低成本8位單片機控制的光電尋跡智能車(chē)

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(xiàn)處，還有跑出賽道。系統定義了變量Car_State來(lái)代表小車(chē)當前的狀態(tài)，可能會(huì )出現的情況如下：
1)當小車(chē)在賽道上時(shí)，將會(huì )有1到2個(gè)傳感器輸出高電平，如果有兩個(gè)傳感器同時(shí)打到黑點(diǎn)，而兩個(gè)傳感器并不是相鄰的則認為是干擾信號，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從左向右依次為-13到13，此時(shí)Car_State計為傳感器打到的坐標；

2)打到10個(gè)以上黑點(diǎn)計為交叉線(xiàn)，Car_State計為20；
3)沒(méi)有打到黑點(diǎn)則認為小車(chē)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(shí)有可能讀出的情況可能會(huì )判定為第一種，如圖5示意，此時(shí)小車(chē)本應繼續左拐，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(lái)判定，還應考慮小車(chē)前面行進(jìn)的趨勢加以判別。因為此種情況一般只出現在小車(chē)轉大彎時(shí)，由于轉角不夠當小車(chē)的傳感器會(huì )打到相反方向的賽道外，所以左轉或者右轉的角度超過(guò)某一特定值時(shí)(如60°)，應當屏蔽另一側的傳感器，只讀轉向該側的傳感器，如圖5小車(chē)現轉左側大彎，右側傳感器檢測到錯誤黑點(diǎn)，此時(shí)只要將右側的7個(gè)傳感器屏蔽，只讀左側傳感器數值即可，此種情況Car_State計為40。
3．3 舵機控制
小車(chē)在賽道上：Car_State為-13到13間的整數，由于光電管數量少，造成傳感器返回值離散度過(guò)大，不適合進(jìn)行回控，故應加快采樣速率，進(jìn)行過(guò)采樣，再進(jìn)行一階迭代濾波：
PVal=((Car_State×1 000)+(Pvalx10))／11；
小車(chē)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； ／／負值左偏 正值右偏
if(P_Offset-5)P_Offset=-5； ／／左偏最大偏離為-5個(gè)單位
if(P_Offset>5)P_Offset=5； ／／右偏最大偏離為5個(gè)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，負數表示向左偏，正數表示向右偏，絕對值越大代表偏轉角度越大；采樣分辨率為可調參數P_err，P_err偏大時(shí)，小車(chē)反應會(huì )較為遲鈍，P_err偏小時(shí)，小車(chē)反應會(huì )較為靈敏，容易出現很小偏差就會(huì )引起小車(chē)較大的轉向。
按照小車(chē)當前的位置以及P_Offset組織數據表Angle_Table[]，該表共有27行11列，第n行m列元素j，表示小車(chē)位置Car_State為n-13偏差P_Offset為m-5時(shí)，j的值在-10到10之間，負值代表向左轉，正值代表向右轉，小車(chē)舵機應打的角度為jxAngle_C，可調參數Angle_C可以根據賽道狀況舵機反應靈敏度等調節，其調節在調試程序中完成，其值愈大，同等情況下轉角越大。
舵機的控制就是通過(guò)查數據表Angle_Table來(lái)實(shí)現，而不是通過(guò)公式求解，這種方法比較適用于8位單片機，通過(guò)檢索表可以達到運算所達不到的系統速度。
小車(chē)在交叉線(xiàn)時(shí)Car_State=20不更改舵機的控制；當小車(chē)的傳感器打不到黑點(diǎn)，即將跑出賽道活著(zhù)已經(jīng)打到賽道外時(shí)Car_State=30或40，此時(shí)按照小車(chē)轉的方向，將舵機設置為最大轉角，以達到盡快找到賽道黑線(xiàn)的目的。
舵機的輸出PWM采用5 ms周期，與小車(chē)傳感器采樣的頻率一致。

4 試驗結果及總結
通過(guò)上述方法，小車(chē)取得了比較好的試驗結果，在最小曲率半徑不小于50 cm的賽道上，小車(chē)可以取得每秒2 m以上的速度。其速度比采用16位單片機的系統沒(méi)有很大差異。要特別注意的是，運算時(shí)采用不同數據類(lèi)型的變量將會(huì )帶來(lái)不同的效果，經(jīng)實(shí)驗證明，如果可以使用字節存儲類(lèi)型的變量作雙字節變量存儲，將會(huì )嚴重影響小車(chē)的運行情況，這是由單片機編譯環(huán)境進(jìn)行數學(xué)運算引起的，應當盡量避免不恰當的變量定義及算數運算。
相較于當前流行的16位單片機控制的雙舵機智能車(chē)，該系統在硬件上成本較低，而軟件也根據8位單片機的特點(diǎn)，避開(kāi)了較為復雜的運算，采用了查表的方式，只在小車(chē)位置及偏差運算以及速度P算法中涉及了少量的數學(xué)運算，以此達到系統的快速響應。