【32最小系统板】pid循迹小车（铁丝循迹）
循迹小车做了两次，准备这次做一个小的总结，这次是对铁丝的循迹，让我对循迹有了新的认识。设计制作一个自动循迹小车。循迹传感器不限，在规定的平面跑道自动按顺时针方向循迹前进。跑道的标识为一根直径 0.6~0.9mm 的细铁丝，按照图 1 的示意尺寸，用透明胶带将其贴在跑道上。图中所有圆弧的半径均为为20cm±2cm。（1）在图 1 小车所在的直线区任意指定一起点（终点），小车依据跑道上设置的铁丝标识，
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前言
循迹小车做了两次，准备这次做一个小的总结，这次是对铁丝的循迹，让我对循迹有了新的认识。
一、任务、要求及评分标准
1.1 任务
设计制作一个自动循迹小车。循迹传感器不限，在规定的平面跑道自动
按顺时针方向循迹前进。跑道的标识为一根直径 0.6~0.9mm 的细铁丝，按照图 1 的示意尺寸，用透明胶带将其贴在跑道上。图中所有圆弧的半径均为为20cm±2cm。
1.2 要求及评分标准
（1）在图 1 小车所在的直线区任意指定一起点（终点），小车依据跑道上设置的
铁丝标识，自动绕跑道跑完一圈。时间不得超过 10 分钟。小车运行时必须
保持轨迹铁丝位于小车垂直投影之下。如有越出，每次扣 2 分。 （30 分）
（2）实时显示小车行驶的距离和运行时间。（15 分）
（3）在任意直线段铁丝上放置 4 个直径约 19mm 的镀镍钢芯硬币（1 角硬币），
硬币边缘紧贴铁丝，如图 1 所示。小车路过硬币时能够发现并发出声音提
D-2
示。（15 分）
（4）尽量减少小车绕跑道跑完一圈运行时间。 （20 分）
（5）设计报告（20 分
1.3 说明
（1）自动循迹小车允许用玩具车改装。小车用自带电池供电运行，不能使用外
接电源。小车的尺寸为其在地面的投影不超过 A4 纸大小。小车自动运行后，
不得有任何人工干预小车运动的行为，如遥控等。
（2）跑道除指定的铁丝外，不得另外增加任何标记。跑道附近不应有其他额外
金属物体。
二、先上视频效果
投稿在b站的小车循迹
大体是20s完成
三、小车循迹方法
1.第一次做循迹时
之前寻黑工胶带的代码，黑工胶带大概是1cm宽，0 是检测到黑线，1 是没检测到，信号线接在P2口，当时用的是51单片机入门做的。
主要方法是遇到大转弯delay多一点，小转弯dalay小一点，delay的作用主要是为了让转弯的时间多一点，多调整几次速度，就能获得较好的巡线效果。
四路循迹 参考代码如下（示例）：
void xunji()
{
switch(P2&0x0f)
{
case 0x0f: // 1111全部没有压线，前进
run();
break;
case 0x0e: // 1110右压线，左转
leftrun();
delay(10);
break;
case 0x0c: // 1100右压线，左转
leftrun();
delay(5);
break;
case 0x07: // 0111左压线，右转
rightrun();
delay(5); //转向延时
break;
case 0x03: // 0011左压线，右转
rightrun();
delay(10); //转向延时
break;
case 0x00:
stop();
break;
default:
break;
}
}
2.第二次做循迹时
后来发现这样做，在寻细线（铁丝），或者如果要竞速（速度较快时），会出现两个问题:
1、那些比较直的转弯基本很难转过去，如果能转过去也需要调很久，换一个速度就需要重新调速，不适用于所有速度。
2、当走直线时，即使我们调的pwm值是一样的，却走不出来直线，会影响速度。
针对第一个问题：我们用状态机来解决。
针对第二个问题：我们用pid来解决。
状态机
问题引出
现在我们要解决的问题是，我们小车没办法在冲出转弯的时候意识到自己已经冲出转弯，而是转到一半，以为自己已经转到位了，便继续直行，这就是第一个出现的问题。
基本使用方法
于是我们现在需要让小车知道自己运行在什么状态，比方说我们小车一开始是直行，然后检测到左边有铁丝了，需要右转来控制使小车身压在铁丝正下方，此时，我们切换直行状态到右转状态，而转到什么来告诉小车现在是压在正下方呢，当我们发现小车在正下方时（我用的是四路传感器，即所有检测传感器都检测不到时），我们再次切换状态，从右转状态切回直行状态。
以上就是状态机的基本使用方法，我感觉像是给机器增加了一个上一步的记忆。
举个例子 按键的状态机
0是按下，1是未按下(相当于抬起来)，就可以不需要delay函数消抖，提高了程序效率。
if (key == 0)
a = 1;
if (key == 1)
if (a ==1 )
{ 你的实现效果；
a = 0;
}
我们小车现在有5种状态：直行，左转弯，急左转弯，右转弯，急右转弯，我们首先在头文件枚举。
enum State
{
RapidLeft = -2,
TurnLeft = -1,
TurnRight = 1,
RapidRight = 2,
Straight = 0
} typedef State;
然后在.c原文件初始化最开始的状态
State st = Straight;
参考循迹程序如下
void xunji(void)
{
switch (st)
{
case Straight:
{
Target_LV = 300;
Target_RV = 300;
}
break;
case TurnLeft:
{
Target_RV = 300;
Target_LV = 100;
}
break;
case TurnRight:
{
Target_RV = 100;
Target_LV = 300;
}
break;
case RapidLeft:
{
Target_RV = 300;
Target_LV = 0;
}
break;
case RapidRight:
{
Target_RV = 0;
Target_LV = 300;
}
break;
}
if (Left1 == 1 && Left2 == 0 && Right2 == 1 && Right1 == 1)
{
st = TurnLeft;
}
else if (Left1 == 1 && Left2 == 1 && Right2 == 0 && Right1 == 1)
{
st = TurnRight;
}
else if (Left1 == 0 && Left2 == 1 && Right2 == 1 && Right1 == 1)
{
st = RapidLeft;
}
else if (Left1 == 1 && Left2 == 1 && Right2 == 1 && Right1 == 0)
{
st = RapidRight;
}else if (Left1 == 1 && Left2 == 1 && Right2 == 1 && Right1 == 1)
{
if(st == TurnLeft || st == TurnRight) st = Straight;
}
}
具体思路就是循环检测传感器，每次方向有变化zhuangtai就改变状态值，如果方向有到想要的变化时，才改变状态，否则就一直维持上一个状态，直到状态改变。这样就基本理论上可以实现完美循迹（只要传感器足够灵敏）。
调PID
调节pid的步骤:
1、调节pwm
2、限幅pwm
3、输出pwm
Leftpwm = Incremental_PI(LeftEncoder, Target_L);//PID得到pwm
Rightpwm = Incremental_PI(RightEncoder, Target_R);
Limit_Pwm();//限幅函数 使pwm限幅 为0~100 //但有正反 所以 -100~100
SetCompare_Pwm(Leftpwm,Rightpwm);//pwm输出函数
1、调节pid，一般pid分为增量式pid和位置式pid,增量式pid一般是PI控制，然后位置式pid一般是PD控制，增量式pid的误差只会与前三次误差有关，所以一般来讲，一次错误的累积不会影响总体的误差判断，所以我选了增量式pid。
/**************************************************************************
函数功能：增量PI控制器
入口参数：编码器测量值，目标速度
返回 值：电机PWM
根据增量式离散PID公式
pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
e(k)代表本次偏差
e(k-1)代表上一次的偏差 以此类推
pwm代表增量输出
在我们的速度控制闭环系统里面，只使用PI控制
pwm+=Kp[e（k）-e(k-1)]+Ki*e(k)
**************************************************************************/
int Incremental_PI (int Encoder,int Target)
{
static float error,Pwm,Last_error,Last_Last_error;
error=Target-Encoder; //计算偏差
Pwm+=Kp*(error-Last_error)+Ki*error + Kd*(error - 2*Last_error + Last_Last_error); //增量式PI控制器
Last_error=error; //保存上一次偏差
Last_Last_error = Last_error; //保存上上次误差
//OLED_ShowSignedNum(1,8,error,5);
return Pwm; //增量输出
}
注：输出的pwm就是编码器下降沿（跳变）的个数，理论上最后的Pwm与Target几乎一致，最后把调制出的pwm输出就是速度。
2、限幅pid，我pwm设的幅度为0-100，在实际测的时候发现在pwm在60以后左右电机偏差就会很大，于是限幅在了0-60。
3、输出pwm
我的编码器个数数的是AB相各一个脉冲，所以编码器的数字会出现负数，具体请看编码器测速。所以输出的会有正负。
//函数功能：输出给PWM寄存器
void SetCompare_Pwm(int Leftpwm,int Rightpwm)//将Leftpwm,Rightpwm输出出去，使舵机和小车电机受到相应控制
{
if (Leftpwm >= 0) //正数 代表正转
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3);
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
PWM_SetCompareLeft(Leftpwm);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
PWM_SetCompareLeft(-Leftpwm); //因为SetCompare要传的是正数 所以 speed加负号
}
if (Rightpwm >= 0) //正数 代表正转
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
PWM_SetCompareRight(Rightpwm);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
PWM_SetCompareRight(-Rightpwm); //因为SetCompare要传的是正数 所以 speed加负号
}
//PWM_SetCompareLeft( Leftpwm);
//PWM_SetCompareRight( Rightpwm);
}
调pid参数
一开始我定时器是500ms定时，调的时候至少20s才能调到想要的速度。
后来试着把定时器调到5ms定时，调好的时候几乎1s不到就能到想要的速度了。
注意：调节时，把速度指定为最大的速度的一半，这样调出的pid值对速度大速度小都有一个较好的调节。我最大的速度为700mm/s，由于偏向竞速，我选择速度为400ms为调节的速度。
1、PID,先调的P,此时其他置0，P是比例系数，影响最大，调节到有一个稳态误差时（一直与想要的速度有一个稳定的差值），P就差不多好了。
2、然后调I,我I的值是从P的值的1/00开始加的，直到达到想要的速度。
3、增量式一般D的影响不是很大，就置的0。
最后自己调的值为（5ms定时时）为
float Kp = 3.2,Ki = 0.1,Kd = 0.0000;
定时不同PID也要调节500ms定时时，调出来的pid值也是不同的，为
//0.68 0.01 //0.0025 0.0001
四、铁丝与硬币的判断
原理
硬币是1角钱硬币，铁丝是0.6mm粗的铁丝，虽然都含铁，但硬币的面积大，在切割磁感线的时候，变化更加明显，原理就是这样。如果用AD模拟量输出的话，会发现经过硬币时确实会有一个较大的变化。
注：由于AD涡流传感器需要一个5v（或者3.3v）的稳定电压来供电，所以千万不能用给电机供电的稳压板上的5v给它供电,因为小车运转的同时，电压会变化，所以需要一个单独的电源模块给它供电。
为保证数字是稳定变化的，所以取了一个20次的平均值，且为了防止电压不稳会导致模拟量阈值不定，用了绝对值变化消除影响。
参考：
float ad ,last_ad;
last_ad = Get_adc_Average(ADC_Channel_0, 20);
while(1)
{
ad =Get_adc_Average(ADC_Channel_0, 20);
OLED_ShowNum(3, 13, My_abs(ad-last_ad), 4);
if (My_abs(ad-last_ad) >80)
{
Buzzer_ON();
delay_ms(300);
Buzzer_OFF();
}
last_ad = ad;
}
还有一个注意事项：
1、我小车用的是铝合金的板子，所以在用模拟量时，要是底盘太低，靠近了涡流传感器上的线圈，也会产生较大的干扰，所以我把小车底盘架高（反过来装了）。
2、电池也不能靠近线圈，否则模拟量输出为0。
3、不能同时装有两个线圈，会分别干扰失去作用。
但是如果小车速度太快的话，也会导致蜂鸣器乱叫（就是模拟量乱跳），我怀疑是铝合金钢板太大了不可忽视，最好还是换成亚克力板
五、如何加快速度
硬件
1、编码器用的是光电编码器比较精确的测量的个数，或许对调节速度可能更精准（调pid参数比较好调）。
2、两片c8t6最小系统板，一块用来循迹，一块用来干其他事，这样循迹的主程序就受干扰。
3、差速的两轮小车比舵机的转向更加灵活，且没有最小转弯半径，支持原地自转。
4、牛眼轮比万向轮的摩擦更小。
软件
有一个不知道算方法的方法：
当你左右两个速度一样时，重心是在小车两轮中间，当左边速度是100，右边速度是300时，重心是在两轮右边偏1/4处，可以根据这个来调速度。
例
void xunji(void)
{
switch (st)
{
case Straight:
{
Target_LV = 300;
Target_RV = 300;
}
break;
case TurnLeft:
{
Target_RV = 300;
Target_LV = 100;
}
break;
case TurnRight:
{
Target_RV = 100;
Target_LV = 300;
}
break;
case RapidLeft:
{
Target_RV = 300;
Target_LV = 0;
}
break;
case RapidRight:
{
Target_RV = 0;
Target_LV = 300;
}
break;
}
还有一个方法可以让主程序的速度变快
int n = 0;
int main(void)
{
while(1)
{
n = (n + 1) % 50;
if (n == 0)
{}
else if (n == 1)
{}
else if (n == 2)
{}
else if (n == 3)
{}
}
}
理论上速度提高到了本来的50倍，本来是每次while都会执行里面四个函数，现在是很快的刷新while,第一次只执行n == 0里的内容，第二次只执行n == 1里的内容，50次循坏只执行4下，而原来每次循环执行4下，所以运行速度提高了本来的50倍。
总结
小车代码详见
链接：https://pan.baidu.com/s/1YpokxuVx42A8Ovzcs4vM8Q?pwd=ey8z
提取码：ey8z
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