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編者注：本項目來自Instructables，作者為newtonis。這是一個用于比賽的循跡跟蹤小車項目，他是怎么在兼顧尺寸和速度性的同時滿足小車高性能的要求的呢？
循跡小車在創(chuàng)客圈里面并不是什么新鮮事，但普通的循跡小車要么比較大，要么則比較重，并不適合用來比賽。在我們當?shù)氐膭?chuàng)客圈子里面有一個循跡小車的比賽項目，要求上場的小車的尺寸不能超過12x20cm，那我們該怎樣來滿足這樣的需求呢？
本項目的主要開發(fā)過程分為三個部分：電子構建，結構設計和3D打印，程序配置和調試。下面我們就來完成它吧。
在開發(fā)此項目的過程中，要切記的一點是我們是在開發(fā)一個比賽用的小車。此處我選用了Pololu提供的電機，他家的電機分為四種：低功率、中等功率、高功率和長壽命高功率，這四種電機的工作電壓都為6V，而且物理尺寸也基本相同。低功率的電機功耗較低，但是要知道我們這是為了比賽，所以應該選擇那兩種高功率的電機。其中長壽命高功率的電機的使用壽命更長，但是并不能承受高于6V的電壓。綜合考慮之后，我選擇了高功率的電機，它們能夠不中斷地連續(xù)使用好幾個小時，這已經足夠了。
接下來我們應該選擇多少的傳動比呢？通常電機的傳動比越高，電機的速度就越低，但是電機提供的扭矩卻更高，就能提供更高的加速度。對比較重的機器人來說這確實非常重要。我的建議是在30:1到10:1的傳動比之間做出選擇，最后我選擇的四個傳動比為10:1的電機，畢竟是為了比賽，我會盡量降低小車的質量，從而提供更高的速度。當然，你也可以選擇使用2個30:1的傳動比的電機，這樣為了獲得更高的速度，你需要為電機提供高于6V的電壓。
因為電機的速度是以每分鐘的轉速衡量的，所以在轉速固定的情況下，輪子直徑越大，理論上就跑得越快，但與此同時輪子也會越重。綜合考慮之后我選擇了直徑32毫米的窄邊車輪，其單個重量為3.2克。
電池方面我推薦使用儲能密度大、可充電的LiPo電池。我使用的是850mAh 7.4V雙芯LiPo電池。
為了能讓小車的電機獲得足夠的反應時間，需要將小車的循跡探測器盡量前置，那么這就需要用到2個前置的球腳輪.當然這兩個球腳輪并不是必需的，如果你的小車的設計能夠在行進過程中維持平衡，或者只是采用后輪驅動的方式運動（將探測器安裝在車體前部），那么就不需要這兩個球腳輪。
注意兩只球腳輪的相對位置，不要讓其對小車的行進方向產生影響。
為了在保證小車基本結構上盡量降低小車的質量，我選擇自己設計小車的結構件。點擊這里下載我用Google SketchUp設計的3D結構模型，然后用3D打印機打印出來即可。注意，打印之前需要導出適合3D打印機的STL文件。
這一步我需要搭建能夠用來探測地面標線的探測器設備。這里我用到了9個CNY70光電傳感器（5個或7個應該也可以），9個220Ω電阻和9個56kΩ下拉電阻。另外我還設計了一個簡易的PCB板用來承載我的電路結構。
這套探測器的原理很簡單，每個CNY70傳感器都會產生0-5V的電壓，其中0V左右表示探測到黑色，5V左右則是白色。CNY70提供了0-1024的精度范圍。
電路板上一共引出了11個接口，其中兩個分別是接地和5V電源，其它9個是傳感器的模擬輸出。電路本身并不復雜，復制以下電路9次即可。
探測器的電路不復雜，主電路卻相對較為復雜一點。這里我們沒有使用常見的Arduino，而是使用了PIC18F4550單片機，因為其體積更小，而且在某些比賽中是禁止使用Arduino的。
電路設計如下：
相關文件：
主電路的組件清單如下：
PIC18F4550單片機
20MHz晶振
3到6個LED（PCB上只使用了3個）
3個220歐姆電阻（用于LED）
2個10nF陶瓷電容
2個18nF陶瓷電容
L293D或SN7544（電機驅動模塊）
開關
三個按鈕
7805三端穩(wěn)壓器（為單片機提供5V電壓）
線材等
接下來就是制作對應的PCB板。
然后將各個組件焊接到PCB上。
接下來就要對我們機器人的大腦做文章了。這里我使用的是MPLAB XC8編譯器和Sublime Text作為開發(fā)環(huán)境。具體的安裝過程這里不提，這里提供了Sublime Text用來構建和運行XC8的命令行代碼，你需要用它來配置XC8的路徑和安裝PK2CMD。
rayito.c是我編寫的代碼，下一個步驟我會對其中一些代碼進行一些說明。
代碼的工作原理示意圖：
各個傳感器的工作模式示意圖：
傳感器的精度為0-1024，但事實上我們的測量基本上不可能達到兩邊的頂點（純黑和純全反射）。那么我們就可以對傳感器得到的數(shù)值進行定義，低于A值都定義為黑色，高于B值都定義為白色，則有0<=A<=B<=1024。
對傳感器的讀數(shù)進行調試和校準：
void initLED(){ ///初始化讀數(shù)變量，在程序啟動時調用一次
int x;
for (x = 0;x < 8;x++){
amax[x] = 0; ///Amax是上面提到的B值
amin[x] = 1024; ///Amin是上面提到的A值
}
}
void CalRead(){ ///讀取校準數(shù)值
L_ROJO = T1000 < 500*6; ///紅色LED閃爍
int x;
for (x = 0;x < 7;x++){ //跟蹤傳感器
/***注意： 使用T(x)是因為其在程序的第一部分就進行了定義，讓排成列的傳感器能夠以正確的順序排列。***/
amax[x] = max(amax[x],T(x)); ///如果得到的值高于上一次值則替代
amin[x] = min(amin[x],T(x)); ///如果得到的值低于上一個值則替代
}
///不能使用T(7)加入第7個傳感器的數(shù)值，該傳感器不用于讀路線。.
///我們用其來讀取某些賽道特定的曲線路徑標記。
amax[7] = max(amax[7],J(7));
amin[7] = min(amin[7],J(7));
}
經過了此段之后，我們會得到7個由傳感器產生的數(shù)值，并將其存儲在C數(shù)列中，每一個傳感器都有amin (A)和amax (B)值。那么在程序進行標準取值時，我們將小于A的值都當成A，將大于B的值都當成B。中間值忽略。
///這是偽代碼，不能直接工作，只用于了解原理
///在實際代碼中，amax[x]是B而amin[x]是A
int w = W[x]; ///W[x] 取值0~1024
w = min(w,B); //如果w大于B，則w=B
w = max(w,A); //如果w小于A，則w= A
w -= A; ///讓w邏輯上取值在0到B-A
w *= 1024; ///w取值為（0到B-A）*1024
w /= (B-A); ///現(xiàn)在w取值為0 到1024
這一部分算法是我們實現(xiàn)高性能的關鍵部分之一。在本算法中，用于取平均數(shù)的數(shù)字的價值越高，其對最終平均數(shù)的影響就越大。這樣我們的算法就不只是以下的算法那么簡單了：
if (S1 see black){
Left();
}else if (S2 see black){
Right();
}else{
Front();
}
為了真正造出一個高性能的機器小車，我們需要盡可能準確地確定路線的中心線。使用傳感器進行測量時，每一個程序循環(huán)中我們都可以得到5組不同的中心線位置，而我們需要通過加權平均的方式將這5個數(shù)值轉變成一個數(shù)值。
void Ponderado(){ sum = 0;
division = 0;
nove = 0;
char center;
for (x = 0;x <= 6;x++){
if(T(x)>amax[x]){
w=amax[x];
}else if(T(x) < amin[x]){
w=amin[x];
}else{
w=T(x);
}***/
w = ran(T(x),amin[x],amax[x]);
w -= amin[x];
w *= (ll)1000;
w /= (amax[x]-amin[x]);
if (w > TH){
nove = 1;
}
if (x == 3){
if (w > TH){ center = 1; }else{ center = 0; } ///We store here if the center sensor reads 0 or 1000
}
///A is the weight
///B is the position
if (x == 0 or x == 6){ continue; } ///We ignore the sensors 0 and 6
v = (1000) * (x-3);///This variable will be -2000,-1000,0,1000,2000 in each cycle
sum += (w*v);
division += (w);
}
if (nove == 0){ ///if we don't see the line POSICION = POSICION > 0 ? 200 : - 200; ///Now we set the value accordingly the last value set. if posicion is > to 0 then posicion equals 200, if not it equals -200
}else{
POSICION = (ll)(sum) / (ll)(division); ///We get the weighted average result
POSICION /= 10; ///We change the scale from -2000,2000 to -200,200
}
}
確定了中心線之后就需要控制電機對線進行跟蹤了。由于我們采用的電機并不具有直接轉向的功能，我們需要用到另一種轉向方式：速度差轉向——通過為小車的輪子設定不同的速度從而讓小車整體產生轉向效果?？刂扑俣葎t用到了常用的脈沖寬度調制，這一部分整合到了小車的代碼中。此處我們需要用到一個函數(shù)MotorsSpeed(a,b)，其將定義電機的速度，并將其設置到區(qū)間（-1000,1000）之間，包括前后速度。
void MotorsSpeed(int A,int B){
///If mode equals alfa then we invert the motors voltage
MotorASpeed(MODE == ALFA ? A : B);
MotorBSpeed(MODE == BETA ? A : B);
}
void MotorASpeed(int S){
S = min(S,1000);
S = max(S,-1000);
ADIR = S > 0 ? 0 : 1;
S = S > 0 ? S : 1000 + S;
CCP1CONbits.DC1B1 = S % 4;
CCPR1L = S / 4;
}
void MotorBSpeed(int S){
S = min(S,1000);
S = max(S,-1000);
BDIR = S > 0 ? 0 : 1;
S = S > 0 ? S : 1000 + S;
CCP2CONbits.DC2B = S % 4;
CCPR2L = S / 4;
}
實現(xiàn)了對電機的速度控制，就可以實現(xiàn)轉向算法了。
void LineFollow(){
double kp,kd,kr,speed;
///POSICION has the value of the center of the line previously calculated
kp = KP[speedMode];
kd = KD[speedMode];
kr = KR[speedMode];
DER = POSICION - LP; ///We calculate how much the line has moved from the last iteration
PIDf = (POSICION* kp + DER * kd);
if (PIDf > 0){
MotorsSpeed(Mr(speed-PIDf,kr) , speed); ///Mr makes the value to multiply by KR if it is negative. You can delete it
}else{
MotorsSpeed(speed , Mr(speed+PIDf,kr) ); ///Mr makes the value to multiply by KR if it is negative. You can delete it
}
LP = POSICION; ///We store the last line position
}
部署好了算法也就大功告成了，接下來就該拿到賽場上比試比試。哦，看起來高手還是挺多的嘛……
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