查看“Tracker Sensor”的源代码

<div class="tabber">
{{外围模块|colorscheme=blue
|name = Tracker Sensor
|img=[[File:Tracker-Sensor-1.jpg|360px |alt=Tracker Sensor |link=http://{{SERVERNAME}}/shop/Tracker-Sensor.htm | Tracker Sensor]]
|category1=AlphaBot
|category2=光传感器
|category3=传感器
|brand=Waveshare
|feature = 红外循迹传感器
| interface1 =I/Os
}}
<div class="tabbertab" title="说明">

==产品概述==
Tracker Sensor是红外循迹传感器，常用于制作循迹智能小车。<br />
Tracker Sensor采用ITR20001/T红外反射传感器，ITR2001/T传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线被物体反射时，被红外接收器就收，并输出模拟值。输出模拟值和物体距离以及物体颜色有关。通过计算五路输出的模拟值，判断循迹线位置。

==规格==
*工作电压：3.3V ~ 5V
*产品尺寸：78mm × 18mm
*探头间距：16mm
*固定孔尺寸：3mm
*感应距离：1cm ~ 5cm
==主要用途==
智能小车或机器人寻线，避悬崖防跌落等<br />
==小车循迹原理简介==
Tracker Sensor有五路模拟输出，模拟量输出和距离，物体颜色有关。红外反射越强(白色)时，输出越大，红外放射越弱（黑色），输出越小。探测器离黑色线越近输出越小，由此可以通过输出模拟量判断黑线的距离远近。数值越小的传感器离黑线越近。相对于其他只能输出高低电平的轨迹传感器而言，本产品的5路模拟量输出可以反馈黑线的距离，反馈更为准确。<br />
小车算法可以分为3部分：
===第一部分：归一化校准===
相同的颜色，距离，不同的探测器输出会有所不同，而且不同环境输出的模拟量范围也不一样。如果采用10位AD采集。理论上输出范围会在0~1023之间。但是实际上输出最小Min会大于0，最大值Max会比1023小。由此为了减少传感器自身以及环境的影响，作归一化处理，归一化处理实际上就是将Min~Max的数值范围转为 0~1范围线性转换如下：<br />
 y = (x - Min) / (Max - Min)
（其中x为探测器输出值，y为转换后的值，Max、Min分别为输出的最大值和最小值）<br />
为了数据处理方便可以将数据放大1000倍。则
 y = (x - Min) * 1000 / (Max - Min)
转换后数据范围为0~1000.其中1000表示探测器远离黑线，0表示探测器在黑线正中。<br />
其中Min和Max的值是由程序在运行过程中多次采集传感器的值而获得，并保存起来，采集过程中不断移动小车，使得采集到的最大最小值更加接近实际情况。<br />

===第二部分：加权平均===
将五个探测器输出数据通过归一化处理后，得到五个反应探测器离黑线相对距离的数据。为了尽可能准确地确定路线的中心线。通过加权平均的方式将这5个数值转变成一个数值。公式如下：<br />
 y = (0 * value0 + 1000 * value1 + 2000 * value2 + 3000 * value3 +4000 * value4) / (value0 + value1 + value2 + value3 + value4)
其中0, 1000, 2000, 3000, 4000分别为从左到右5个探测器的权，value0~value4为探测器归一化后的数据。<br />
则经过出后的数值范围为0~4000。代表黑线的位置。例如2000则表示黑线在模块的正中间。0表示在黑线在模块的最左侧，4000表示黑线在最右侧。<br />
为了使模块探测的精度更高，对模块的高度和黑线有所要求。黑线应该等于或略小于探测器的距离(16mm)。高度为黑线在两个传感器正中间时，两个传感器都能够刚好探测到为宜。<br />

===第三部分：PID控制===
由第二部分可得到黑线的位置，为了使小车一直沿着黑线走，则必须保证黑线在小车正下方，此时加权平均后的输出应该为2000。为了使小车走的更加平滑，减少左右摇摆。采用位置式PID控制。关于PID算法网上有很多介绍，此处不再详细讲解，只是大概介绍一下。<br />
PID是指通过比例(P)，积分(I)，微分(D)对误差进行反馈调节。主要算法如下：<br />
 proportional = position - 2000;
 derivative = proportional - last_proportional;
 integral += proportional;

 last_proportional = proportional;

 power_difference = proportional * Kp + integral * Ki + derivative * Kd;
其中：<br />
理想情况下，加权平均后的输出数据为2000，即黑线在正中间。<br />
比例项(proportional)为当前的位置(Position)减去目标位置(2000)，表示位置误差，正数表示小车偏右，负数表示小车偏左。<br />
积分项(integral)数据为每次误差的总和，绝对值越大，表示误差累积值越大，表示小车越偏越远了。<br />
微分项(derivative)为当前误差和上次误差的差值，反映小车的响应速度，数值越大，响应速度越快。<br />
调节Kp, Ki, kd三个参数可获得最佳性能。先调节Kp参数，Ki, Kd设为0，不断调整Kp值使得小车可以循线，然后调节Ki和Kd值，参数可以设小一点，或者为0。<br />

==AlphaBot 循迹模块示例程序分析==
下面结合AlphaBot智能小车讲解一下Tracker Sensor循迹程序。这里以Arduino的程序作为示例，Tracker Sensor的库文件主要包含TRSensors.cpp和TRSensors.h两个文件。<br />
TRSensors.cpp主要包含下面这几个函数<br />
 TRSensors();
 void AnalogRead(unsigned int *sensor_values);
 void calibrate();
 void readCalibrated(unsigned int *sensor_values);
 int readLine(unsigned int *sensor_values, unsigned char white_line = 0);
其中TRSensors()为初始化函数，初始化相应的管脚，以及申请内存用作存储各个传感器的Max, Min值。<br />
AnalogRead()函数为读取五路探测器的模拟值，AlphaBot是通过TLC1543 AD芯片进行AD转换，而非Arduino芯片的AD管脚。如果将Tracker Sensor接到Arduino的A0~A4管脚需修改此函数。<br />
calibrate()函数为校准函数，通过多次采集数据，确定Max，Min值。故校准阶段时，小车需在黑线中紧贴地面左右摇晃。确保取得的Max,Min准确。
readCalibrated()函数为归一化校准，对应原理的第一部分，通过归一化线性转换，将数据转为0~1000范围内，其中1000表示探测器远离黑线，0表示探测器在黑线正中。<br />
readLine()函数为读取循迹线的位置，对应原理中的第二部分。通过加权平均算出寻迹线的位置。数值范围为0~4000，0表示在黑线在模块的最左侧，4000表示黑线在最右侧。<br />
原理中第三部分在循迹主程序Infrared_Line_Tracking.ino中实现，主要代码如下。<br />
[[File:Ttacker Sensor-1.png|800px]]<br />
<br />
通过readline()函数读取寻迹线的位置，然后算出比例项proportional，微分项derivative，<br />
此处只用了PD算法，没有积分项，而非PID。可以修改对应的PD参数，使性能更佳。<br />
[[File:Tracker Sensor-2.png|800px]]<br />
最后一步就是通过PD算得的修改项power_difference去调节小车左右轮的PWM值，实现小车沿着寻迹线运动。<br />

==操作与现象==
本节只是介绍模块的简单测试程序，关于AlphaBot使用Tracker Sensor实现循迹的操作以及示例程序可以参考[http://www.waveshare.net/wiki/AlphaBot AlphaBot的相关资料]。<br />
下面，以接入微雪[http://www.waveshare.net/shop/XNUCLEO-F103RB.htm XNUCLEO-F103RB (STM32F103R) ]和 [http://www.waveshare.net/shop/UNO-PLUS.htm Arduino UNO]开发板为例。<br />
①	将配套程序下载到相应的开发板中。<br />
②	将串口线和模块接入开发板，给开发板上电，打开串口调试软件。<br />
模块与开发板连接如下表所示：<br />
{|border=2  style="width:800px"    
|-align="center" 
|+表1.	模块接入STM32开发板      
|- align="center" style="background:#fde"
|端口||XNUCLEO_F103RB引脚
|-align="center"
|IR1~IR5||A0~A4
|-align="center"
|GND||GND
|-align="center"
|VCC||3.3V
|}
<br />
{|border=2  style="width:800px"    
|-align="center" 
|+表2.模块接入Arduino
|- align="center" style="background:#fed"
|端口||Arduino引脚
|-align="center"
|IR1~IR5||A0~A4
|-align="center"
|GND||GND
|-align="center"
|VCC||5V
|}
<br />
串口配置如下表所示：<br />
{|border=2  style="width:800px; background:#eff"
|- align="center"
|+表3. 串口配置
|-align="center"
|style="width:400px"|Baud rate||9600
|-align="center"
|Data bits||8
|-align="center"
|Stop bit||1
|-align="center"
|Parity bit||None
|}
<br />
③串口会显示5串数据，分别对应IR1~IR5传感器。数据随着反射距离的远近而改变。当模块没有遮挡时，输出的大概为几十，当模块接近台面时，输出为八九百左右。<br />
</div>
<div class="tabbertab" title="资料">

===文档===
*[http://{{SERVERNAME}}/w/upload/2/2d/Tracker-Sensor-UserManual.pdf 用户手册]<br>
*[http://{{SERVERNAME}}/w/upload/b/bc/Tracker-Sensor-Schematic.pdf 原理图/尺寸图]<br>

===程序===
*[http://{{SERVERNAME}}/w/upload/4/45/Tracker_Sensor_Demo.7z 示例程序]<br>

===数据手册===
*[http://{{SERVERNAME}}/w/upload/7/78/ITR20001-T.pdf ITR20001-T_EN]<br>

===软件===
*[http://{{SERVERNAME}}/w/upload/5/5f/Sscom.7z 串口调试助手]
<br /><big>批量下载教程——请戳<big><big><big>☛</big></big></big></big>[[File:download-icon.png|link=批量下载教程]]

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