低成本8位單片機(jī)控制的光電尋跡智能車

傳感器在賽道上可能的狀態(tài)可分為：在普通的賽道處、在十字交叉線處，還有跑出賽道。系統(tǒng)定義了變量Car_State來代表小車當(dāng)前的狀態(tài)，可能會出現(xiàn)的情況如下：
1)當(dāng)小車在賽道上時，將會有1到2個傳感器輸出高電平，如果有兩個傳感器同時打到黑點(diǎn)，而兩個傳感器并不是相鄰的則認(rèn)為是干擾信號，不作特別處理，其他按照如圖6的傳感器排布方法計算坐標(biāo)從左向右依次為-13到13，此時Car_State計為傳感器打到的坐標(biāo)；

2)打到10個以上黑點(diǎn)計為交叉線，Car_State計為20；
3)沒有打到黑點(diǎn)則認(rèn)為小車即將跑出賽道，Car_State計為30；
4)另外還有一種情況傳感器已經(jīng)打到了賽道之外，而打到賽道外的傳感器可能輸出高電平，也有可能輸出低電平，此時有可能讀出的情況可能會判定為第一種，如圖5示意，此時小車本應(yīng)繼續(xù)左拐，但是判讀位第一種情況，就可能右拐，這種情況的判定就不能僅僅依靠讀傳感器來判定，還應(yīng)考慮小車前面行進(jìn)的趨勢加以判別。因?yàn)榇朔N情況一般只出現(xiàn)在小車轉(zhuǎn)大彎時，由于轉(zhuǎn)角不夠當(dāng)小車的傳感器會打到相反方向的賽道外，所以左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的角度超過某一特定值時(如60°)，應(yīng)當(dāng)屏蔽另一側(cè)的傳感器，只讀轉(zhuǎn)向該側(cè)的傳感器，如圖5小車現(xiàn)轉(zhuǎn)左側(cè)大彎，右側(cè)傳感器檢測到錯誤黑點(diǎn)，此時只要將右側(cè)的7個傳感器屏蔽，只讀左側(cè)傳感器數(shù)值即可，此種情況Car_State計為40。
3．3 舵機(jī)控制
小車在賽道上：Car_State為-13到13間的整數(shù)，由于光電管數(shù)量少，造成傳感器返回值離散度過大，不適合進(jìn)行回控，故應(yīng)加快采樣速率，進(jìn)行過采樣，再進(jìn)行一階迭代濾波：
PVal=((Car_State×1 000)+(Pvalx10))／11；
小車行使5 ms后位置的偏差進(jìn)行迭代濾波：
Err=((PVal-PVal1)+(Errx10))／11；／／兩次位置偏差
P_Offset=Err／P_err； ／／負(fù)值左偏 正值右偏
if(P_Offset-5)P_Offset=-5； ／／左偏最大偏離為-5個單位
if(P_Offset>5)P_Offset=5； ／／右偏最大偏離為5個單位
將Err進(jìn)行采樣劃分得到P_Offset變量，P_Offset取值為-5到5的整數(shù)，負(fù)數(shù)表示向左偏，正數(shù)表示向右偏，絕對值越大代表偏轉(zhuǎn)角度越大；采樣分辨率為可調(diào)參數(shù)P_err，P_err偏大時，小車反應(yīng)會較為遲鈍，P_err偏小時，小車反應(yīng)會較為靈敏，容易出現(xiàn)很小偏差就會引起小車較大的轉(zhuǎn)向。
按照小車當(dāng)前的位置以及P_Offset組織數(shù)據(jù)表Angle_Table[]，該表共有27行11列，第n行m列元素j，表示小車位置Car_State為n-13偏差P_Offset為m-5時，j的值在-10到10之間，負(fù)值代表向左轉(zhuǎn)，正值代表向右轉(zhuǎn)，小車舵機(jī)應(yīng)打的角度為jxAngle_C，可調(diào)參數(shù)Angle_C可以根據(jù)賽道狀況舵機(jī)反應(yīng)靈敏度等調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)在調(diào)試程序中完成，其值愈大，同等情況下轉(zhuǎn)角越大。
舵機(jī)的控制就是通過查數(shù)據(jù)表Angle_Table來實(shí)現(xiàn)，而不是通過公式求解，這種方法比較適用于8位單片機(jī)，通過檢索表可以達(dá)到運(yùn)算所達(dá)不到的系統(tǒng)速度。
小車在交叉線時Car_State=20不更改舵機(jī)的控制；當(dāng)小車的傳感器打不到黑點(diǎn)，即將跑出賽道活著已經(jīng)打到賽道外時Car_State=30或40，此時按照小車轉(zhuǎn)的方向，將舵機(jī)設(shè)置為最大轉(zhuǎn)角，以達(dá)到盡快找到賽道黑線的目的。
舵機(jī)的輸出PWM采用5 ms周期，與小車傳感器采樣的頻率一致。

4 試驗(yàn)結(jié)果及總結(jié)
通過上述方法，小車取得了比較好的試驗(yàn)結(jié)果，在最小曲率半徑不小于50 cm的賽道上，小車可以取得每秒2 m以上的速度。其速度比采用16位單片機(jī)的系統(tǒng)沒有很大差異。要特別注意的是，運(yùn)算時采用不同數(shù)據(jù)類型的變量將會帶來不同的效果，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，如果可以使用字節(jié)存儲類型的變量作雙字節(jié)變量存儲，將會嚴(yán)重影響小車的運(yùn)行情況，這是由單片機(jī)編譯環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算引起的，應(yīng)當(dāng)盡量避免不恰當(dāng)?shù)淖兞慷x及算數(shù)運(yùn)算。
相較于當(dāng)前流行的16位單片機(jī)控制的雙舵機(jī)智能車，該系統(tǒng)在硬件上成本較低，而軟件也根據(jù)8位單片機(jī)的特點(diǎn)，避開了較為復(fù)雜的運(yùn)算，采用了查表的方式，只在小車位置及偏差運(yùn)算以及速度P算法中涉及了少量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以此達(dá)到系統(tǒng)的快速響應(yīng)。