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青夏发表于 2018-4-25 10:44:55

巡线问题小议

本帖最后由微笑的rockets 于 2018-5-31 11:18 编辑

今天在群里有老师询问怎样写巡线路口的问题，试着简单的回答了一下。
然后突然想到，可能真的有很多人其实对这个还是有疑问，于是斗胆将自己不成熟的想法发布上来，抛砖引玉，希望大家能批评指正。

问题是由这张图引起的。
如果让机器人知道在第二个路口转弯。
我觉得想要解决这样的问题，首先要分析地图。
于是我把这个地图进行了简化，也就是二值化。把黑色的定义为1，把白色的定义为0，于是有了下图。

那我们就可以进行分析了
想象一下，你现在有一个读数据的设备，读取的数据按队列进入，

读入到010表示在直线上

读入111表示到了横线上

读入010表示又到了直线上

且前面读到111表示过路口，计数加1

直到读到又一个010且前面读到111表示又过了一个路口，计数加1，发现计数现在为2，转弯

于是这个问题应该这样就解决了。

那么扩展开来说，是不是当我们读到了
类似于
010
111
010
这样的一个数组就表示是一个路口呢？
于是，只要和这个数组进行比对，凡是和这个相同的就是路口

如果，我们给定更多的特征数组，进行比对，是不是就可以有更多的方法了。
比如如果读到
000
000
000
那接下来做什么动作？
比如读到
000
100
100
做什么动作？
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
在巡线的过程中还有一个问题，也会经常碰到，那就是到底多少个传感器才够？
我觉得回答这个问题，其实还蛮困难的。
我来试着回答一下吧。
其实根据上面的那个图，我们可以认为最简单的巡线，一个巡线传感器就可以了。只要确保传感器时刻读取到的线是1即可。
非1的时候，我们通过各种方法找到1即可。但在实际操作的过程中个，会发现非常的困难，你非1的时候，到底是左转还是右转？都是非常纠结的问题。
那我们引入另外一个传感器，就变成了两个。这里就出现了4种情况。
11 线上
00 线外
10 偏右
01 偏左
那对应的情况正如上表所列，只要对应给出相应的处理方法就可以了。所以理论上两个也能解决问题，是吗？
但是地图上突然出现了十字交叉路口，路口和路上的情况是一致的，不是吗？
显然两个传感器无法很好的解决这个问题。为什么是无法很好的解决呢？
因为其实如果想象一下，你扫动读取，就可以获得一个区间的数据，但是就需要很多数据的处理，会形成更复杂的问题。
于是我们可以再增加一个传感器。
于是我们获得了一个这样的数据情况表。
000 线外
001 更偏左
010 中线
011 偏左
100 更偏右
101 夹角
110 偏右
111 路口
因此有了这张真值表，我们也清楚的了解到我们车的状况。
所以我们是不是可以大致认为巡线3个就够了呢？我的理解，大致上差不多了。
但是，这里出现了但是，为了能更好的巡线，我们总是倾向用更多的传感器，这是为什么呢？
这里就要说到分辨率的问题，我们将地图抽象成了一张由0和1组成的表格，我们按尺寸来划分，就会发现，当我把一个个的像素编程数字，那点和点之间的距离就非常的关键。
这和我们机器人所安装传感器的位置和距离息息相关。如果我的线只有1cm，我传感器的安装距离就要尽可能的在这个范围内。超过了这个范围，可能得到的数据表就完全和他的行为不一致了。
越多的传感器电位，可以帮助机器更好的进行控制，比如在驱动电机的时候可以引入PID的控制，让运动更准更稳。

前几天和同事在聊天，不知道为什么讨论到了巡线的一些问题，同事指出巡线没有那么的理想化，我的想法是，我们先在理想条件下理清思路，然后再一点点加上限制条件，或者增加辅助功能就可以更好的解决问题。
类似于机器人的外形，传感器的位置，转弯半径等都需要在后面的程序中考虑到。

另外在程序中，我们经常会用到if……else……等方法或者switch等语句来实现以上这种操作。最近看到翁凯老师的一些观点，觉得用在这里特别的合适。
翁凯老师认为，在高级语言端应该将数据或者状态和逻辑进行一个分离。用表的方式来重构之前if……else……，switch……case……等代码。

而我觉得在巡线小车的场景里，这样的操作给整个程序编写带来的好处应该说是非常有价值的。
如果我们将这个逻辑代码和数据分离后，我们的整个的操作，其实就是为不同的状态找到处理的数据。

这么说突然觉得是查找表格的节奏。感觉好像简单了很多的样子。

在人工智能的领域，通过人工智能来进行状态的判断，建立不同的数据处理模式，自动的建立数据和状态的联系，感觉好像找到了新的解法。

以上做了一些关于逻辑层面，数据层面的分析。后期会考虑将实际的搭建和电机控制等思考逐步补充进来。

随手写了一些不成熟的想法，希望能给大家带来一些不同的思路。
如果有任何问题，也欢迎大家批评。

感谢@Angelo 提供了他写的巡线代码。我们后面将以他的代码为基础进一步的改进。
float Kp=0,Ki=0,Kd=0;
float error=0, P=0, I=0, D=0, PID_value=0;
float previous_error=0, previous_I=0;
int sensor={0, 0, 0, 0, 0};
int initial_motor_speed=100;

void read_sensor_values(void);
void calculate_pid(void);
void motor_control(void);

void setup()
{
pinMode(9,OUTPUT); //PWM Pin 1
pinMode(10,OUTPUT); //PWM Pin 2
pinMode(4,OUTPUT); //Left Motor Pin 1
pinMode(5,OUTPUT); //Left Motor Pin 2
pinMode(6,OUTPUT); //Right Motor Pin 1
pinMode(7,OUTPUT);//Right Motor Pin 2
Serial.begin(9600); //Enable Serial Communications
}

void loop()
{
read_sensor_values();
calculate_pid();
motor_control();
}

void read_sensor_values()
{
sensor=digitalRead(A0);
sensor=digitalRead(A1);
sensor=digitalRead(A2);
sensor=digitalRead(A3);
sensor=digitalRead(A4);

if((sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==1))
error=4;
else if((sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==1)&&(sensor==1))
error=3;
else if((sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==1)&&(sensor==0))
error=2;
else if((sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==1)&&(sensor==1)&&(sensor==0))
error=1;
else if((sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==1)&&(sensor==0)&&(sensor==0))
error=0;
else if((sensor==0)&&(sensor==1)&&(sensor==1)&&(sensor==0)&&(sensor==0))
error=-1;
else if((sensor==0)&&(sensor==1)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0))
error=-2;
else if((sensor==1)&&(sensor==1)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0))
error=-3;
else if((sensor==1)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0))
error=-4;
else if((sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0)&&(sensor==0))
if(error==-4) error=-5;
else error=5;

}

void calculate_pid()
{
P = error;
I = I + previous_I;
D = error-previous_error;

PID_value = (Kp*P) + (Ki*I) + (Kd*D);

previous_I=I;
previous_error=error;
}

void motor_control()
{
// Calculating the effective motor speed:
int left_motor_speed = initial_motor_speed-PID_value;
int right_motor_speed = initial_motor_speed+PID_value;

// The motor speed should not exceed the max PWM value
constrain(left_motor_speed,0,255);
constrain(right_motor_speed,0,255);

analogWrite(9,initial_motor_speed-PID_value); //Left Motor Speed
analogWrite(10,initial_motor_speed+PID_value);//Right Motor Speed
//following lines of code are to make the bot move forward
/*The pin numbers and high, low values might be different
depending on your connections */
digitalWrite(4,HIGH);
digitalWrite(5,LOW);
digitalWrite(6,LOW);
digitalWrite(7,HIGH);
}

参考文献：

https://www.zhihu.com/question/37943171/answer/119525120
https://mc.dfrobot.com.cn/forum.p ... =%E5%B7%A1%E7%BA%BF
https://github.com/samvrit/Proje ... ollower/pid/pid.pde

安卓机器人 发表于 2018-4-26 07:58:14

根据这个思路提示，最好的办法就是用小车反复实践验证，5.1来试一试

青出于蓝 发表于 2019-8-24 17:55:26

理论正解，建议传感器数量可以多加几个，更方便解读。

gada888 发表于 2019-8-25 09:25:03

不错的分享

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