低成本8位单片机控制的光电寻迹智能车

3．2 小车行驶状态确定
该系统采用的赛道为宽为50 cm，中心线为25 mm的赛道，传感器在黑色上读取为1，在白色上读取为0，赛道外地板使用传感器有可能读1，也有可能读0。激光传感器终采用“一”字型排布方式，相邻的两个传感器的距离为20 mm。赛道如图5所示。

传感器在赛道上可能的状态可分为：在普通的赛道处、在十字交叉线处，还有跑出赛道。系统定义了变量Car_State来代表小车当前的状态，可能会出现的情况如下：
1)当小车在赛道上时，将会有1到2个传感器输出高电平，如果有两个传感器同时打到黑点，而两个传感器并不是相邻的则认为是干扰信号，不作特别处理，其他按照如图6的传感器排布方法计算坐标从左向右依次为-13到13，此时Car_State计为传感器打到的坐标；

2)打到10个以上黑点计为交叉线，Car_State计为20；
3)没有打到黑点则认为小车即将跑出赛道，Car_State计为30；
4)另外还有一种情况传感器已经打到了赛道之外，而打到赛道外的传感器可能输出高电平，也有可能输出低电平，此时有可能读出的情况可能会判定为第一种，如图5示意，此时小车本应继续左拐，但是判读位第一种情况，就可能右拐，这种情况的判定就不能仅仅依靠读传感器来判定，还应考虑小车前面行进的趋势加以判别。因为此种情况一般只出现在小车转大弯时，由于转角不够当小车的传感器会打到相反方向的赛道外，所以左转或者右转的角度超过某一特定值时(如60°)，应当屏蔽另一侧的传感器，只读转向该侧的传感器，如图5小车现转左侧大弯，右侧传感器检测到错误黑点，此时只要将右侧的7个传感器屏蔽，只读左侧传感器数值即可，此种情况Car_State计为40。
3．3 舵机控制
小车在赛道上：Car_State为-13到13间的整数，由于光电管数量少，造成传感器返回值离散度过大，不适合进行回控，故应加快采样速率，进行过采样，再进行一阶迭代滤波：
PVal=((Car_State×1 000)+(Pvalx10))／11；
小车行使5 ms后位置的偏差进行迭代滤波：
Err=((PVal-PVal1)+(Errx10))／11；／／两次位置偏差
P_Offset=Err／P_err； ／／负值左偏 正值右偏
if(P_Offset-5)P_Offset=-5； ／／左偏最大偏离为-5个单位
if(P_Offset>5)P_Offset=5； ／／右偏最大偏离为5个单位
将Err进行采样划分得到P_Offset变量，P_Offset取值为-5到5的整数，负数表示向左偏，正数表示向右偏，绝对值越大代表偏转角度越大；采样分辨率为可调参数P_err，P_err偏大时，小车反应会较为迟钝，P_err偏小时，小车反应会较为灵敏，容易出现很小偏差就会引起小车较大的转向。
按照小车当前的位置以及P_Offset组织数据表Angle_Table[]，该表共有27行11列，第n行m列元素j，表示小车位置Car_State为n-13偏差P_Offset为m-5时，j的值在-10到10之间，负值代表向左转，正值代表向右转，小车舵机应打的角度为jxAngle_C，可调参数Angle_C可以根据赛道状况舵机反应灵敏度等调节，其调节在调试程序中完成，其值愈大，同等情况下转角越大。
舵机的控制就是通过查数据表Angle_Table来实现，而不是通过公式求解，这种方法比较适用于8位单片机，通过检索表可以达到运算所达不到的系统速度。
小车在交叉线时Car_State=20不更改舵机的控制；当小车的传感器打不到黑点，即将跑出赛道活着已经打到赛道外时Car_State=30或40，此时按照小车转的方向，将舵机设置为最大转角，以达到尽快找到赛道黑线的目的。
舵机的输出PWM采用5 ms周期，与小车传感器采样的频率一致。

4 试验结果及总结
通过上述方法，小车取得了比较好的试验结果，在最小曲率半径不小于50 cm的赛道上，小车可以取得每秒2 m以上的速度。其速度比采用16位单片机的系统没有很大差异。要特别注意的是，运算时采用不同数据类型的变量将会带来不同的效果，经实验证明，如果可以使用字节存储类型的变量作双字节变量存储，将会严重影响小车的运行情况，这是由单片机编译环境进行数学运算引起的，应当尽量避免不恰当的变量定义及算数运算。
相较于当前流行的16位单片机控制的双舵机智能车，该系统在硬件上成本较低，而软件也根据8位单片机的特点，避开了较为复杂的运算，采用了查表的方式，只在小车位置及偏差运算以及速度P算法中涉及了少量的数学运算，以此达到系统的快速响应。