雖然電腦鼠與相關的國際競賽，已經發展了近三十年，相較於日本、英國與新加坡等國的積極投入，台灣在電腦鼠的發展上卻一直停滯不前。因此，本論文設計一台可以參加國際競賽並取得好成績的電腦鼠，自行設計硬體電路與機構組裝，包含迷宮演算法、路徑規劃與運動控制，其中應用紅外線感測器、陀螺儀和編碼器，讓電腦鼠可以快速的在迷宮中從起點移動到終點。

Although the first micromouse contest in which miniature autonomous robots compete of best speed and intelligence dated back to around 1978, the contest is still very popular to engineering students in UK, USA, Japan, Singapore, and Taiwan. The micromouse has to find its way through an arbitrary 16x16 maze. It competes with other micromice to see which one finds the destination of the maze within the least amount of time. Unfortunately, the micromouse builders’ capabilities in both hardware circuits and software algorithms here in Taiwan lag far behind the international competitors.
In addition to simulation and implementation experiences in mechanical component designs, hardware device designs, digital motion control, sensor fusion algorithms, and maze-solving algorithms of a micromouse.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 ix
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 論文之貢獻 3
第二章 迷宮演算法 4
2.1 FLOOD演算法簡介 4
2.2 迷宮搜尋法則 4
2.2.1 迷宮編號 5
2.2.2 虛擬迷宮資訊 5
2.2.3 中右左搜尋法則 6
2.2.4 確認最短路徑的方式 12
2.2.5 向心搜尋法則 12
2.3 FLOOD演算法的執行效率 15
2.4 考慮流速的影響的FLOOD演算法 16
2.5 FLOOD演算法迷宮地圖建立 17
2.6 FLOOD演算法的模擬程式 18
第三章 軟硬體與機構設計 19
3.1 系統架構圖 19
3.2 微控制器 20
3.3 馬達驅動電路 22
3.3.1 馬達控制PWM模組 22
3.3.2 全橋電路 23
3.3.3 PWM控制方式 24
3.3.4 MOSFET的導通損失與切換損失 26
3.4 紅外線感測器 26
3.4.1 紅外線發光二極體 27
3.4.2 紅外線光感測器 28
3.4.3 紅外線感測器數據分析實驗 30
3.4.4 線性內插查表法 33
3.4.5 紅外線發光二極體開關電路 34
3.4.6 環境光線影響 36
3.4.7 紅外線感測器排列方式 36
3.4.8 實作結果 37
3.4.9 閃光燈偵測器 42
3.5 編碼器與解碼器 43
3.5.1 磁式編碼器簡介 43
3.5.2 解碼器 43
3.6 陀螺儀 47
3.6.1 陀螺儀簡介 47
3.6.2 角速度換算 48
3.6.3 陀螺儀角速度量測範圍 49
3.6.4 陀螺儀的零點飄移 51
3.6.5 角速度積分 52
3.6.6 角速度轉換係數校正 53
3.7 使用者人機介面 54
3.7.1 按鍵 54
3.7.2 點矩陣發光二極體 56
3.8 錯誤捕捉 56
3.9 電源選擇與穩壓器 57
3.9.1 鋰聚合物電池 57
3.9.2 穩壓器 59
3.10 閒置模式 61
3.11 非同步串列傳輸 62
3.12 外部記憶體 63
3.13 開發軟體與燒錄和除錯工具 64
3.13.1 MPLAB 64
3.13.2 ICD3 64
3.14 機構設計準則 65
3.14.1 直流馬達的挑選 65
3.14.2 轉動慣量 67
3.14.3 重量轉移 68
3.15 輪胎胎皮的選擇 69
3.15.1 摩擦力的介紹 69
3.15.2 輪胎胎皮的選擇 70
3.16 電腦鼠機構零組件 71
3.16.1 齒輪簡介 71
3.16.2 減速機構 73
3.16.3 輪胎的總成 73
3.16.4 紅外線感測器固定座 74
3.16.5 動力機構零件 74
3.16.6 電腦鼠機構組裝 75
3.16.7 電腦鼠電路設計 75
3.16.8 電腦鼠外觀 76
第四章 運動控制與校正 78
4.1 直流馬達模型 78
4.2 直流伺服馬達控制 80
4.2.1 PID控制器 80
4.2.2 直流伺服馬達之速度控制 81
4.2.3 直流伺服馬達之速度估測系統 85
4.2.4 直流伺服馬達之位置控制 103
4.3 軌跡計算移動方程式 106
4.4 弧形轉彎 110
4.4.1 弧形轉彎簡介 110
4.4.2 弧形轉彎速度命令曲線的設計方式 112
4.4.3 弧形轉實際使用上的限制 112
4.4.4 弧形轉彎速度命令曲線模擬程式 113
4.5 電腦鼠的誤差校正 115
4.6 直走動作的校正方式 120
4.6.1 電腦鼠橫向與朝向角度誤差的修正方式 120
4.6.2 迷宮牆壁資訊已知的修正方式 123
4.6.3 電腦鼠縱向上的誤差修正方式 127
4.7 轉彎動作的校正方式 129
4.8 迴轉動作的校正方式 131
4.8.1 向前直走9cm 131
4.8.2 迴轉180度 132
4.8.3 後退3cm 133
4.8.4 向前直走12cm 133
4.9 斜線直走運動的校正方式 134
4.9.1 電腦鼠橫向上與朝向角度的誤差修正方式 134
4.9.2 電腦鼠縱向上的誤差修正方式 138
第五章 路徑規劃與衝刺 142
5.1 相對動作 142
5.2 座標系統轉換 143
5.3 「絕對」座標系統轉換「相對」動作 146
5.4 路徑規劃 148
5.5 直線衝刺 150
5.6 增加轉彎半徑 151
第六章 結論與建議 155
參考文獻 157

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