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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)參賽者都會使用幾個圖像反射器來進(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。這僅僅是一個伺服操作（以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制）。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)動時，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，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，這塊板子同時也構(gòu)成了小車的底盤。
尋線小車有兩個驅(qū)動車輪和一個自由車輪。驅(qū)動車輪由一個7毫米直徑的球軸承和一個橡膠輪胎構(gòu)成。自由車輪是一個5毫米的球軸承。要讓驅(qū)動車輪動起來，還需要兩個微小的用于蜂窩電話，尋呼機(jī)或者任何移動設(shè)備的振動馬達(dá)。小車的主軸用一個彈簧板壓在輪胎上，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

圖四：兩個振動馬達(dá)

一個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由一個硬幣式的鋰電池來啟動。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	六個圖像反射器
供電裝置	兩個CR2032鋰電池（一個用于控制器，一個用于馬達(dá)）
馬達(dá)	兩個小馬達(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電阻被轉(zhuǎn)換為電壓，并且測試這個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帶通濾波器（一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設(shè)備）被過濾，沒有用的信號就會被過濾掉。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，探測器絕對不能因為環(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，這是必須的。
在這個項目中，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。微控制器掃描六個傳感器并通過該線附近的兩個傳感器的輸出來計算出線的位置。這樣只用六個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)中比例項是相同的。它是一個不依賴于時間的增益放大器。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項是必須的。這個項目中從尋線原因來看，I項是不必要的。提高了DC增益的I項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項是不必要的。
當(dāng)小車偏離線或者到達(dá)線的末端時，感應(yīng)線的傳感器就會產(chǎn)生一個錯誤。這時就會馬達(dá)會停止，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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