前言

    現(xiàn)在，國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。”現(xiàn)在機(jī)器人也在逐漸走向普及，在各方面得到了應(yīng)用。本文介紹的是機(jī)器人的循線算法原理及其實踐應(yīng)用。

    硬件基本構(gòu)架

　　對于機(jī)器人的循線，為了獲得場地上白線（黑線）的信息，硬件結(jié)構(gòu)一般有如下幾種種類。

　　1、紅外對管陣列。采取這種方式的機(jī)器人比較多，尤其在各種機(jī)器人競賽中，幾乎是標(biāo)準(zhǔn)配置。但是這種技術(shù)有一個致命的弱點，就是對于場地光線的干擾特別敏感，而且也很難把紅色和白線區(qū)別開來，所以使用受到一定的限制。一般解決這類問題的方法是在紅外光上加載一個調(diào)制波，通過檢測這個調(diào)制波來消除場地光線的干擾，至于如何解決紅色和白色的區(qū)別問題，那就幾乎是五花八門了。

　　2、光纖傳感器陣列。采用這種傳感器陣列的原因是，光纖非常細(xì)，在單位面積內(nèi)可以安裝更多的傳感器，從而獲得更地場地信息。當(dāng)然，錢也也花得更多。

　　3、線性CCD。這種硬件方法幾乎是一種對場地信息分辨率的BT追求，如果說紅外對管陣列還是離散信息的話，那么線性CCD就是線性的連續(xù)數(shù)據(jù)。當(dāng)然驅(qū)動它也不是一件容易的事情，對于單片機(jī)也有更高的速度要求。

　　4、視覺。視覺技術(shù)相對復(fù)雜，對硬件設(shè)備的要求對我們來說就好比是 平民要迎娶公主一樣 天價……沒有個10萬8萬不要過問——當(dāng)然，大款斗不過公_款，在實驗室耍的各位不在以上說明之列。

　　OurRobotV1是一款面向廣大初學(xué)者的DIY類機(jī)器人系統(tǒng)，肯定從基礎(chǔ)“原理”的部分入手了哈——成本也是考慮因素之一。硬件系統(tǒng)使用4051驅(qū)動 5個紅外管，通過AD來采集，在程序中需要使用以下的配置來驅(qū)動該硬件系統(tǒng)：

　　/*-----------紅外循線模塊初始化--------------*/

　　# define IRSB_A      _PB2                                 //3個4051通道

　　# define IRSB_B      _PB1

　　# define IRSB_C      _PB0

　　# define IRSB_COM    0                                    //使用AD0通道

　　# define IRSB_SENSOR_COUNT    5                           //說明管子的數(shù)目，默認(rèn)為8個

　　# define IRSB_SENSOR_SENSITIVITY 50                       //對外界環(huán)境的靈敏度

　　# define IRSB_SENSOR_BLACK_LINE                           //白底黑線，默認(rèn)黑底白線

　　# include <RD_UseInfraredScanBoard.h>                     //頭文件

　　基本原理

　　所謂循線，就是通過一定的傳感器探測地面色調(diào)迥異的兩種色彩從而獲得引導(dǎo)線位置，修正機(jī)器人運動路徑的一種技術(shù)。就紅外傳感器來說，就是通過對主動發(fā)射的紅外線進(jìn)行接受，檢測反射光的強(qiáng)度來獲取地面色彩信息的。常識告訴我們，黑色幾乎不反射，所以回來的光強(qiáng)弱，白色反射很強(qiáng)，所以很容易被從黑色的背景中檢測到——說的太拗口了。不說太多理論的東西，我們就從基于紅外對管陣列的循線技術(shù)來說起。

　　假設(shè)，我們使用的是黑底白線的場地。紅外對管陣列由3個紅外對管1字?jǐn)[開組成。白線的寬度略小于或等于紅外對管陣列的寬度。

　　1  數(shù)據(jù)的采集

　　對于機(jī)器人來說，通過傳感器感知周圍事物的信息，利用這些信息并不作太多智能上的計算而直接通過一定的轉(zhuǎn)換，指導(dǎo)機(jī)器人的運動——這種形式在人工智能（AI）上叫做機(jī)器人的“反應(yīng)范式”。我們要想讓我們的機(jī)器人能夠?qū)ぶ覀兘o定的軌跡線運動，步就必須讓他感知到軌跡線的存在。一般的做法就是通過AD采樣，獲得紅外對管（傳感器）反饋回來的電壓信息。然而，這樣獲得的電壓值信息是無法直接指導(dǎo)運動的，必須把他們轉(zhuǎn)化為二值（也就是二進(jìn)制信息，1表示線存在，0表示線不存在）信息，然后掃描每一個管子反饋回來的二值信息來判斷白線的位置。

　　》技術(shù)點A

　　AD信號的閥值化。（你可以參考其它的算法，獲得比較詳盡的技術(shù)，我這里只是舉例一二）

　　所謂閥值化，就是通過一定的“范圍把握”，把線性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散數(shù)據(jù)的一種變換。簡單的說，就是通過分段函數(shù)的方法，將數(shù)據(jù)分類。我們這個應(yīng)用中，需要使AD采集回來的電壓信息陣列變換為一個恰恰能夠較為準(zhǔn)確表示白線位置信息的二進(jìn)制信息陣列；假定1代表白線存在，0代表白線不存在。由于白色和黑色在電壓差異上非常之巨大，所以可以簡單的通過一個標(biāo)志線來區(qū)分它們，當(dāng)電壓值高于這個標(biāo)志線了，就把他標(biāo)志為1，否則就標(biāo)志為0，算法描述為：

　　if （AdValue[i] > MarkLing）

　　{

　　LineInfor[i] = 1;

　　}

　　else

　　{

　　LineInfor[i] = 0;

　　}

　　這樣做非常簡單，適合于比較標(biāo)準(zhǔn)的場地，然而對于那些模糊了的場地或者是非標(biāo)準(zhǔn)場地，即便人的肉眼能夠看出來，對于機(jī)器人來說，看到的就是花白的一片或者是黑色的夜幕——當(dāng)標(biāo)志線值過高時，機(jī)器人能看到的只是那些特別明顯的白線，其他則是黑色的夜幕，很容易丟失軌跡線；當(dāng)標(biāo)志線值過低時，機(jī)器人眼中就是白茫茫的一片毛刺?？偠灾?，這種方法對場地的適應(yīng)性非常差。解決方法是，利用斯密特觸發(fā)特性，通過設(shè)定兩個標(biāo)志線來標(biāo)定軌跡線信息，當(dāng)AD值高于某一值且原本狀態(tài)位標(biāo)志該位置為0時，標(biāo)志1；當(dāng)AD值低于另外某一值且原本狀態(tài)位顯示該位置為1時，標(biāo)定0。算法描述為：

　　/***********************************************************

　　*  函數(shù)說明：白線狀態(tài)計算函數(shù)                              *

　　*  輸入：    結(jié)果變量的地址                                *

　　*  輸出：    探測到白線的傳感器數(shù)量                        *

　　***********************************************************/

　　char IRSBgetLineState（char *LastState）

　　{

　　char n = 0;

　　char Start = 0;

　　char TGTCounter = 0;

　　#ifdef IRSB_SENSOR_COUNT_EVEN                           //傳感器為偶數(shù)時的情形

　　Start = （8 - IRSB_SENSOR_COUNT）》1;

　　#else                                                   //傳感器為奇數(shù)時的情形

　　Start = （7 - IRSB_SENSOR_COUNT）》1;

　　#endif

　　for （n = 0;n<IRSB_SENSOR_COUNT;n++）

　　{

　　#ifndef IRSB_SENSOR_BLACK_LINE

　　if （（*LastState） 《 （7 - Start - n）》7）              //從上向下跳變

　　{

　　if （IRSB_SENSOR（n） < IRSBJudgeLine[0]）

　　{

　?。?LastState） &= ~（1 《 （Start + n））；

　　}

　　else

　　{

　　TGTCounter ++;

　　}

　　}

　　else                                                //從下向上跳變

　　{

　　if （IRSB_SENSOR（n） > IRSBJudgeLine[1]）

　　{

　?。?LastState） |= 1 《 （Start + n）；

　　TGTCounter ++;

　　}

　　}

　　#else

　　if （（*LastState） 《 （7 - Start - n）》7）             //從上向下跳變

　　{

　　if （IRSB_SENSOR（n） > IRSBJudgeLine[1]）

　　{

　　（*LastState） &= ~（1 《 （Start + n））；

　　}

　　else

　　{

　　TGTCounter ++;

　　}

　　}

　　else                                                //從下向上跳變

　　{

　　if （IRSB_SENSOR（n） < IRSBJudgeLine[0]）

　　{

　?。?LastState） |= 1 《 （Start + n）；

　　TGTCounter ++;

　　}

　　}

　　#endif

　　}

　　return TGTCounter;

　　}

　　很顯然，通過調(diào)節(jié)兩條線之間的距離就可以控制算法的靈敏度，一種極限的情況，當(dāng)該值為0時就是前面提到過的那種簡單算法了。

　　》技術(shù)點 B 動態(tài)預(yù)值

　　當(dāng)然，這種算法在簡單的機(jī)器人循線中不是很常用。比較常見，適應(yīng)性強(qiáng)的方法是，首先從AD值中找到一個中間值作為MarkLine，然后從MarkLine稍小的值開始向上或向下搜索，（或者可以從AD值中找那些比較接近值和值之差的0.618倍的數(shù)值），然后再標(biāo)記，尋找一個合理的值，比方說恰好在這種狀態(tài)下找到的白線數(shù)量少于4個。這樣的算法叫做動態(tài)預(yù)值。

　　/***********************************************************

　　*  函數(shù)說明：傳感結(jié)果處理函數(shù)                              *

　　***********************************************************/

　　char IRSBproccessAdsValue（char TempLineState）

　　{

　　unsigned int MaxValue = 0;

　　unsigned int MinValue = 0xffff;

　　unsigned int TempValue = 0;

　　char n = 0;

　　if （！IfGetAllSensorADCValue）                            //采樣是否完成

　　{

　　return TempLineState;

　　}

　　for （n = 0;n<IRSB_SENSOR_COUNT;n++）                     //獲取采樣跨度

　　{

　　TempValue = IRSB_SENSOR（n）；

　　if （MaxValue < TempValue）

　　{

　　MaxValue = TempValue;

　　}

　　if （MinValue > TempValue）

　　{

　　MinValue = TempValue;

　　}

　　}

　　if （MaxValue - MinValue > 200）                          //開始動態(tài)設(shè)定閥值

　　{

　　if （（（MaxValue + MinValue） 》 1） > （IRSB_SENSOR_SENSITIVITY 》 1））

　　{

　　TempValue = （（MaxValue + MinValue） 》 1） - （IRSB_SENSOR_SENSITIVITY 》 1）；

　　}

　　else

　　{

　　TempValue = 0;

　　}

　　while（TempValue < 650）                             //測試循環(huán)體

　　{

　　IRSBJudgeLine[0] = TempValue;

　　IRSBJudgeLine[1] = TempValue + IRSB_SENSOR_SENSITIVITY;

　　if （IRSBgetLineState（&TempLineState） < 4）

　　{

　　break;

　　}

　　TempValue += 20;

　　}

　　}

　　else

　　{

　　#ifndef IRSB_SENSOR_BLACK_LINE

　　if （MaxValue > 700）                                //上限

　　{

　　TempLineState = 0xff;

　　}

　　else

　　{

　　TempLineState = 0x00;

　　}

　　#else

　　if （MaxValue > 700）                                //上限

　　{

　　TempLineState = 0x00;

　　}

　　else

　　{

　　TempLineState = 0xff;

　　}

　　#endif

　　}

　　IfGetAllSensorADCValue = False;                         //設(shè)定操作標(biāo)志位False

　　return TempLineState;

　　}

　　2  數(shù)據(jù)的簡單加工——個循線程序

　　到目前為止，我們已經(jīng)把AD的值的數(shù)組轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘粋€表示白線位置的二進(jìn)制位的數(shù)組——我們不妨直接把他用一個字節(jié)表示哈。那么，這個字節(jié)的狀態(tài)就表示了當(dāng)前白線的位置信息。再假設(shè)，我們已經(jīng)寫好了幾個函數(shù)用來分別控制小車的左右運動。那么我們就可以通過以下的簡單方式來實現(xiàn)循線了。

　　//用字節(jié)的高三位表示三個管子檢測到的白線信息。

　　switch （LineInforByte）

　　{

　　case 0b11100000:         //全部在白線上

　　Motor_Left_GoFront（FullSpeed）；

　　Motor_Right_GoFront（FullSpeed）；

　　break;

　　case 0b01100000:         //明顯車子向左偏了哈

　　Motor_Left_GoFront（FullSpeed）；

　　Motor_Right_GoFront（NormalSpeed）；

　　break;

　　case 0b00100000:

　　Motor_Left_GoFront（FullSpeed）；

　　Motor_Right_GoFront（LowSpeed）；

　　break;

　　……

　　//其他情況仿照上面自己寫了哈。

　　default:

　　Motor_Left_GoFront（StopNow）；

　　Motor_Right_GoFront（StopNow）；

　　break

　　}

　　呵呵，這樣就完成了一個循線小車的程序了哈。簡單吧。

　　順便說明一下下，Motor_Left_GoFront（）函數(shù)是一個控制電機(jī)PWM輸出的函數(shù)。

　　FullSpeed NormalSpeed LowSpeed StopNow StopFree 是一些控制PWM的宏定義，你可以修改這些宏定義的值來實現(xiàn)以上的功能。我想，你看了這個程序應(yīng)該已經(jīng)對循線的基本原理了然于胸了吧。哈哈哈哈哈哈哈哈。

　　3  數(shù)據(jù)的加工——復(fù)雜地面情況的模糊識別算法

　　以上的算法的確可以應(yīng)付規(guī)范場地下的情況了，但是由于其類似查表式的數(shù)據(jù)處理方式，一旦出現(xiàn)真值表中沒有的情況——哪怕是很明顯的直線存在——機(jī)器人都沒有辦法處理了。典型的就是在地上有大塊的白色斑點，導(dǎo)致機(jī)器人對白線視而不見。

　　解決以上問題的方法還要從人眼識別白線的原理上說起。在破壞嚴(yán)重的場地上，人類的眼睛仍然可以識別出原先的白線，這是為什么呢？通過重心。人類的眼睛通過捕捉白線的重心確立白線的大體軌跡，從而辨認(rèn)出白線的位置。從概率的角度上說，在破壞嚴(yán)重的場地上，出現(xiàn)在白線兩邊的淺色干擾的概率是一樣的，即使不同，由于白線本身的存在，其重心至少是不會偏離白線很遠(yuǎn)的，所以，只要簡單的獲得地面淺色標(biāo)志的重心，就可以大體確立白線的所在。我們可以利用物理學(xué)上質(zhì)心的算法獲得這一信息。忘了說一點，要想機(jī)器人增強(qiáng)對環(huán)境的適應(yīng)力，就需要增加傳感器的數(shù)目。我們不妨用8個紅外管作為傳感器。這樣通過處理后獲得的場地信息就整整1個字節(jié)了。假設(shè)1個光電管的1擁有1單位的重量，八個光電管的坐標(biāo)分別為 -7 -5 -3 -1  1 3 5 7,其間距都是2個單位，通過置信公式很容易計算出質(zhì)心的坐標(biāo)，通過這個坐標(biāo)和0的，就可以知道當(dāng)前機(jī)器人偏離白線的多少，而這個偏離值則可以通過簡單的比例直接指導(dǎo)運動函數(shù)。典型實例如下：

　　/********************************************************

　　*  函數(shù)說明：電機(jī)動作調(diào)速函數(shù)                           *

　　*  說明：    該函數(shù)放在定時器或者主循環(huán)里面用于產(chǎn)生軟PWM*

　　********************************************************/

　　void SpeedPWM（char PWMLine）

　　{

　　char PWMLine_L = PWMLine;

　　char PWMLine_R = PWMLine;

　　static char PWMCount_L = 0;

　　static char PWMCount_R = 0;

　　char Temp = 0;

　　if （FollowLineEnable == True）

　　{

　　Temp = （char）fabs（（float）CG_X）；

　　if （AdcValueFlag == 0）

　　{

　　Temp = 0;

　　}

　　else

　　{

　　if （CG_X <0）

　　{

　　if （（Temp《4） <= PWMLine_R）

　　{

　　PWMLine_R -= （（Temp《5）+Temp《2）；

　　}

　　else

　　{

　　PWMLine_R = 0;

　　}

　　}

　　else

　　{

　　if （（Temp《4） <= PWMLine_L）

　　{

　　PWMLine_L -= （Temp《5）；

　　}

　　else

　　{

　　PWMLine_L = 0;

　　}

　　}

　　}

　　}

　　PWMCount_L ++;

　　PWMCount_R ++;

　　if （PWMCount_L > Fastest）

　　{

　　PWMCount_L = Stop;

　　}

　　if （PWMCount_R > Fastest）

　　{

　　PWMCount_R = Stop;

　　}

　　if （PWMCount_L < PWMLine_L）

　　{

　　switch （GoDirection）

　　{

　　case Front:

　　Motor_Left_GoFront;

　　break;

　　case Back:

　　Motor_Left_GoBack;

　　break;

　　case Left:

　　Motor_Left_GoFront;

　　break;

　　case Right:

　　Motor_Left_GoBack;

　　break;

　　case Stop:

　　Motor_Left_Stop_Free;

　　break;

　　}

　　}

　　else

　　{

　　Motor_Left_Stop_Free;

　　}

　　if （PWMCount_R < PWMLine_R）

　　{

　　switch （GoDirection）

　　{

　　case Front:

　　Motor_Right_GoFront;

　　break;

　　case Back:

　　Motor_Right_GoBack;

　　break;

　　case Left:

　　Motor_Right_GoBack;

　　break;

　　case Right:

　　Motor_Right_GoFront;

　　break;

　　case Stop:

　　Motor_Right_Stop_Free;

　　break;

　　}

　　}

　　else

　　{

　　Motor_Right_Stop_Free;

　　}

　　}

　　/********************************************************

　　*  函數(shù)說明：獲取偏離軌跡線的數(shù)值                       *

　　*  輸入：    表明尋線狀態(tài)的字節(jié)                         *

　　*  [說明]                                               *

　　*           通過類質(zhì)心算法獲取當(dāng)前機(jī)器人偏離軌跡線的量  *

　　*           - 表示偏左 + 表示偏右                       *

　　********************************************************/

　　signed char GetCG_X（unsigned char AdcValues）

　　{

　　signed char a = 0;

　　signed char Temp = 0;

　　signed char Totals = 0;

　　for （a = 0;a<8;a++）

　　{

　　if （（AdcValues 《a）》7）

　　{

　　Temp += （（-7）+ （a《1））；

　　Totals++;

　　}

　　}

　　if （Totals ==0）

　　{

　　return  0;

　　}

　　return  （Temp / Totals）；

　　}

　　函數(shù)調(diào)用GetCG_X函數(shù)，用來獲取CG_X，CG_X直接在PWM輸出函數(shù)里面指導(dǎo)機(jī)器人的運動。

　　以上方法的好處是，提供了一個比例調(diào)節(jié)循線動作的可能。支持多傳感器的情況，尤其適合線性CCD類的線性數(shù)據(jù)的處理。為機(jī)器人提供了一個相對完整的視覺，不可能出現(xiàn)無法識別的情況，而且，這種情況可以使機(jī)器人在不加修改程序的情況下直接在在白線循線和黑線循線狀態(tài)下切換。

　　4  循線位置閉環(huán)控制中的PD算法

　　從前文，我們已經(jīng)初步掌握了獲取機(jī)器人位置信息的方法，并且通過質(zhì)心公式擁有了利用簡單的P調(diào)解來指導(dǎo)機(jī)器人運動的可能——不知不覺間，我們已經(jīng)進(jìn)入了控制學(xué)中關(guān)于位置環(huán)的閉環(huán)控制的問題了。

　　我們通過傳感器獲得白線的位置信息，并且通過計算獲得了白線的質(zhì)心距離車體中心的偏移量?？刂栖圀w中心位于白線的質(zhì)心——這就是循線中位置環(huán)所要控制的東西。

　　首先，我們來說說如果不用PD算法，我們會如何控制這一位置環(huán)。我們可以簡單的利用如果質(zhì)心偏左就向左邊全速運動，質(zhì)心偏右就向右邊全速運動來實現(xiàn)。這樣的確可以完成循線的操作，但是效果顯而易見，車子就像喝醉了酒一樣，走著蛇形的路線。如果我們通過偏移量的多少乘上一個比例K來指導(dǎo)向左或者向右運動的幅度，那么我們的s形運動的幅度就會越來越小，終到達(dá)水平運動。

　　這就是P算法。在P算法中k值的確立非常關(guān)鍵，如果K值過大，仍然會出現(xiàn)明顯的S形運動——這個被稱為超調(diào)；如果K值過小，那么就不能有效地指導(dǎo)循線，機(jī)器人就像對白線沒有反應(yīng)一樣，很容易就超出了合理的運動范圍；如果K值不合適，那么至少也會導(dǎo)致機(jī)器人不能以快的速度到達(dá)位置環(huán)的平衡位置甚至是震蕩。如何獲得一個合適的K值理論上是可以通過計算獲得的，但往往經(jīng)驗值和測試得來的數(shù)值會比較有效。

　　當(dāng)使用P算法時，到達(dá)平衡位置中心后由于場地的原因，機(jī)器人出現(xiàn)頻繁的調(diào)節(jié)位置的動作，就會大大限制住機(jī)器人移動的平均速度。這個時候，就需要一個和回復(fù)位置環(huán)速度有關(guān)系的量，這個就是我們通常稱之為D的量，通常這個也稱之為和動量有關(guān)的修正量——大家可以查閱相關(guān)的書籍獲得D調(diào)節(jié)的詳細(xì)內(nèi)容。一般情況下，循線中僅僅是P調(diào)節(jié)就已經(jīng)足夠了滿足一般要求了。