从零开始,学做智能小车【4-程序初级篇】

比如图中的方波，占空比为 20%。当然，图中只能看出来占空比的大小，其他信息不能看到。 对于直流电机，比较形象的解释： 假如说，以 10 秒钟 1 个周期，这 10 秒钟里面，电机有 X 秒钟，也就是(X/10)*100 %的时间是通电 的，剩下的(1-X/10)*100%的时间断电。当 X 越大（当然不能超过周期的值了） ，明显的，电机的总体转 速就越快了，因为停歇的时间少了。但是这个时候，周期很长，10 秒钟啊，很明显的可以看出电机停停走 走。假如把周期变到了 1 秒钟，0.1 秒钟，0.01 秒钟，0.001 秒钟，0.0001 秒钟，再去改变通电的时间， 这样子，就明显感觉不出来电机停停走走了。而总体的效果，则是 X 越大,电机的转速越快，X 越小，电机 的转速越慢。当 X 为零的时候，电机完全不转，当 X 大于一定的值的时候，电机开始慢慢转动起来，当 X 值到达最大的时候，就是占空比接近 100%的时候，电机的速度达到最快。 不过，对于巡线小车用的电机，推荐使用带了减速箱的直流电机，而非普通直流电机。杠杆原理告 诉我们，省力了就不省距离，省距离了就不省力。对于电机也是一样的，减速直流电机经过减速箱的一大 堆齿轮，把飞快转动的电机的速度降低了几百倍，由此减速直流电机的力气就很大了。不带减速箱的直流
如图所示。 现在假设前面的红外传感器有 12 个，黑线宽度为 2.5cm，红外传感器等间距分布，相邻的两个红外传感 器间距为 1.7cm 小于黑线的宽度。 所以当巡线小车跑在直线上的时候的状态应该是这样子的
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图中，两个红点之间距离是 17 毫米，黑线的宽度是 25 毫米。图片中展示了小车刚好毫无偏差的压在黑线 正上面，中间两个红外传感器刚好全部被黑线覆盖。 我们需要先给红外传感器编号，从左边开始到右边，编码为 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12 注意了，开始讲控制算法了。 首先引入偏差的概念，当黑线在上图中的那种状态，称为偏差为零。 考虑到物理学中的相对运动理论的正确性，原本黑线是不动，小车的红外巡线传感器在动，现在我以 黑线在动，而小车不动来讨论偏差的数字化。 当黑线往左边移动 8.5 毫米， 就是红外巡线传感器的第 6 个传感器刚好完全压在黑线上面的那种情况。 这时候，跟之前相比，出现了不为零的偏差了。我们约定：黑线偏向左边时候，偏差为负，偏向右边时候， 偏差为正。上一次恰好压在正中间（6 号和 7 号正上方）时候偏差为 0，现在的这种情况，我们约定偏差 为“-1” 。 同理，当黑线往左边移动 8.5x2 毫米，就是刚好移动 17 毫米的时候，就是刚好压在 5 号和 6 号的正 上方的时候，偏差就为“-2“。 同样，黑线从正中间往右边移动 17 毫米的时候，偏差就是“+2“。 这样的话，偏差就可以编码： -11 --黑线在 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 --黑线在 --黑线在 --黑线在 --黑线在 --黑线在 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 正上方，与中心偏差 -8.5*11 mm mm -10 --黑线在 1-2 正上方，与中心偏差 -8.5*10
--黑线在 2-3 正上方，与中心偏差 -8.5*8 mm --黑线在 3-4 正上方，与中心偏差 -8.5*6 mm --黑线在 4-5 正上方，与中心偏差 -8.5*4 mm --黑线在 5-6 正上方，与中心偏差 -8.5*2 mm
0 --黑线在 6-7 正上方，与中心偏差 0 1 --黑线在 3 --黑线在
正上方，与中心偏差 -8.5*9 mm 正上方，与中心偏差 -8.5*7 mm 正上方，与中心偏差 -8.5*5 mm 正上方，与中心偏差 -8.5*3 mm 正上方，与中心偏差 -8.5*1 mm mm 正上方，与中心偏差 8.5*1 mm 正上方，与中心偏差 8.5*3 mm 正上方，与中心偏差 8.5*5 mm 正上方，与中心偏差 8.5*7 mm 正上方，与中心偏差 8.5*9 mm 正上方，与中心偏差 8.5*11 mm
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假如出现这样的情况，从上面列表中可以获得压线在 4 号传感器的正上方，偏差就是“-5”了。 而通常情况没有那么刚好，也可能出现下图的那样子的情况：
7 号传感器到底检测到了黑线了吗，这就不一定了，具体情况要看从传感器读回的数据。 从前面电路篇可以知道，当压到黑线的时候，相应的压到黑线的 LED 是要发光的，说明，当压到黑 线的时候，红外传感器输出低电平，为 0，当在正常的白线上的时候，红外传感器是输出高电平的，为 1。 而对于单片机，假如我们用了 12 个 I/O 口去读回传感器的数值。假如是用 AVR 单片机，我们用了 PA 口的 8 个和 PB 口的 4 个,凑成了 12 个 I/O 口来读取 12 路传感器的数据。 比如像下面这样子对应 红外 编号 I/O 口 1 PA3 2 PA2 3 PA1 4 PA0 5 PB7 6 PB6 7 PB5 8 PB4 9 PB3 10 PB2 11 PB1 12 PB0
电子科技大学 上面的代码与前面的列表一一对应。
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到现在为止， 完成了红外巡线探头数据的采集。 上面的内容， 暂时先藏着， 最重要的就是那个函数了， 而那个函数还是需要根据实际硬件来改动， 有些人喜欢红外传感器中间密两边疏， 有些人喜欢等间距分布， 有些人喜欢用 8 个红外巡线传感器，有些人则用 7 个，还有些人用 4 个。 我之前参加巡线机器人大赛的时候，用了 14 个红外传感器，非等间距分布，那是因为当时手头上有 现成的 PCB 模块，用两片中间密两边疏的拼起来，就变成完全没有规律的非等间距分布。虽然最后我的小 车拿了第六届巡线机器人的冠军。但是我还是提倡大家使用 12 个红外传感器以及等间距分布，因为非等 间距的时候每个红外传感器的偏差值很难确定，需要用尺子去测量每个红外传感器与中间的偏差值，然后 再一个个算出权重，处理起来相当麻烦。 原本看上去 8 个红外传感器，刚好对应一组 I/O 口，刚好 8 位，处理起来更加方便，但是算一下，当 黑线在中心的时候，200/7mm=28.57mm>25mm=黑线宽度，显然并不是非常合适了。因为当一个传感 器都没有检测到的时候，无法确定是在哪两个红外传感器之间，只能通过程序的记忆的方法来确定，精度 不高，又复杂。 能用硬件轻松解决的事情，就用硬件解决，不要去为难写程序的同学。他毕竟是你的队友啊。 。 。 通常我们会使用 LM339 集成四通道比较器来组装红外巡线模块电路， 为了让全部的 12 个通道都用上， 使用 12 个红外传感器就非常合适了。 假如再增加一个红外， 变成 13 个红外传感器， 就多浪费了一个芯片， 浪费了三个比较器的通道，又多增加了许多电路，麻烦的很。 接着继续讲解，PWM。 PWM 的全称是：pulse width modulation 。简称是脉宽调制。简单的来说，就是频率恒定，占空 比可以改变的方波了。
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PORTA&0x0f 将读回来的 PA7，PA6，PA5，PA4 这四位屏蔽掉，不管它们是什么值，读回来后相 应的位都是 0，而保留了 PA3，PA2，PA1，PA0 原来的值。 (PORTA&0x0f) <<8 是讲上面得到的值右移 8 位，使之成为 PORT 的高 8 位。 最后与 PORTB 按位或运算，就把 PORT 的低 8 位补上了。最后呢： PORT 红 外 编 号 接着呢，就可以把全部的偏差都在 C 语言中体现出来了： 需要在定义一个变量，叫做当次得到的偏差： int x1； //当次偏差，用 x1 表示 完整代码如下： 15 X 14 X 13 X 12 X 11 1 10 2 9 3 8 4 7 5 6 6 5 7 4 8 3 9 2 10 1 11 0 12
在程序中呢，假如要读回 I/O 的电平状态： 需要先定义一个 16 位的变量： unsigned int PORT; 然后读取端口的数据： PORT=PORTB | ( (PORTA&0x0f) <<8 ); （以 AVR 单片机为例，其他单片机也类似） 上面这句话呢，对 C 语言位运算比较熟悉的同学一眼就能看懂了。如果不懂 C 语言的位运算，请翻阅 谭浩强的《C 程序设计》 ，再回来看这篇文章。
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电机，用手轻轻一捏住，就停下来了，不管转的多块多牛逼。但是带了减速箱的直流电机，在负重情况下 还是可以轻松的爬坡，吊起重物等等。 所以相比于普通不带减速的直流电机， 减速直流电机的线性度非常好， 相同周期下不同占空比的 PWM， 可以得到不同的转速，受负载的影响相比普通电机而言小了很多。
2 --黑线在 7-8 正上方，与中心偏差 8.5*2 mm 4 --黑线在 8-9 正上方，与中心偏差 8.5*4 mm 5 --黑线在 7 --黑线在 9 --黑线在 11 --黑线在 6 --黑线在 9-10 正上方，与中心偏差 8.5*6 mm 8 --黑线在 10-11 正上方，与中心偏差 8.5*8 mm 10 --黑线在 11-12 正上方，与中心偏差 8.5*10 mm 这样的话，巡线的精度就锁定在 8.5 毫米了，这样的精度对于巡线小车是足够的。 我们再继续验算一下上面的偏差编码：
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从零开始，学做智能小车【4-程序初级篇】
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本文假设读者已经有了那么一点点单片机的基础。当然，如果连单片机是什么都不知道，做起智能小 车简直是比登天还难。要登天买张飞机票就上去了，但是学习单片机还是需要一点时间的。建议懂得了单 片机的工作方式再来看这篇文章比较合适。 本文只讨论制作一个能够沿着黑线奔跑的智能小车的控制算法，只讲控制算法，而并不针对某种单片 机来谈。 单片机的选择很随意了， 不管是 51 （AT89S52,STC89C52 等） ， AVR （ATmega16， ATmega128） ， MSP430，还是 STM32，或者飞思卡尔某款单片机，再或者高级到 DSP。
左图是减速直流电机，右图是不带减速箱的普通直流电机。 而单片机输出的可变占空比的 PWM，并不是直接连接到电机的。因为电机需要的 PWM 电压很高， 电流很大，所以，需要一个叫做“电机驱动”的东西。经过电机驱动的 PWM，不改变占空比也不改变周 期。只是改变（增大）了幅度和负载能力。
这幅图就很形象的表明了电机驱动的作用。 讲到这里，如何得出偏差的问题解决了，如何让电机变速的问题也很明了了。那么对于巡线你们有思 路了吗？ 最简单的理解： 当偏差为负的时候，说明说黑线在小车的左边，小车应该向左边拐弯，让黑线回到小车的正下方，这 样子的话，右边的轮子转速应该要比左边轮子快，才能让小车向左拐，回到正确的位置。而让右边的轮子 转速比左边轮子快，只要让右边的电机得到 PWM 占空比比左边大就好了。 当偏差为正的时候，说明说黑线在小车的右边，小车应该向右边拐弯，让黑线回到小车的正下方，这 样子的话，左边的轮子转速应该要比右边轮子快，才能让小车向右拐，回到正确的位置。而让左边的轮子 转速比右边轮子快，只要让左边的电机得到 PWM 占空比比右边大就好了。 而具体一边比一边大多少呢？
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最简单的做法就是，偏差越大，就大的越多，偏差越小，就超过的小。偏差为零，左右轮子就给出一 样的占空比，让他们转速一样。 如果读者已经理解到了这个地方， 那么， 只要你硬件弄正确了， 小车是不是已经可以沿着黑线跑了呢？ 答案是当然可以，但是，这样子小车的速度只能像蜗牛一样的爬，并不能飙车。这是为什么呢？ 欲知原因，请听下回讲解。