不在迷宫中碰壁的。在IEEE竞赛标准中就有规定电脑鼠长宽。事实上，身材娇小的电脑鼠在迷宫里是会更灵活的，它有更大的空间用于完成转弯，有更大的空间用于纠正姿势。另外体重太大和没有平衡感的老鼠也是不适宜迷宫竞赛的。基于如此多的考虑，一只学富五车而又娇小玲珑的电脑鼠需要我们从机械上面有更多创新。5．算法算法是电脑鼠的灵魂。电脑鼠必须采用一定的算法才能找到终点，才能找到一条最短的路径，在最短的时间内到达终点。算法的效率决定了解迷宫的效率。优良的电机控制算法能让电脑鼠走得更快更平稳，降低微处理器负荷。在国际赛事和一些其他赛事中广泛的采用IEEE电脑鼠竞赛规则。2006IEEE电脑鼠比赛规则规定电脑鼠允许在迷宫中运行的最大时间是15分钟。在这15分钟时间内电脑鼠可以运行任意多次。比赛成绩由运行时间、迷宫时间与碰触奖励时间组成。运行时间指电脑鼠从起点到终点的时间。迷宫时间从电脑鼠第一次被激活开始计。碰触指电脑鼠在运行期间由操作者手动干预，若有碰触则减去10秒的碰触奖励时间，否则不减。为了满足具体需求，目前在许多国家都有专门针对在校学生和刚参与这项比赛新手的电脑鼠走迷宫竞赛，大体都是在IEEE标准竞赛规则上做一些修改以降低难度，考核的是标准电脑鼠的一个或几个性能，如速度、加速度和转弯速度和精度等。英国TheSchoolsMicromousecompetition中使用Linefollowing电脑鼠竞赛，降低比赛难度，以适合在校学生参与。Linefollowing电脑鼠竞赛有多种形式，其中一种简单的形式是设计一只简单的电脑鼠从起点以最快的速度沿着白色直线跑向终点，进入刹车去后开始刹车，最后听在停车区，比赛场地如图2.2所示。这个比赛考察的是电脑鼠的传感器精度，速度和加速度。广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097638730977Fax：[phone]电脑鼠竞赛是另一类电脑鼠竞赛。它同样使用全迷宫，但在这样的迷宫中顺着左手边的墙一定有通路到达迷宫中央的终点。这就允许没有解迷宫能力的简单电脑鼠可以顺着墙走到终点，大大降低了参加比赛的门槛。wallfollower电脑鼠竞赛又可分为两类：一是接触墙，靠着墙走，另一种是不接触墙，沿着墙走。这个比赛降低了解迷宫算法难度。Timetrial电脑鼠竞赛也采用标准全迷宫，不过只使用最外面的60个迷宫格，wallfollowers电脑鼠和解迷宫电脑鼠都可以参加。比赛的目的是测试电脑鼠的速度、加速度和在确定轨道下的直线和转弯控制精度。在电脑鼠走迷宫竞赛中国既可以采用IEEE标准规则于国际接轨，又可以简化以适合具体需求。广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097638730977Fax：[phone]年，机械设计杂志发起过一场比赛。在比赛中，仅由捕鼠器弹簧驱动的机械鼠不停地与其它参赛鼠竞赛，以判断哪个机械鼠能够沿着跑道跑出最长的距离。冠军是“mousemobile”，它跑了825.3英尺。1977年，IEEESpectrum杂志提出电脑鼠的观念。电脑鼠是一个小型的由微处理器控制的机器