基于ad采樣的機(jī)器人巡線定位技術(shù)

基于ad采樣的機(jī)器人巡線定位技術(shù)

近年來(lái)，在abu機(jī)器人比賽中，各隊(duì)的跟蹤技術(shù)都取得了迅速的進(jìn)步。包括顏色傳感器、光學(xué)傳感器、陀螺儀、數(shù)字硬盤等傳感器先后進(jìn)入比賽，展示他們的武術(shù)位置。其中,光電傳感器一直受到很多參賽隊(duì)的器重,尤其是在2009年的比賽中,涌現(xiàn)了很多基于光電傳感器的定位方案,特別是西安交通大學(xué)代表隊(duì)的三角形布局方案和華中科技大學(xué)代表隊(duì)的四方形布局方案,給我們留下了深刻的印象。但是,很多代表隊(duì)對(duì)光電傳感器的信號(hào)處理還是基于“0”和“1”的二值數(shù)字信號(hào)處理方式。這種方式雖然簡(jiǎn)單方便,但是各個(gè)傳感器的電氣參數(shù)并非完全一致,而且受場(chǎng)地的顏色、光照等因素影響很大。下面介紹南昌大學(xué)機(jī)器人隊(duì)采用的ADC采樣信息處理方式。1傳感器測(cè)試和測(cè)量數(shù)據(jù)處理如圖1所示,控制系統(tǒng)由上、下位機(jī)組成,下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和控制量執(zhí)行,上位機(jī)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與分析、系統(tǒng)管理與決策、控制算法的執(zhí)行和控制信息的生成與發(fā)送。在比賽場(chǎng)地中,寬30mm的白線鋪設(shè)在綠色場(chǎng)地表面上。綠色和白色材料對(duì)光的反射強(qiáng)度不一樣,在入射光相同的條件下,通過(guò)測(cè)出反射光強(qiáng),就能分辨出白線。選擇一種顏色(如白色)的高亮度發(fā)光二極管作為光源,反射光靠光敏三極管接收并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。光敏三極管的型號(hào)是ST-1KLB,有基極,其接收到的光越強(qiáng),產(chǎn)生的電流越大,通過(guò)串接一個(gè)電阻,就可以把這個(gè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓,再通過(guò)ADC采樣,就能把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這樣,所得到的傳感器的數(shù)據(jù)就不再是簡(jiǎn)單的“0-1”信號(hào),而是一個(gè)能反映實(shí)際反射光強(qiáng)的數(shù)值。圖1中的采樣數(shù)據(jù)處理、驗(yàn)證和巡線調(diào)整算法都是跟傳感器的布局息息相關(guān)的。經(jīng)過(guò)多次論證,我們選擇了簡(jiǎn)單的“一”字型布局,把16個(gè)接收管(以下簡(jiǎn)稱采樣通道)排成一排,與相關(guān)處理電路一起布局在一塊電路板(以下簡(jiǎn)稱燈板)上,通過(guò)ADC采樣部件和多路模擬開關(guān)就能得到16個(gè)采樣點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)。2白線的下位機(jī)程序由于燈板返回的是AD值,所以只要對(duì)燈板的各路采樣通道進(jìn)行AD采樣,比較它們之間的差別,就可以檢測(cè)白線的位置,從而機(jī)器人就能識(shí)別自己相對(duì)于白線的偏離程度。我們的燈板共有16個(gè)巡線檢測(cè)通道,編號(hào)為0～15,處理過(guò)程如圖2,在燈板下位機(jī)的死循環(huán)中,首先執(zhí)行燈板掃描操作,記錄下各個(gè)通道的采樣值;然后對(duì)這些采樣值自左向右掃描,找出第一個(gè)滿足下面條件的通道p,再自右向左掃描,找出第一個(gè)滿足下面條件的通道,式2-1和2-2的實(shí)質(zhì)是找出第一次出現(xiàn)的AD值突出(也即在白線上)的通道,其中的容差接受上位機(jī)的設(shè)置。這樣,我們約定白線的位置就是燈板下位機(jī)程序流程圖所示。下位機(jī)計(jì)算得到的白線位置值的范圍為0～30,當(dāng)其等于15時(shí)表明白線處在機(jī)器人中間位置,機(jī)器人與白線之間沒有發(fā)生偏離;當(dāng)其大于15時(shí)表示左偏;當(dāng)其小于15時(shí)表示右偏。位置值離15越遠(yuǎn)(即兩者差值的絕對(duì)值越大),則表明機(jī)器人偏移的幅度越大,通過(guò)這個(gè)值就可以識(shí)別機(jī)器人當(dāng)前偏離白線的狀況。這樣,通過(guò)采樣通道間的比較,我們可以有效解決在場(chǎng)地環(huán)境改變時(shí)帶來(lái)的采樣值基準(zhǔn)浮動(dòng)的問(wèn)題,從而可以很好地適應(yīng)場(chǎng)地環(huán)境的變化。3機(jī)器人丟失時(shí)的滑動(dòng)度檢驗(yàn)為了處理上的方便,在上位機(jī)中,我們把白線偏離值轉(zhuǎn)換成有符號(hào)數(shù),并減去15。這樣,原來(lái)0～30的偏離值范圍變成了-15～15,0表示無(wú)偏離,大于0表示左偏,小于0表示右偏,絕對(duì)值越大表示偏離的程度越大。由于燈板下位機(jī)得到的白線偏離值會(huì)存在一定程度的不穩(wěn)定性,尤其是在整個(gè)燈板偏離白線(即機(jī)器人丟線)時(shí),根據(jù)上面算法我們知道燈板下位機(jī)此時(shí)返回的白線偏離值與無(wú)偏離時(shí)是一樣的,都是0。這種情況下機(jī)器人就會(huì)產(chǎn)生誤判,在丟線之后誤以為處于無(wú)偏狀態(tài),進(jìn)而就會(huì)作出錯(cuò)誤的決策。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們汲取計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的滑動(dòng)窗口處理方法,用一個(gè)可滑動(dòng)的窗口來(lái)驗(yàn)證白線偏離值。我們約定白線偏離值用dir表示,上一次的偏離值用priDir表示,滑動(dòng)窗口以priDir為基準(zhǔn),大小可以設(shè)置,驗(yàn)證過(guò)程如圖3所示。圖3(a)中,初始時(shí)窗口的基準(zhǔn)priDir和dir都置為0,系統(tǒng)對(duì)下一次檢測(cè)到的dir進(jìn)行驗(yàn)證,有兩種情況:(1)如果dir落于窗口內(nèi),說(shuō)明dir有效,滑動(dòng)窗口的基準(zhǔn)更新為dir,實(shí)現(xiàn)窗口滑動(dòng),如圖3(b)所示;(2)如果dir落于窗口外,說(shuō)明dir無(wú)效,滑動(dòng)窗口不移動(dòng),并對(duì)dir賦值為priDir,如圖3(c)所示?？梢钥闯?這種方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)窗口來(lái)驗(yàn)證dir的跳變是否有效,如果窗口的大小設(shè)置得當(dāng),就可以有效解決機(jī)器人在丟線時(shí)出現(xiàn)的誤判問(wèn)題。4基于dir的運(yùn)動(dòng)方程巡線調(diào)整模型可以有很多種,最簡(jiǎn)單的就是采用線性調(diào)整法,也就是說(shuō)調(diào)整量的大小與dir的大小成正比關(guān)系,根據(jù)預(yù)定的最大調(diào)整量和最小調(diào)整量以及dir的0～15范圍,我們就可以算出比例系數(shù)K。調(diào)整量但是,線性調(diào)整法并沒有反應(yīng)真實(shí)的情況,因?yàn)樵跈C(jī)器人偏移幅度較小,即dir的絕對(duì)值較小時(shí),需要的調(diào)整量較小;當(dāng)dir絕對(duì)值逐漸增大時(shí),調(diào)整量應(yīng)迅速增大,才能使機(jī)器人作出迅速的調(diào)整動(dòng)作;當(dāng)dir的絕對(duì)值趨于15時(shí),調(diào)整量也趨于一個(gè)預(yù)定的上限值。顯然,這是一個(gè)“S”型增長(zhǎng)曲線,符合經(jīng)典的Logistic模型,其表達(dá)式如下:由式(4-3)可知,只需要設(shè)定好最大、最小調(diào)整量和一個(gè)固有增長(zhǎng)率r(0～1),就能得到一個(gè)調(diào)整量變化模型。修改模型十分簡(jiǎn)單。假設(shè)最大調(diào)整量AΔmax為200,最小調(diào)整量AΔmin為3(這里不能為0,否則模型中就會(huì)出現(xiàn)除0錯(cuò)誤),固有增長(zhǎng)率r從0.1～0.9共取9個(gè)值,得到的模型效果如圖4所示。我們根據(jù)這些效果曲線,就可以選擇合適的調(diào)整量變化模型。5設(shè)置了大量的自適應(yīng)調(diào)試工具,在比賽過(guò)程中也可能出現(xiàn)一些不明顯利用本文所述處理方法能比較有效地解決光電傳感器的穩(wěn)定性、場(chǎng)地自適應(yīng)性差的問(wèn)題,而且通過(guò)修改上面提到的容差、滑動(dòng)窗口大小、調(diào)整量上限和固有增長(zhǎng)率,我們可以方便快捷地進(jìn)行機(jī)器人的調(diào)試工作,尤其利于在機(jī)器人走場(chǎng)時(shí)快速修正這些參數(shù)。當(dāng)然,上述設(shè)計(jì)方案也存在一些問(wèn)題,比如發(fā)光二極管的顏色選擇失策,燈板的布局過(guò)于單調(diào)等等,再加上我們采用速度開環(huán)控制和無(wú)刷電機(jī)作為行走驅(qū)動(dòng),調(diào)試和比賽過(guò)程中機(jī)器人均容易出現(xiàn)問(wèn)題。機(jī)器人是