標(biāo)題: 日本愛好者制作的微型尋線小車 [打印本頁]
作者: darkpaper    時(shí)間: 2016-6-1 08:32
標(biāo)題: 日本愛好者制作的微型尋線小車
這個(gè)作品在網(wǎng)上已經(jīng)流傳了很久，但是一直都是英文版本，此次，RobotSky的資深翻譯Jing Chen翻譯了此作品的介紹，供大家學(xué)習(xí)分享。   
尋線（Line Following）小車比賽就是眾多機(jī)器比賽中的一種。這種比賽是以小車在線上的運(yùn)行速度大小來決出勝負(fù)的。筆者自己制作了一個(gè)很小的（體積還不到一般尋線小車的五分之一）能夠在桌面上運(yùn)行的尋線小車。如圖一所示：
圖一：尋線小車
關(guān)于尋線小車
尋線小車是沿著桌面上的線運(yùn)行，且具有自我操控的功能。其基本的操作有：
（1）利用小車前端的圖像傳感器來捕捉線的位置。大多數(shù)參賽者都會(huì)使用幾個(gè)圖像反射器來進(jìn)行圖像處理，而少數(shù)具有領(lǐng)導(dǎo)能力的參賽者使用的是圖像傳感器來進(jìn)行圖像處理。另外，對線的感應(yīng)過程還需要高分辨率和高魯棒性（即系統(tǒng)的健壯性）。
（2）利用操控機(jī)制來控制小車追蹤線。這僅僅是一個(gè)伺服操作（以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動(dòng)控制）。在運(yùn)用數(shù)字PID過濾器或者任何其他的伺服算法來穩(wěn)定跟蹤運(yùn)動(dòng)時(shí)，任何相位的補(bǔ)償都是必須的。
（3）通過車道的狀況來控制車速。在通過一條曲線時(shí)，由于輪胎和路面的摩擦，小車的速度是要有一定限制的。
小車尋的線有兩種，分別是：黑底白線和白底黑線。大部分競賽都是采用第一種線，且線的寬度介于15和25毫米之間。下面是白底黑線的示意圖：
            
圖二：小車在白底黑線上運(yùn)行
尋線小車的硬件部分

下圖三顯示了尋線小車的底面和側(cè)面。所有的機(jī)械部件和電線都是在一塊原始的板子上進(jìn)行安裝的，這塊板子同時(shí)也構(gòu)成了小車的底盤。
尋線小車有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪和一個(gè)自由車輪。驅(qū)動(dòng)車輪由一個(gè)7毫米直徑的球軸承和一個(gè)橡膠輪胎構(gòu)成。自由車輪是一個(gè)5毫米的球軸承。要讓驅(qū)動(dòng)車輪動(dòng)起來，還需要兩個(gè)微小的用于蜂窩電話，尋呼機(jī)或者任何移動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)馬達(dá)。小車的主軸用一個(gè)彈簧板壓在輪胎上，其輸出力矩就移轉(zhuǎn)給車輪了。
駕駛裝置的實(shí)現(xiàn)有很多不同的方法。但主要是通過小車左右輪之間不同的旋轉(zhuǎn)速度來駕駛小車的。這樣駕駛就不需要任何額外的致動(dòng)器，只需要控制車輪的速度就可以了。                  

圖三：尋線小車的底部圖和側(cè)面圖

圖四：兩個(gè)振動(dòng)馬達(dá)

一個(gè)Amtel公司的ATmega8（具有8KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的微控制器）被用作小車的控制器，且ATmega8由一個(gè)硬幣式的鋰電池來啟動(dòng)。其他的鋰電池用于馬達(dá)。分成兩部分來供電是為了避免由于馬達(dá)電壓下降而造成微控制器的意外復(fù)位。小車底盤的前端安裝了六個(gè)圖像反射器用來感應(yīng)地面的反射率。為了使車輪的轉(zhuǎn)速成線性，馬達(dá)是用PWM（脈寬調(diào)制，利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制）驅(qū)動(dòng)的。

尋線小車最新的硬件資料圖表如下：


控制器


Amtel 公司的ATmega8


線感應(yīng)器


六個(gè)圖像反射器


供電裝置


兩個(gè)CR2032鋰電池（一個(gè)用于控制器，一個(gè)用于馬達(dá)）


馬達(dá)


兩個(gè)小馬達(dá)分別用于左輪和右輪


尺寸


45毫米長，33毫米寬，12.5毫米高


重量


15克（包含兩個(gè)鋰電池）


性能


在橢圓線上53厘米每秒




尋線小車的軟件部分

圖像反射器
為了探測小車將要運(yùn)行的線，大多數(shù)參賽者都用兩個(gè)或更多的圖像反射器。與地面反射率成比例輸出的電流通過一個(gè)電阻被轉(zhuǎn)換為電壓，并且測試這個(gè)電壓看線是否被探測到。然而環(huán)境光線引起的光敏電流會(huì)被添加到輸出電流，因此閾值電壓是不斷變化的，而不是固定在某一級的。
多數(shù)用于工業(yè)用途的圖像探測模塊都用柔和的光線以此來避免環(huán)境光線的干擾。被探測到的信號通過一個(gè)帶通濾波器（一個(gè)允許特定頻段的波通過同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備）被過濾，沒有用的信號就會(huì)被過濾掉。因此，只能探測到從光發(fā)射器發(fā)射來的比較柔和的信號。當(dāng)然，探測器絕對不能因?yàn)榄h(huán)境光線而達(dá)到飽和。探測器在線性區(qū)域進(jìn)行探測時(shí)，這是必須的。
在這個(gè)項(xiàng)目中，脈沖光是用來排除環(huán)境光線的。這非常適合按順序掃描以防下一個(gè)傳感器干擾的陣列傳感器。微控制器開始掃描傳感器的狀態(tài)，采樣輸出電壓，打開LED并且再次采樣輸出電壓。兩次采樣的不同之處在于LED的光敏電流和環(huán)境光線被排除后的輸出電壓。其余的傳感器也按上述順序進(jìn)行掃描。
圖五：線探測的信號處理過程

圖六顯示出了實(shí)際線的位置和在中心值640探測到的線的位置。微控制器掃描六個(gè)傳感器并通過該線附近的兩個(gè)傳感器的輸出來計(jì)算出線的位置。這樣只用六個(gè)傳感器就能夠線性地探測到線的位置。所有傳感器輸出與反射器成比例的模擬值，每個(gè)傳感器的靈敏度各不相同。在這一系統(tǒng)中，為了消除從輸出設(shè)備產(chǎn)生的差異，要每一個(gè)傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)都輸入到非易失性的存儲器中。在線模式下，完成這個(gè)工作。

圖六：線的位置輸出圖

跟蹤控制
將被跟蹤的線的位置是與中心值做對比的，定位誤差同比例、積分、差分濾波器一起被處理來生成控制命令。尋線小車用當(dāng)前最流行的用于伺服控制的算法PID來跟蹤線。
在伺服系統(tǒng)中比例項(xiàng)是相同的。它是一個(gè)不依賴于時(shí)間的增益放大器。應(yīng)用差分是為了改善對干擾的響應(yīng)，同時(shí)彌補(bǔ)控制對象滯后的相位。大多數(shù)情況下為了穩(wěn)定跟蹤運(yùn)行，D項(xiàng)是必須的。這個(gè)項(xiàng)目中從尋線原因來看，I項(xiàng)是不必要的。提高了DC增益的I項(xiàng)是用于消除左偏移誤差的。但是，由于其本身的相位滯后，它常常會(huì)降低伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而尋線操作能夠忽略這樣的跟蹤偏差，因此I項(xiàng)是不必要的。
當(dāng)小車偏離線或者到達(dá)線的末端時(shí)，感應(yīng)線的傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。這時(shí)就會(huì)馬達(dá)會(huì)停止，微控制器進(jìn)入零功率消耗的休眠狀態(tài)。

Development diary [Ja]Circuit diagram Firmware May 23,2004  Following motion with only Pcontrol
This is a video file of line following motion with only P control.The servo systemoscllated.  Following motion with P and Dcontrols
Adding D control could improve the servo stability. The robotfollows the line correctly. Therefore the servo parameter must beoptimized for mechanical characterristics to improve the trackingstability.

電子愛好者DIY制作自制微型巡線小車過程.docx

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