圆梦小车4_教小车“走路”

圆梦小车 StepbyStep 之四 www.embedream.com 第 1 页 共 6 页 圆梦小车 Step by Step 之四 —— 教小车“走路” 前一篇讲述了如何使小车“抬腿”，本篇该教小车“走路”了！ 人学走路的第一步是“站立”，而圆梦小车有三条“腿”，这个问就不存在了，但是要 想走好还是需要“学习”的。 我们都知道，如果将人的眼睛蒙起来，他很难走直线，因为人的两条腿不尽相同，略有 长短和粗细，导致步幅不同，要靠眼睛来纠正这个偏差，这也是人们常在雪地和森林中迷路 的原因，雪地和森林无法提供给眼睛可靠的参照系。 小车的两条“腿”也有同样的问题，即使是优质直流电机（步进电机可以）也难以做到 驱动特性相同，更何况我们所用的是最便宜的玩具电机！ 那圆梦小车的“眼睛”是什么呢？ 一、 小车的“眼睛” 能起此作用的“眼睛”最常见的是陀螺仪、电子罗盘，还有图像识别，可这些设备一是 较贵，二是对于初学者而言较难使用，且如果目的是学习而非竞赛的话，就有些不值了。 为了能起到“眼睛”的这个功能，小车了一个简易的码盘，用它来监测“腿”的行 走，在一定程度上也能满足要求，当然，要受到诸多因素制约，如地面不平整、车轮直径差 异。车轮的不统一还可加以弥补，因为不可能在短时间内把轮子磨小了。地面不平就有些麻 烦了，所以这里所讨论的只是针对在较平整的地面上走直线。 本篇就是探讨这个“眼睛”如何帮助小车走好直线，至于那些高档的“眼睛”，也许在 后面文章中会有所涉及。 圆梦小车 StepbyStep 之四 www.embedream.com 第 2 页 共 6 页 首先一下这个“眼睛”的组成。 它是由轮毂上的 50 齿码盘、遮断式光电采样器、采样电路组成，采样电路将光电信号 转换为脉冲后输入到MCU，MCU通过中断方式获取。 码盘、光电采样器的作用较直观，这里不作讨论，只分析一下采样电路： 上图为一路采样电路，其作用是构成一个“施密特触发器”，用较大的回差消除慢速变 化的光电信号在过门槛电压时产生的误信号（此部分原理请参阅运放教材中的“滞回比较器” 部分）。 从图中可以看出： 信号从低到高的比较电平为： （（R5//R7）/(R6 + R5//R7) ) * 5V 信号从高到低的比较电平为： （（R5/（R5 + R6//R7）） * 5V （R5//R7 表示两个电阻并联） 读者可以分析一下是否如此，并计算出实际的比较电平。 为何需要这个采样电路？原因如下： 第一、这样可以改善输入到MCU的信号沿，使中断可靠。 第二，车轮在停止时，光电采样器有可能处于齿的边沿，使得光电信号正好处于门槛电 平上，如果没有上述回差处理，将会不断地发出错误信号，使得程序控制失效。 圆梦小车 StepbyStep 之四 www.embedream.com 第 3 页 共 6 页 至此，码盘采样的物理信号处理已完成，下面讨论其逻辑部分。 将上述脉冲信号引入 MCU 的外部中断口是最常见的选择，可是 51 单片机的外部中断 只能监测一个方向的跳变，也就是脉冲的下降沿。但为了提高码盘的分辨率，此处希望能够 实现上升、下降沿都能采到，从而使码盘的分辨率提升为 100 脉冲/圈。 正好 STC12LE5412AD的 PCA模块支持脉冲的正、负沿捕获功能： 利用这个功能，即可实现脉冲输入上升、下降沿均产生中断，所以将 PCA的通道 0、1 用于码盘采样，将它们设置为正、负沿捕获模式，允许中断，忽略其捕获的时间值，只需要 其产生的中断信号。 根据对中断信号的计数即可知道车轮的转动情况，即掌握了小车的“步幅”，从而可以 据此控制小车走直线。 圆梦小车 StepbyStep 之四 www.embedream.com 第 4 页 共 6 页 二、 如何实现走“直线” 控制的基本逻辑是根据小车左、右轮码盘计数的差值来调整相应电机的 PWM值，以达 到使两个码盘的计数值相同的目的。 最初级的方式是：启动时将左、右码盘计数值清“0”，两个电机提供同样的 PWM控制 值（PWM基值），当出现两者计数不同时，将快的那一侧电机置为惰行。恢复相同后，再置 挥 PWM基值。 这种模式形象的描述就像人的两条腿走路，左、右不断交替前进，只是转换速度很快， 步幅很小，所以看上去像是连续直行。 按这个逻辑设计的小车程序见附件。 为了避免调试时小车掉下桌子或撞墙，增加了行走距离控制，即设定行走脉冲定值，因 为现在做的是直线行走，所以只需控制一个轮子 —— 选择左轮，当左轮码盘计数达到定值 时使小车停止。 三、PC机侧程序的相应改进 为配合直线行走调试，PC机的程序增加了直线行走控制，扩充了一个命令： 小车直线行走命令 命令字 —— 0x04 数据域 —— 行走距离（2字节）PWM 基准值（2字节，先低后高） 其中行走距离为左侧车轮的脉冲计数值，按目前的几何尺寸，最大值 65535 应该可以 走 655 圈，约合 86 m。为“0" 时连续行走。 返回数据帧： 帧头 发送方地址 自己的地址 帧长 命令 校验和 圆梦小车 StepbyStep 之四 www.embedream.com 第 5 页 共 6 页 同时，为了便于检测小车中程序运行的状况，将读内存的部分作了改进。 首先，将数据地址改为 HEX（16 进制）输入，因为在 M51 文件中所得到的变量地址 均为 16 进制值，要通过手工转换为 10 进制，太麻烦。（注意：读不同区域的地址参见第二 篇的定义，地址最多输入 4 位） 其次，增加了读数据的类型选择，开始做 PC机读内存程序时为了简化，只做了读一字 节的功能，但是正常使用时，要读一个整形就极其不便了，为此，添加了数据类型选择，在 读时可根据数据类型确定读 1、2 或 4 个字节，显示时也根据数据类型确定是否显示符号。 这样我想读者可以体会一下，是否方便？（小车程序中的码盘计数器就是无符号整形，调试 时需要检查此变量，所以才做此修改。读者可以利用这个功能检查码盘是否可靠采样，通过 手工转动车轮，读取对应的码盘计数变量，看是否符合你所期望的？） 修改后的 PC机界面如下： 随着你的需求增加，会不断促使你学习VC的功能，逐步使你掌握VC编程，无疑会对 你的工作、学习带来极大的好处，PC机也将物尽其用。 圆梦小车 StepbyStep 之四 www.embedream.com 第 6 页 共 6 页 四、结语 本篇的主要目的是介绍如何使用码盘采样信号，以控制小车走直线为载体，所以只采用 了最简单的控制逻辑，有诸多不完善之处。 如何改进控制性能留待日后作为算法部分的讨论主题，用这种简单的控制是无法满足复 杂要求的，如让小车走半径一定的圆弧。读者如有兴趣，可自己先尝试一下，可能需要速度 测量及 PID 速度控制了。 下一篇将讨论小车的另一只“眼睛”—— 轨迹采样传感器，看它如何帮助小车“走好”。 附件： 1、增加了电机控制的单片机程序 2、增加了电机控制的 PC机程序 3、小车走直线视频片断 参考资料： 1、《电动机的单片机控制》ISBN 7 – 81077 – 175 – 2 2、STC12C5410AD数据手册