飛思卡爾那些事之離散型光電管路徑識別

資源：
1、紅外光電發(fā)射接收管
2、電壓比較器
3、HCS12的IO口
4、HCS12的ATD模塊
5、HCS12的ECT模塊
原理：
1、紅外發(fā)射管，將紅外線信號發(fā)射出去，當(dāng)遇到遮擋物是，會反射回來。如果當(dāng)部分為黑色時，則不會發(fā)射回來（黑色能吸收光線，紅外線在遇到黑色遮擋物時，被吸收）。接收管在接收到反射的紅外線時，其兩端的電阻發(fā)生變化，從而可以輸出不同的電壓值，最后根據(jù)這些電壓值來識別路徑。
2、電壓比較器能將連續(xù)量轉(zhuǎn)變成開關(guān)量，在大于設(shè)定的閾值時，輸出高電平，小于設(shè)定的閾值時，則輸出低電平。
3、ADC能將模擬量轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以識別的數(shù)字量，可是自己對這些數(shù)字信號進(jìn)行處理，對路徑信息進(jìn)行識別。
方案：
1、離散型路徑識別算法。
將紅外接收管輸出的電壓信號通過電壓比較器進(jìn)行電壓比較，輸出一個開關(guān)量，HCS12的IO讀取電壓比較器輸出的開關(guān)量。安裝若干個光電管排成一排，并且同時讀取信息，當(dāng)與發(fā)射管連接的IO口輸入一個0值時，則判斷黑色軌道在該光電接收管下，通過一定的算法即可求出黑色軌道和小車的偏移角度。
優(yōu)點(diǎn)：簡單易行。
缺點(diǎn)：
a.存在檢測盲區(qū)，即在接收管之間的區(qū)域。
b.道路信息為離散值，通過道路信息經(jīng)過控制算法得到的控制信息為階躍的而非連續(xù)的控制量，這對小車的穩(wěn)定影響。
2、連續(xù)型路徑識別算法。
將紅外接收管輸出的電壓信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，等到數(shù)字量的的電壓信號。通過對這些數(shù)字亮的處理可以得到近似于連續(xù)的道路信息。
優(yōu)點(diǎn)：路徑信息為連續(xù)，路徑信息更加精確。
缺點(diǎn)：
a.數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)較為困難。
b.因?yàn)楣怆娊邮展鼙旧韰?shù)的不同，在同樣條件下，輸出的電壓可能有所不同，這對數(shù)字信號的處理帶來難度。
方案選擇：因?yàn)槭浅醮谓佑|路徑識別算法，為了小車能穩(wěn)定的行駛，于是選擇了較為容易實(shí)現(xiàn)的離散路徑識別算法。
說明：
1、光電接收管為16個，在離前輪Hmm的距離排成一排，同時檢測道路信息，每個光電管之間的距離為15mm。
2、16個光電管分別和HCS12的PORTB口和PORTE口連接。
3、檢測時間間隔為10MS。
車輪和接收管的車子垂直距離為500mm。
4、變量iRoutPlace存放路徑信息。
5、數(shù)組iPLace存放路徑位置。
6、數(shù)組iplaceAngle存放方向角度。
7、位置信息數(shù)據(jù)：
當(dāng)某位紅外接收管檢測到黑線時，則通過比較器，該位輸出為0，未檢測到的則為1。
iPLace[28]={0x7fff,0x3fff,0xbfff,0x9fff,0xdfff,0xcfff,0xefff,
0xf7ff,0xf3ff,0xfbff,0xf9ff,0xfdff,0xfcff,0xfeff,
0xff7f,0xff3f,0xffbf,0xff9f,0xffdf,0xffcf,0xffef,
0xfff7,0xfff3,0xfffb,0xfff9,0xfffd,0xfffc,0xfffe}
8、位置與偏移角的關(guān)系。
通過C程序計算出來。程序如下：
#include
#include
void main()
{
int i;
long double h,n;
n=0.0;
h=500.0;
for(i=0;i<16;i++)
{
printf("%d--%lf--",i,atan((15.0*n)/h));
printf("%lfn",((atan((15.0*n)/h))*180.0)/3.14);
n++;
}
}
運(yùn)行結(jié)果：
位置-弧度角--角度
0--0.000000--0.000000
1--0.029991--1.719230
2--0.059928--3.435372
3--0.089758--5.145373
4--0.119429--6.846244
5--0.148890--8.535093
6--0.178093--10.209149
7--0.206992--11.865795
8--0.235545--13.502579
9--0.263712--15.117239
10--0.291457--16.707714
11--0.318748--18.272153
12--0.345556--19.808919
13--0.371856--21.316590
14--0.397628--22.793961
15--0.422854--24.240034
通過上表可以近似為，每偏移一個位置，角度增加1°。
9、角度信息：
iplaceAngle[]={-13,-12,-11,-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,5,5,6,7,8,9,10,11,12,13}

CODE:
#include
#include
#pragma LINK_INFO DERIVATIVE "mc9s12xs128"
//===========================================================//
//光電管離散路徑識別算法
//PORTB和PORTE接電壓比較器的輸出端
//16位模數(shù)遞減計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)
//author: Yangtze
//time:2009/4/19/15:15:45
//===========================================================//
#define iSampling 10//路徑采樣時間設(shè)置
int iRoutPlace; //路徑位置臨時變量
int Angle; //角度
int iPLace[28]={0x7fff,0x3fff,0xbfff,0x9fff,0xdfff,0xcfff,0xefff, //路徑位置數(shù)組
0xf7ff,0xf3ff,0xfbff,0xf9ff,0xfdff,0xfcff,0xfeff,
0xff7f,0xff3f,0xffbf,0xff9f,0xffdf,0xffcf,0xffef,
0xfff7,0xfff3,0xfffb,0xfff9,0xfffd,0xfffc,0xfffe};

int iplaceAngle[]={-13,-12,-11,-10,-9,-8,//軌道偏移角度
-7,-6,-5,-4,-3,-2,
-1,0,1,2,3,5,5,6,
7,8,9,10,11,12,13};
void Init_MDC(void)
{
MCCTL=0xDF;//設(shè)定模數(shù)計數(shù)器工作方式，中斷使能，計數(shù)器使能
//分頻系數(shù)為16
MCCNT=1000;//定時器賦初值 (1/16M)*16*1000= 1ms
}
void pllclk(void) //16MHz
{
SYNR=0x01;//PLLCLK =2*OSCCLK*(SYNR + 1)/(REFDV + 1)
REFDV=0x01;
CLKSEL=0x80;//選定PLL時鐘
}
void IO_Init()//PORTB和PORTE設(shè)置為輸入口
{
DDRB=0X00;
DDRE=0X00;
}
void main(void)
{
pllclk();
Init_PT0_ICapture();
IO_Init();
EnableInterrupts;
for(;;) {}
}
#pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NON_BANKED
void interrupt 26 MDC_ISR(void)
{
static unsigned int count=0;
count++;
if(count==iSampling)//100MS讀取一次
{
iRoutPlace=PORTB; //將IO口讀取到的信息存入變量iRoutPlace中，B口在高8為，E口在底8位
iRoutPlace=iRoutPlace<<8;
iRoutPlace|=PORTE;

for(i=0;i<28;i++)//通過循環(huán)比較，取得黑色軌道與中軸的偏移角度
{
if(iPLace==iRoutPlace)
{
Angle=iplaceAngle;
}
}
}
MCFLG = 0x80;//清中斷標(biāo)志位
}

后記：
該程序僅僅為黑色軌道的路徑識別程序，通過紅外接收管檢測黑色路徑，然后，輸出位置偏移的角度，并沒有控制程序。不過如果得到了偏移角度，控制程序就很好處理了。直接將角度和相應(yīng)的PWM占空比進(jìn)行比較，輸出對應(yīng)角度的占空比，以控制舵機(jī)。
如果加上舵機(jī)控制程序，就能形成了以個開環(huán)的自控控制系統(tǒng)，控制算法為模糊控制算法。很多人都說模糊控制算法很難理解，很不好用，可是從這個程序上看來，模糊控制算法還是挺簡單的.只要根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計一些控制量的表格，通過檢測到路徑信息然后和控制量的表格進(jìn)行對比，輸出對應(yīng)的控制量。這就是模糊控制算法的思路。當(dāng)然這也僅僅只是模糊控制算法的一點(diǎn)思路，有很多不足。
以上程序僅僅只是一個前期的使用版本，還有很多缺陷有待改進(jìn)。缺陷如下：
1、沒有發(fā)射管的驅(qū)動程序，默認(rèn)為發(fā)射管一直在發(fā)射。這樣的結(jié)果紅外接收管在檢測信息的時候，會受到很大的干擾，而且功耗很大，對整個系統(tǒng)的電流供應(yīng)和功率輸出有很大影響。
改進(jìn)方法：在用從一定方向逐個啟動的方式進(jìn)行檢測。假如有4對紅外發(fā)射接收管ABCD。先將D管的發(fā)射管開啟，ABC發(fā)射管均關(guān)閉，讀取D接收管的信息。然后在開去C發(fā)射管，關(guān)閉ABD發(fā)射管，讀取C接收管的信息。依次讀取每一個接收管的信息。以ns級的速度讀取，可以近似的認(rèn)為接收管是同時讀取信息的。
2、沒有進(jìn)行濾波處理。在讀取道路信息的時候，可能會受到多方面的干擾，為了取得更加接近真實(shí)值的信息，有必要進(jìn)行濾波處理，將干擾噪聲剔除。
改進(jìn)方法：在用多次讀取，取平均值的方法可以在一定程度上減小噪聲干擾。
3、位置處理和角度輸出的時候沒有按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚热缯f，在偏移角度很小的時候，可以近似的認(rèn)為是在直線上行駛，直接輸出0°角，讓小車能快速的行駛。
4、上述程序中的采樣周期是隨意設(shè)定的，沒有科學(xué)依據(jù)，在設(shè)定采樣周期的時候，一定要通過計算出最優(yōu)的周期，這樣才能保證小車行駛的穩(wěn)定性和前瞻性。
暫時找到這么多缺陷，更多的缺陷以及改進(jìn)還得在實(shí)際運(yùn)用中去發(fā)現(xiàn)，去尋求解決的方法。
完成這個程序，讓我也學(xué)到了很多。現(xiàn)總結(jié)如下：
1、重視源代碼的保存。C語言具有很強(qiáng)的移植性，在不同的平臺上尚且能進(jìn)行移植，在同一個平臺上就更容易移植了。我上邊寫的這寫程序，其實(shí)很大部分都是之前ECT_SPEED程序里邊寫過，而我這次在編寫程序的時候，根本不用重新編寫，直接調(diào)用ECT_SPEED里邊的程序就可以完成任務(wù)。
我這個程序調(diào)用ECT_SPEED文件里的函數(shù)有：Init_MDC()， pllclk()，如果在大型的軟件開發(fā)項(xiàng)目中，這樣將會大大縮短程序的開發(fā)周期，降低程序的開發(fā)成本。
2、重視程序說明文檔的編寫。這幾天的編程練習(xí)中，在編程之前，認(rèn)真思考，將整個程序的算法，流程都考慮清楚之后，然后將其通過說明文檔的形式寫出來。這樣的好處是，使我在程序的編寫的過程中，能一氣呵成，不再像以前那樣，一個稍微大一點(diǎn)的程序編寫下來，還沒編寫完畢，就已經(jīng)原來的思路忘記了。他的另一個好處就是方便以后閱讀程序。
3、編寫程序的時候，一定要多想，而且從不同的角度去尋找解決問題的方法。在編寫這個程序之前，在我的意識當(dāng)中，是知道用一排紅外檢測管是可以檢測出黑色軌道的，可是在處理軌道位置的時候，一直都不知道怎么處理，怎么才能讓單片機(jī)知道黑線在那個地方。想了好久，才從角度的這個方向去理解，最終找到了位置處理的方法。
4、一定要重視循環(huán)，盡可能多的使用循環(huán)。在上述程序的對比中，我第一感覺是用switch語句進(jìn)行比較，當(dāng)輸入和whitch中的某一個case吻合時，執(zhí)行相應(yīng)的語句。可是在這樣的情況下，得寫28個case語句，并寫與之對應(yīng)輸出語句。這樣會大大增加程序的體積，這在單片機(jī)內(nèi)存空間很少的情況下，造成的錯誤是致命的。
為了節(jié)省存儲空間，就開始尋求其他方法來解決這個問題。這樣我想到了冒泡程序中逐次對比的方法。我這個程序的問題也可以用多次個循環(huán)來實(shí)現(xiàn)次比較啊，如果比較結(jié)果為真，則執(zhí)行相應(yīng)的語句。
于是就得到了這個比較程序：
for(i=0;i<28;i++)//通過循環(huán)比較，取得黑色軌道與中軸的偏移角度
{
if(iPLace==iRoutPlace)
{
Angle=iplaceAngle;
}
}