圖書(shū)館智能管理車(chē)路徑規(guī)劃分析

緒論1.1選題的背景及意義圖書(shū)館是學(xué)子們學(xué)習(xí)、查閱資料的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，每個(gè)圖書(shū)館的館藏?cái)?shù)量都非常多，借閱量也很大，每一本書(shū)歸還后圖書(shū)館管理員都要根據(jù)編碼把它放置到其原先所在的書(shū)架位置上，他們的工作過(guò)程非常繁重且工作量很大，目前還沒(méi)有一種有效的設(shè)備輔助圖書(shū)管理員進(jìn)行工作，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化管理提高工作效率，因此本課題進(jìn)行了基于51單片機(jī)的智能AI圖書(shū)館管理車(chē)模型研制。圖書(shū)館智能化是一個(gè)非常迫切的需要，市場(chǎng)中暫未出現(xiàn)合理高效的解決方案，部分圖書(shū)館采用的智能化設(shè)備成本高、體積大、運(yùn)行效率低、故障率高、功能單一，不利于人員操作，而其余圖書(shū)館則完全需要人員手工進(jìn)行管理，因而設(shè)計(jì)了一款體積小巧、功能豐富、造價(jià)便宜、簡(jiǎn)單高效、全自動(dòng)化的智能AI圖書(shū)館管理車(chē)。每天圖書(shū)館都會(huì)有大量的書(shū)籍借出、還入，使圖書(shū)管理員工作很繁重，而且書(shū)架較高的位置很難擺放。本設(shè)計(jì)將改變傳統(tǒng)的工作方式，大大減少圖書(shū)管理員的工作量，智能AI圖書(shū)館管理車(chē)工作模式簡(jiǎn)單高效，實(shí)現(xiàn)了智能化管理且全面的提高了圖書(shū)館借、還書(shū)的工作效率，解決了求學(xué)者借還書(shū)困難、圖書(shū)館管理員工作量過(guò)大的問(wèn)題。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀一些發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究無(wú)人駕駛汽車(chē)，主要以級(jí)別分為軍事化、高速化和城市化級(jí)別。軍事化級(jí)別應(yīng)用在1980年初，美國(guó)國(guó)防部對(duì)自主陸地車(chē)輛（autonomouslandvehicle,alv）的研究表示支持。21世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展極大地刺激了汽車(chē)智能化的交流和創(chuàng)新。由于現(xiàn)代社會(huì)需要對(duì)汽車(chē)智能化的研發(fā)從軍事化慢慢轉(zhuǎn)向民用化和商業(yè)化領(lǐng)域。無(wú)人駕駛高速化的研究代表包括美國(guó)的NavLab-5系統(tǒng)，意大利的ARGO系統(tǒng)以及德國(guó)的VAMP系統(tǒng)。在智能汽車(chē)城市化方面，歐洲Yamaba在2005年日本愛(ài)知世博會(huì)上推出了CyberCab系統(tǒng)，豐田則在此次世博會(huì)上推出了ITMS無(wú)人駕駛汽車(chē)。美國(guó)智能車(chē)城市化的起步時(shí)間比較晚，與歐洲和日本存在較大距離。中國(guó)汽車(chē)智能化的研究水平與這些國(guó)家相比差距很大。但是，經(jīng)過(guò)各大研究機(jī)構(gòu)和各個(gè)大學(xué)的不斷研究，階段性成果開(kāi)始顯現(xiàn)。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、南京大學(xué)和吉林大學(xué)都開(kāi)展了對(duì)汽車(chē)智能化項(xiàng)目的研究。中國(guó)汽車(chē)智能化的發(fā)展主要應(yīng)用于物流和運(yùn)輸行業(yè)。預(yù)知性避障控制系統(tǒng)安裝在智能車(chē)上，自動(dòng)確定路線(xiàn)并判斷障礙物，等待障礙物被清除后再繼續(xù)沿著預(yù)定軌道繼續(xù)行駛。智能車(chē)使用傳感器來(lái)感知周邊環(huán)境并做出相應(yīng)的行動(dòng)和判斷。當(dāng)今科技不斷進(jìn)度以及電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)智能車(chē)自動(dòng)化的程度要求越來(lái)越嚴(yán)格。智能車(chē)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用非常重要，智能車(chē)可以在不同環(huán)境下工作，不受溫濕度變化的影響。智能循跡避障小車(chē)在物流運(yùn)輸領(lǐng)域舉足輕重，通過(guò)部署智能車(chē)可以大大減少人力物力以及時(shí)間的浪費(fèi)，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本提高效率。智能車(chē)是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)程序高速發(fā)展的產(chǎn)品，通過(guò)編寫(xiě)的程序自主運(yùn)行在特定的環(huán)境中，不用人員手動(dòng)操縱管理，就可以達(dá)到預(yù)想效果。相比較之下，遙感控制車(chē)需要人為操縱控制小車(chē)的轉(zhuǎn)向和進(jìn)退，部分較先進(jìn)的遙感控制車(chē)還可以控制其運(yùn)行速度，而智能車(chē)則可通過(guò)改變其編程算法對(duì)其運(yùn)行方向、啟停以及速度的控制。因此，我將深入剖析研究智能車(chē)系統(tǒng)，并把課堂上學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用在此系統(tǒng)上轉(zhuǎn)化為研究產(chǎn)物，研制出一款智能AI圖書(shū)館管理車(chē)。1.3任務(wù)分析介紹基于51單片機(jī)的智能AI圖書(shū)館管理車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析，對(duì)手機(jī)、電腦和單片機(jī)三端互通互聯(lián)的軟件程序設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行算法剖析。通過(guò)對(duì)智能AI圖書(shū)館管理車(chē)模型的研制，提高對(duì)智能小車(chē)軟件的設(shè)計(jì)以及硬件制作的動(dòng)手能力。設(shè)計(jì)小車(chē)的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和通信等電路系統(tǒng)，編寫(xiě)不同的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車(chē)不同的執(zhí)行任務(wù)。運(yùn)用多種不同語(yǔ)言進(jìn)行不同操作平臺(tái)的程序及軟件的編寫(xiě)開(kāi)發(fā)，完成此次課題的設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖書(shū)館智能管理車(chē)方案設(shè)計(jì)2.1圖書(shū)館智能管理車(chē)系統(tǒng)本文所研制的圖書(shū)館智能管理車(chē)（LibraryIntelligentManagementVehicle，LIMV）模型是由自己設(shè)計(jì)并制作而成的。該LIMV是在智能運(yùn)輸車(chē)的基礎(chǔ)上加入了書(shū)籍?dāng)[放、智能控制和三端互聯(lián)（手機(jī)、電腦和小車(chē)）等功能，通過(guò)所加入裝置的升降和伸縮功能來(lái)實(shí)現(xiàn)書(shū)籍的運(yùn)輸擺放，并拓展了遠(yuǎn)程控制操作界面，計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)的上位機(jī)程序通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊收取LIMV的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控智能小車(chē)、或傳輸數(shù)據(jù)給LIMV遠(yuǎn)程操控智能小車(chē)的動(dòng)作。本文所進(jìn)行的研究是在自制系統(tǒng)上運(yùn)行的。2.1.1基本構(gòu)成LIMV是具有智能感知系統(tǒng)的智能管理車(chē)，它內(nèi)部集成許多不同種類(lèi)的傳感器模塊，如光電傳感器、紅外傳感器等，由此可以感知、提取和處理周?chē)h(huán)境信息，并通過(guò)單片機(jī)特定的算法運(yùn)算給出合理的運(yùn)行決策，控制驅(qū)動(dòng)裝置，作出對(duì)應(yīng)的操作行為，完成人們?cè)O(shè)計(jì)的任務(wù)。系統(tǒng)平臺(tái)在硬件上包含五大子系統(tǒng)。（1）本設(shè)計(jì)由LIMV的升降載書(shū)平臺(tái)和書(shū)籍支架共同作用實(shí)現(xiàn)書(shū)籍的管理操作。（2）主控芯片是整個(gè)智能AI圖書(shū)館管理車(chē)的控制源，他的運(yùn)行效率將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行精度進(jìn)行影響。本系統(tǒng)主控核心是由STC89C52RC的最小系統(tǒng)充當(dāng)，使用C#及java語(yǔ)言設(shè)計(jì)、編寫(xiě)而成上位機(jī)，利用無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與LIMV通信。主控芯片連接到系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，通過(guò)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)或通訊模塊收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出相應(yīng)的決斷，控制車(chē)輪和機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成書(shū)籍運(yùn)載和智能擺放的任務(wù)。（3）信號(hào)采集系統(tǒng)是LIMV感知周?chē)h(huán)境信息的重要媒介。光電傳感器實(shí)時(shí)采集光感環(huán)境信息，超聲波傳感器可測(cè)出LIMV與目標(biāo)書(shū)架的實(shí)時(shí)距離，采集到的所有信息實(shí)時(shí)傳送給主控芯片，通過(guò)主控芯片的計(jì)算來(lái)做出相應(yīng)的決策與動(dòng)作。（4）操作系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)部分和執(zhí)行部分。其運(yùn)動(dòng)部分由LIMV的4個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)車(chē)輪，共同驅(qū)動(dòng)完成LIMV的行走功能；執(zhí)行部分由升降平臺(tái)和書(shū)籍支架構(gòu)成，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)在三維書(shū)架上的取書(shū)和放書(shū)操作。（5）上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)LIMV進(jìn)行無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的平臺(tái)是計(jì)算機(jī)。圖2-1LIMV硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成圖2-2LIMV總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能AI圖書(shū)館管理車(chē)主要由運(yùn)行環(huán)境、傳感器、目標(biāo)任務(wù)、主控芯片和上位機(jī)構(gòu)成。運(yùn)行環(huán)境是指LIMV運(yùn)行中周?chē)沫h(huán)境狀況，包括圖書(shū)館中的人流狀況、書(shū)架以及書(shū)架上擺放的書(shū)籍等。LIMV靠車(chē)身上的多種傳感器來(lái)感知環(huán)境信息，并與外界環(huán)境相互影響。LIMV需要通過(guò)編程軟件進(jìn)行特定編程實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)行代碼，并接收到通過(guò)手機(jī)掃碼得到的書(shū)籍編碼，根據(jù)編碼查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)得到書(shū)籍具體的位置，LIMV根據(jù)具體位置進(jìn)行實(shí)際的路線(xiàn)規(guī)劃驅(qū)動(dòng)小車(chē)，最終完成書(shū)籍管理的目標(biāo)。2.1.2硬件系統(tǒng) LIMV的行駛是通過(guò)單片機(jī)自主進(jìn)行規(guī)劃選擇運(yùn)行的，由預(yù)先寫(xiě)入單片機(jī)的程序或上位機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理從而進(jìn)行規(guī)劃引導(dǎo)。LIMV的硬件組成框圖如圖2-3所示。圖2-3LIMV硬件組成框圖（1）LIMV車(chē)體LIMV的車(chē)體由兩層鋁塑板制作而成，成本低廉，便于加工，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需剛度。其中一層為驅(qū)動(dòng)承載層，另一層為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承載層，驅(qū)動(dòng)承載層主要放置有四只步進(jìn)電機(jī)以及L298N驅(qū)動(dòng)模塊，承載層為基礎(chǔ)的構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)層主要放置工作機(jī)構(gòu)滑臺(tái)絲桿等部件。主控芯片采用STC89C52RC單片機(jī)，操作簡(jiǎn)單、成本低。小車(chē)的硬件電路主要包括控制芯片、無(wú)線(xiàn)通訊模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和液晶顯示模塊。（2）供電電源LIMV采用單電源方式供電，兩節(jié)18650鋰電池給整體分電裝置供電，并分出12V、5V和3.3V電壓驅(qū)動(dòng)，12V供給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電，5V給通訊模塊進(jìn)行供電，3.3V供給控制芯片供電。（3）驅(qū)動(dòng)裝置LIMV由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。LIMV運(yùn)用車(chē)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，組成簡(jiǎn)單。通過(guò)控制兩相四線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度控制，完成對(duì)實(shí)際路線(xiàn)的高精度驅(qū)動(dòng)，根據(jù)主控制器傳來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)完成指定的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和調(diào)速等指令。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)升降載書(shū)平臺(tái)擁有兩個(gè)絲桿滑塊組成滑臺(tái)進(jìn)行舉升與平移，執(zhí)行指定任務(wù)，與智能車(chē)共同實(shí)現(xiàn)三維空間的取書(shū)和放置。（5）無(wú)線(xiàn)通信裝置LIMV等待運(yùn)行時(shí)，還書(shū)用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP掃碼得到書(shū)籍條碼通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊傳給單片機(jī)，單片機(jī)將根據(jù)所得條碼進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)操作，得出書(shū)籍所在位置，并進(jìn)行運(yùn)輸管理，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)時(shí)傳輸LIMV運(yùn)行數(shù)據(jù)給電腦，方便操作者對(duì)LIMV進(jìn)行監(jiān)控。2.1.3軟件系統(tǒng)智能AI圖書(shū)館管理車(chē)的軟件系統(tǒng)包括：（1）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)：Windows764位；（2）編程軟件：Keiluvision5、VisualC#、AndroidStudio、Proteus。2.1.4系統(tǒng)方案LIMV通過(guò)接收到手機(jī)掃描書(shū)籍條形碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行路線(xiàn)規(guī)劃，并控制智能車(chē)進(jìn)行行走，行走到位后執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，書(shū)籍?dāng)[放完成后智能車(chē)退回到起始點(diǎn)等待下一次指令。期間上位機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊與LIMV上的控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，了解實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。本章小結(jié)本章對(duì)研究的智能AI圖書(shū)館管理車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)述。闡述關(guān)于硬件組成和控制作用方面智能AI圖書(shū)館管理車(chē)的基本構(gòu)造。介紹軟件系統(tǒng)使用平臺(tái)、自動(dòng)圖書(shū)管理系統(tǒng)功能和方案，講解LIMV車(chē)體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和無(wú)線(xiàn)通信裝置等硬件設(shè)備，為路徑規(guī)劃的研究和程序控制的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)前提。

智能AI圖書(shū)館管理車(chē)路徑規(guī)劃分析3.1路徑規(guī)劃概述智能AI圖書(shū)館管理車(chē)實(shí)現(xiàn)的功能主要是對(duì)書(shū)籍的取放操作，路徑規(guī)劃的遠(yuǎn)近影響著運(yùn)輸時(shí)間的長(zhǎng)短，直接影響著LIMV的運(yùn)行的效。為此，對(duì)LIMV路徑規(guī)劃的研究有著至關(guān)重要的作用。在上一章對(duì)LIMV的分析基礎(chǔ)上提出路徑規(guī)劃的問(wèn)題，提出LIMV路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)思路，根據(jù)設(shè)計(jì)的環(huán)境模型完成路徑規(guī)劃。圖書(shū)館中擺放有多個(gè)書(shū)架，使得LIMV的與運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，所以要想得到盡可能短的行駛路徑，減少運(yùn)輸時(shí)間，提高運(yùn)行效率，就必須提前知曉L(fǎng)IMV在當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中“障礙物”的布局，考慮到會(huì)出現(xiàn)的突發(fā)狀況，設(shè)計(jì)出一套合適的路徑規(guī)劃算法需要結(jié)合已知和未知的各種條件。3.1.1路徑規(guī)劃的含義LIMV要執(zhí)行指定任務(wù)必須先進(jìn)行路徑規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃得出的結(jié)果才能使LIMV驅(qū)動(dòng)電機(jī)最終實(shí)現(xiàn)LIMV沿最優(yōu)路線(xiàn)的行駛，這個(gè)結(jié)果對(duì)智能車(chē)后續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。LIMV路徑規(guī)劃研究的主要內(nèi)容為根據(jù)給定起始位置和目標(biāo)位置，在圖書(shū)館環(huán)境中滿(mǎn)足路徑長(zhǎng)度最短的前提下，從LIMV當(dāng)前所處的起始位置規(guī)劃出一條可躲避所有書(shū)架及障礙物的最短行進(jìn)線(xiàn)路，進(jìn)而到達(dá)預(yù)先指定的位置。路徑規(guī)劃趨向如圖3-1所示。圖3-1路徑規(guī)劃趨向3.1.2路徑規(guī)劃的分類(lèi)根據(jù)對(duì)運(yùn)行環(huán)境了解程度可分為兩種不同的路徑規(guī)劃方案：1.全局路徑規(guī)劃事先對(duì)所有運(yùn)行環(huán)境的信息進(jìn)行全面了解，為了滿(mǎn)足指定要求需要根據(jù)已知的環(huán)境模型找到從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的起點(diǎn)。全局路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性由周?chē)h(huán)境信息的準(zhǔn)確性直接決定。LIMV行駛距離長(zhǎng)短、用時(shí)長(zhǎng)短和障礙物多少直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。要得出本方案的結(jié)果，首先要對(duì)整體環(huán)境進(jìn)行建模，然后再處理路徑算法問(wèn)題。通常需要提前了解LIMV所在環(huán)境的準(zhǔn)確信息，計(jì)算量比較大。當(dāng)信息更改時(shí)，全局路徑規(guī)劃的響應(yīng)速度慢且實(shí)時(shí)性能較差。它不適用于動(dòng)態(tài)和不確定的環(huán)境。2.本地路徑規(guī)劃環(huán)境信息未知或部分未知。局部路線(xiàn)規(guī)劃并不預(yù)先知道周?chē)h(huán)境信息，而是僅知道相對(duì)靠近移動(dòng)LIMV的障礙物信息，基于收集到的信息，其連續(xù)地分析和檢測(cè)LIMV的工作環(huán)境、驅(qū)動(dòng)傳感器，以獲取有關(guān)障礙物的狀況，形狀和位置的信息，并計(jì)劃從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。與全局路徑規(guī)劃相比，本地路徑規(guī)劃是一種在線(xiàn)規(guī)劃，它可以在一定范圍內(nèi)感知外部信息，并在外部環(huán)境變化時(shí)以良好的實(shí)時(shí)性能和安全性采取適當(dāng)?shù)拇胧?。但是，由于信息有限，本地路線(xiàn)規(guī)劃不能保證最佳的完整路線(xiàn)，可能導(dǎo)致死鎖，并且不能保證LIMV可以到達(dá)某些目標(biāo)點(diǎn)。在這種方法中，通常使用人工算法和遺傳算法。另外，根據(jù)障礙物在環(huán)境中的不同呈現(xiàn)方式，LIMV路線(xiàn)規(guī)劃可分為動(dòng)靜兩種不同方案。（1）靜態(tài)路徑規(guī)劃前提條件是必須事先知道各種信息。環(huán)境中的障礙始終是靜態(tài)的，因此只需要找到連接目標(biāo)點(diǎn)的最佳靜態(tài)路徑。（2）動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃當(dāng)運(yùn)行環(huán)境內(nèi)有不可預(yù)測(cè)的移動(dòng)障礙物時(shí)通常研究如何最大程度地減少運(yùn)輸時(shí)間，包括運(yùn)行，擁堵和等待時(shí)間?？梢钥吹饺质庆o態(tài)的，局部是動(dòng)態(tài)的。本文設(shè)計(jì)的LIMV路線(xiàn)規(guī)劃的解決算法是基于靜態(tài)環(huán)境下所做的的全局規(guī)劃。當(dāng)有動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，您可以遠(yuǎn)程調(diào)整管理車(chē)的狀況。構(gòu)建了可以根據(jù)自身環(huán)境進(jìn)行仿真的環(huán)境模型，從而計(jì)算得出最佳路徑，解決路徑規(guī)劃問(wèn)題。3.1.3路徑規(guī)劃的算法比較及出現(xiàn)的問(wèn)題總而言之，路徑規(guī)劃主要涉及三大問(wèn)題：1.對(duì)運(yùn)行起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行確定；2.對(duì)障礙物進(jìn)行躲避；3.盡量選擇最優(yōu)的路徑規(guī)劃算法。蟻群算法，顧名思義，就是模擬蟻群尋找最佳路徑的一種算法。螞蟻行進(jìn)時(shí)會(huì)釋放出信息素，世上本沒(méi)路，走的螞蟻多了，信息素自然就濃了，路也自然就有了。路徑越短，螞蟻往返越快，信息素自然就越濃，所以信息素最濃的路徑就是最佳路徑了。模擬退火算法是一種優(yōu)化算法，在搜索過(guò)程中不會(huì)隨時(shí)間變化，因此提供了零概率跳躍，這避免了陷入局部最小值，并最終避免了創(chuàng)建全局最佳序列結(jié)構(gòu)。以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明模擬退火算法。普通貪婪算法：兔子跳到比現(xiàn)在低的地方。它發(fā)現(xiàn)山谷不遠(yuǎn)，但是這個(gè)山谷不一定是最低的。這是一種常見(jiàn)的貪婪算法，我們不能保證局部最優(yōu)值是全局最優(yōu)值。模擬退火算法有一定的可能性去接受比當(dāng)前解決方案更差的解決方案，因此可以擺脫此局部最優(yōu)解，獲得全局最優(yōu)解。這幾類(lèi)算法在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中有許多局限性，而且智能小車(chē)在當(dāng)前環(huán)境下規(guī)劃考慮的角度越來(lái)越接近實(shí)際運(yùn)用情況，比如上述方法說(shuō)是可以動(dòng)態(tài)避障，實(shí)際上并不是真動(dòng)態(tài)避障，更多是依賴(lài)于先驗(yàn)的環(huán)境信息做的決策。3.2路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)思路LIMV在我們自己設(shè)計(jì)和制造的規(guī)定場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，必須經(jīng)歷系統(tǒng)環(huán)境建模，分析和確定規(guī)劃算法，獲取并執(zhí)行運(yùn)行路徑的過(guò)程。換句話(huà)說(shuō)，無(wú)論使用哪種類(lèi)型的路徑計(jì)劃和算法，路徑計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)可以總結(jié)如下：分析問(wèn)題，建立相關(guān)環(huán)境模型。找到解決LIMV在實(shí)際環(huán)境中各種問(wèn)題的路線(xiàn)規(guī)劃算法。最后，繪制使用建議的規(guī)劃算法獲得的最佳路徑，LIMV將自動(dòng)計(jì)算、驅(qū)動(dòng)并完成給定的驅(qū)動(dòng)任務(wù)。本章小結(jié)本章首先對(duì)智能AI圖書(shū)館管理車(chē)所要使用的路徑規(guī)劃問(wèn)題做了簡(jiǎn)要分析，并對(duì)各類(lèi)算法進(jìn)行介紹對(duì)比分析，最終提供了實(shí)際可行的運(yùn)行方案來(lái)解決實(shí)際運(yùn)行中的規(guī)劃問(wèn)題。

智能AI圖書(shū)館管理車(chē)的軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)本文對(duì)LIMV路線(xiàn)規(guī)劃的研究基于具有多個(gè)書(shū)架和LIMV的自制圖書(shū)館模擬系統(tǒng)。在本章中，首先將構(gòu)建一個(gè)圖書(shū)館仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一個(gè)LIMV，完成LIMV的硬件設(shè)計(jì)和軟件編寫(xiě)，以及對(duì)主機(jī)的無(wú)線(xiàn)控制、書(shū)籍的放置、移動(dòng)和管理功能。4.1仿真軟件簡(jiǎn)介Proteus是英國(guó)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的集成化工具軟件?？梢杂盟抡嫖⒖刂破骱屯鈬O(shè)備。原理圖繪制成功后，導(dǎo)入已編譯成功的單片機(jī)執(zhí)行代碼.hex文件，運(yùn)行并分析軟件的運(yùn)行過(guò)程及結(jié)果。本設(shè)計(jì)軟件不僅可以查看許多單片機(jī)示例的功能，還可以可視化許多單片機(jī)示例的執(zhí)行過(guò)程。前者可以實(shí)現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)的大部分效果，而后者則可以得到使用真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的效果。組件和連接線(xiàn)與現(xiàn)有的單芯片實(shí)驗(yàn)硬件高度兼容。課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走出校門(mén)走向就業(yè)的重要實(shí)用環(huán)節(jié)。Proteus提供了一個(gè)龐大的元件庫(kù)，這些元件在實(shí)驗(yàn)室中是無(wú)法比較的，從而可以靈活地修改電路設(shè)計(jì)。減少了設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了研究成本，并減少了工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。使用Proteus成功開(kāi)發(fā)系統(tǒng)仿真之后，實(shí)際生產(chǎn)可以顯著提高單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。4.2編程調(diào)試軟件KEIL功能類(lèi)似于Eclipse。uVision是由KEIL開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供諸如項(xiàng)目管理、源代碼編輯、編譯設(shè)置、下載調(diào)試和仿真的功能，讓開(kāi)發(fā)者易于操作。Keil提供了編譯器、安裝包和調(diào)試跟蹤的功能，是一款專(zhuān)業(yè)實(shí)用的C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)工具。使用全新靈活的窗口管理系統(tǒng)。用戶(hù)可以同時(shí)使用多個(gè)監(jiān)視器來(lái)實(shí)時(shí)查看設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)信息，從而可以在最短的時(shí)間內(nèi)找到最多的信息。KeilC51是與51系列兼容的單芯片C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性和維護(hù)方面比匯編有著更明顯的優(yōu)勢(shì)，使其易于學(xué)習(xí)和使用。KeilMCU型號(hào)選擇如下圖4-1所示。圖4-1KeilMCU型號(hào)選擇Keil編譯步驟如下：在Keil系統(tǒng)中，每個(gè)獨(dú)立程序都被視為一個(gè)項(xiàng)目（或多個(gè)項(xiàng)目）。首先在“項(xiàng)目”-“NewuVisionProject”菜單中設(shè)置要完成的項(xiàng)目。在Keil環(huán)境中，您需要為項(xiàng)目選擇單芯片計(jì)算機(jī)模型，然后從Atmel選擇AT89C51。單擊“確定”后，將如圖4-1所示設(shè)置項(xiàng)目。如已經(jīng)建立了一個(gè)工程項(xiàng)目，需要執(zhí)行該工程，現(xiàn)在將工程添加到該項(xiàng)目中。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新文件，請(qǐng)單擊“文件”下的“新建”，該空白文檔用于編寫(xiě)單芯片計(jì)算機(jī)程序。編輯，修改等等。按照預(yù)期的方式，在您的文檔中編寫(xiě)代碼，并進(jìn)行編譯和調(diào)試以生成一個(gè)HEX文件，如圖4-2所示。在“Project”－“New”－“uVisionProject”－輸入要保存的工程名。根據(jù)單片機(jī)的型號(hào)選擇CPU，然后點(diǎn)擊“OK”。添加文件到工程，在工程管理器中，用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“SourceGroup”，選擇“AddFiletoGroup‘Source’”。通過(guò)51單片機(jī)的下載軟件下載生成的HEX文件，導(dǎo)入到智小車(chē)的單片機(jī)中，這樣智能小車(chē)就擁有了程序進(jìn)行運(yùn)算，讓智能小車(chē)按照預(yù)期的效果運(yùn)行。Keil軟件將對(duì)編寫(xiě)的c語(yǔ)言程序進(jìn)行分析，如有錯(cuò)誤，將不能生成.hex文件，并指出錯(cuò)誤代碼所在行，此時(shí)只需要改正錯(cuò)誤代碼即可編譯程序成功。單片機(jī)片內(nèi)擁有程序時(shí)，會(huì)先得到接口定義，然后得到數(shù)據(jù)賦值以及子程序預(yù)載，通過(guò)程序的編寫(xiě)我們可以對(duì)單片機(jī)執(zhí)行自檢操作，并等待任務(wù)執(zhí)行，通過(guò)路徑優(yōu)化算法，執(zhí)行效率有顯著的提升。HEX文件的生成狀態(tài)如圖4-2所示。圖4-2HEX文件的生成4.3上位機(jī)編程軟件介紹C＃被設(shè)計(jì)為“簡(jiǎn)單、現(xiàn)代、通用”面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)該語(yǔ)言允許進(jìn)行強(qiáng)類(lèi)型檢查，數(shù)組檢查，未初始化的變量引用檢測(cè)，自動(dòng)垃圾收集技術(shù)引用。該軟件應(yīng)用功能強(qiáng)大，經(jīng)久耐用并具有強(qiáng)大的編程生產(chǎn)力。該語(yǔ)言提供了適合在分布式環(huán)境中進(jìn)行開(kāi)發(fā)的組件開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。圖4-3c#設(shè)計(jì)軟件4.4自動(dòng)化圖書(shū)館模擬系統(tǒng)的搭建為便于研究LIMV路徑規(guī)劃，模仿圖書(shū)館并進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真系統(tǒng)。圖書(shū)館模擬環(huán)境框圖如圖4-4所示。實(shí)際上，圖書(shū)館的書(shū)架相對(duì)較規(guī)則。由于高精度設(shè)備成本比較昂貴，所以本文只制作模型來(lái)說(shuō)明。圖4-4圖書(shū)館模擬環(huán)境框圖4.5智能AI圖書(shū)館管理車(chē)硬件部分設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)智能小車(chē)路線(xiàn)規(guī)劃研究的基本要求，LIMV主要包括微控制器模塊以及用于信息采集，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液晶顯示器和無(wú)線(xiàn)通信的模塊。LIMV硬件電路連接圖如圖4-5所示。圖4-5LIMV硬件電路連接圖4.5.1控制芯片STC89C52RC作為L(zhǎng)IMV的微控制器控制芯片模型，它是一塊有復(fù)位和晶振功能的微控制器模塊，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)控制每個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)。圖4-6STC89C52RC單片機(jī)圖4-7單片機(jī)系統(tǒng)電路控制圖4.5.2功能模塊LIMV的功能模塊介紹如下：（1）信息收集模塊信息收集模塊主要包括LIMV的各種外部傳感器。（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊本文設(shè)計(jì)的LIMV行走電機(jī)裝置由L298N驅(qū)動(dòng)。L298N電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的四個(gè)輸入端子和激活端子連接到單片機(jī)的輸出引腳，驅(qū)動(dòng)模塊的四個(gè)輸出端子連接到四個(gè)兩相四線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)和其他外圍電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路圖如圖4-8所示。圖4-8電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路連接圖單片機(jī)芯片的C語(yǔ)言程序中，4個(gè)輸入端引腳不同的“0”和“1”組合對(duì)應(yīng)于輸出端不同的高低電平組合，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及鎖死，步進(jìn)電機(jī)與LIMV的驅(qū)動(dòng)輪固定連接，從而實(shí)現(xiàn)LIMV前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退和停車(chē)等操作。LIMV的執(zhí)行器使用兩相四線(xiàn)制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行高精度控制，步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線(xiàn)性位移。多相步進(jìn)電機(jī)由多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途廣泛。使用多相步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可以先通過(guò)脈沖分配器將單個(gè)電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，然后通過(guò)功率放大，然后將其發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)各相的繞組。每次將脈沖輸入到脈沖分頻器時(shí)，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)都會(huì)發(fā)生變化，并且轉(zhuǎn)子會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度（步進(jìn)角）。通常情況下，步進(jìn)電機(jī)的總旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖數(shù)成正比。如果連續(xù)輸入固定頻率的脈沖，則電動(dòng)機(jī)速度嚴(yán)格與輸入脈沖的頻率一致，并且不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。步進(jìn)電機(jī)特別適用于微機(jī)控制，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯咏邮諗?shù)字輸入。（3）液晶顯示模塊液晶顯示使用12864模塊，可顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)和傳感器收集的一些基本信息。微功耗，小尺寸，豐富的顯示內(nèi)容，超薄和輕巧的液晶顯示器已廣泛用于袖珍儀表和低功耗應(yīng)用中。顯示模塊連接圖如圖4-9所示。圖4-9液晶顯示模塊電路連接圖（4）無(wú)線(xiàn)通信模塊無(wú)線(xiàn)模塊可以將從智能小車(chē)收集的信息傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)可以將命令發(fā)送到無(wú)線(xiàn)模塊，無(wú)線(xiàn)模塊和上位計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信息的相互傳輸。主機(jī)發(fā)送控制命令傳送給無(wú)線(xiàn)模塊，單片機(jī)根據(jù)接收到的指令解析代碼控制相應(yīng)的功能模塊完成操作并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。nRF2401是單芯片RF收發(fā)器芯片，其輸出功率和通信通道可以通過(guò)編程配置。圖4-10NRF24L01原理圖4.6智能AI圖書(shū)館管理車(chē)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)智能AI圖書(shū)館管理車(chē)的軟件設(shè)計(jì)是基于硬件結(jié)構(gòu)的，對(duì)系統(tǒng)底層算法，無(wú)線(xiàn)通信和上位機(jī)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。在Keil軟件環(huán)境中使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)了單片機(jī)的程序，生成的程序沒(méi)有錯(cuò)誤生成了.hex文件并通過(guò)串行線(xiàn)下載到微控制器。主機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)在VisualC＃環(huán)境中執(zhí)行，并且LIMV的運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)主機(jī)接口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。4.6.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)該軟件是為L(zhǎng)IMV的單片機(jī)編寫(xiě)的，目的是實(shí)現(xiàn)所需要應(yīng)用的功能。LIMV的軟件主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息收集、距離測(cè)試和顯示、智能車(chē)方向控制，書(shū)籍的運(yùn)輸和取送等功能。小車(chē)開(kāi)機(jī)對(duì)自身硬件系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)，檢測(cè)通過(guò)后與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，得到書(shū)籍碼，并通過(guò)給定書(shū)籍碼進(jìn)行路徑規(guī)劃，根據(jù)路徑規(guī)劃的線(xiàn)路行走至目標(biāo)書(shū)架，機(jī)械機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)將滑臺(tái)及工作面進(jìn)行舉升，舉升到指定位置時(shí)，工作面將書(shū)籍進(jìn)行放入操作，放入完成后收回工作面及滑臺(tái)，并與上位機(jī)通信，回傳擺放完成信息，智能管理車(chē)回到操作臺(tái)，完成控制。LIMV開(kāi)機(jī)后，程序開(kāi)始進(jìn)行初始化操作：設(shè)置標(biāo)志位為0，設(shè)定計(jì)時(shí)器T0工作模式為方式1，允許T0中斷，開(kāi)啟總中斷，初始化12864液晶顯示屏；程序進(jìn)入主程序中，等待上位機(jī)發(fā)出圖書(shū)編碼。接收到圖書(shū)編碼，根據(jù)編碼信息得到書(shū)籍所在書(shū)架位置及層號(hào)，并計(jì)算出最優(yōu)路徑，電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)LIMV根據(jù)規(guī)劃出的路徑行走。行駛到路徑終點(diǎn)時(shí)，LIMV停止運(yùn)行，同時(shí)工作面上升至所在層數(shù)，對(duì)書(shū)籍進(jìn)行送入操作，然后LIMV后退5cm，收回工作面，LIMV到達(dá)車(chē)輛休息站，等待下一次任務(wù)下達(dá)。整個(gè)程序結(jié)束。上述的具體步驟介紹僅是將預(yù)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)編寫(xiě)成C語(yǔ)言，并下載至單片機(jī)中，LIMV自動(dòng)運(yùn)行既定的功能任務(wù)，并非上位機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊對(duì)單片機(jī)的遠(yuǎn)程操作的具體實(shí)現(xiàn)。4.6.2無(wú)線(xiàn)通信程序設(shè)計(jì)NRF24L01的主要操作模式是接收模式、發(fā)送模式、待機(jī)模式和掉電模式。為了正確操作兩個(gè)NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊，首先需要配置無(wú)線(xiàn)模塊。本次設(shè)計(jì)中NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的配置環(huán)境如下：Windows操作系統(tǒng)；SSCOM3.3(串口調(diào)試助手)；USB轉(zhuǎn)TTL模塊；兩個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊，其中一個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊接不帶USB接口的無(wú)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊后用杜邦線(xiàn)接到單片機(jī)上，杜邦線(xiàn)連接到單片機(jī)的P3.4、P3.5口上。另一個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊接帶USB接口的無(wú)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊接到PC機(jī)上，如圖4-11。圖4-11NRF24L01接線(xiàn)圖配置時(shí)要注意：1.必須插上跳線(xiàn)帽進(jìn)行配置，配置完之后，必須拔掉跳線(xiàn)帽才能正常使用；（配置時(shí)，在上電前就得插上跳線(xiàn)帽；當(dāng)然，正常使用時(shí)也得在斷電的情況下，拔跳線(xiàn)帽，再重新上電）2.串行調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為十六進(jìn)制格式；在“發(fā)送”字段中輸入：550600780102030401aa其中：首位和末位55和aa為固定配置字節(jié)，不可以更改；第二位06代表數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（范圍：0x01-0x20即1-32）；第三位00代表波特率：00：960001：1440002：1920003：3840004：5600005：5760006：11520007：240008：4800第四位78代表頻道（范圍：0x01-0x78即1-120）第五位至第九位五個(gè)字節(jié)構(gòu)成地址，要把兩個(gè)模塊的地址配制成一樣。USB轉(zhuǎn)TTL模塊的TX,RX與NRF24L01驅(qū)動(dòng)模塊（無(wú)USB的）的TX,RX要交叉相連，即一方的TX與另外一方的RX相連，然后，一方的RX與另外一方的TX相連。設(shè)計(jì)需要兩個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行通信，一個(gè)位于單片機(jī)端，一個(gè)位于上位機(jī)端。在上位機(jī)端的連接方式，如圖4-12所示；在單片機(jī)端的連接方式，如圖4-13所示。4.兩個(gè)模塊的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，頻道，地址得設(shè)置成一樣，否則工