第 8 章：循迹探头与自动驾驶

本章是本册中最经典的部分。

8.1 轨道搭设：黑色电工胶布铺轨

循迹（自动驾驶）的第一步是铺设轨道。D3 的轨道无需专用器材：用常见的黑色电工胶布（绝缘胶布）粘贴在浅色地板上即可制成——黑色胶带与浅色地面形成的强烈反差，正是循迹探头识别黑线的依据。

• 材料：黑色电工胶布（宽约 18 mm）一卷，浅色、平整的地板或 KT 板；

• 粘贴：边拉边贴、压实抹平，避免气泡与翘边（翘边会导致探头读数跳变）；

• 弯道：所有转弯处用圆弧过渡，弯道半径不小于 20 cm，不要出现直角弯或锐角弯；

• 规模：建议先铺设 1.5~3 m 的环形闭合轨道（圆角矩形或椭圆形），跑通后再增加岔路、十字等复杂元素；

• 环境：避开阳光直射与强反光地面；地面本身偏深时，需垫浅色背景板。

铺轨要点：

说明：闭环轨道最适合入门——小车可以持续绕圈行驶，便于反复观察与调试。调试通过后，可在轨道末端放置蜡烛，衔接第 10 章的综合任务，优秀的自动循迹算法的轨道不用铺的像示意图那样规整。

用黑色电工胶布在浅色地板上贴出任意轨迹，让小车沿轨迹行驶且不偏离轨道。

8.2 模块原理：四路循迹探头

循迹探头（⑪）安装于车头底部，向下发射红外光并接收反射光。黑色表面吸收红外光、探头收不到回波，白色表面反射红外光、探头能收到回波，模块据此输出数字信号：**压黑线（收不到回波）输出 0，对应指示灯点亮；位于白色区域（收到回波）输出 1，指示灯熄灭。**四个探头横向排列，根据哪些探头位于黑线上方，即可判断黑线相对于车身的位置。

重要提示：四个探头从左至右的物理顺序为 X2、X1、X3、X4（即 2134），并非 1234。循迹程序效果不符合预期时，多数情况并非算法或代码错误，而是探头编号识别错误。编程前务必按 8.3 节的方法实测确认。

探头编号	Pico 管脚	物理位置（从左至右）
X2	GP11	第 1 个（最左）
X1	GP10	第 2 个
X3	GP12	第 3 个
X4	GP13	第 4 个（最右）

8.3 代码实现第一步：读取四个探头

循环读取 GP10~GP13 四个管脚的数值并显示。将小车分别置于"探头压黑线"与"探头位于白色区域"两种状态，观察读数与指示灯的对应关系：压黑线的探头读数为 0、指示灯点亮；位于白色区域的探头读数为 1、指示灯熄灭。同时验证 8.2 表格中的物理顺序，确认实际小车的编号排列与表格一致。

# 四个循迹探头：压黑线输出 0（指示灯亮），白色区域输出 1（指示灯灭）
# 接管脚：S1→GP10（X1）、S2→GP11（X2）、S3→GP12（X3）、S4→GP13（X4）
# 注意物理顺序：从左至右是 S2、S1、S3、S4（即 X2、X1、X3、X4），不是 1234！
GP10 = Pin(10, Pin.IN)
GP11 = Pin(11, Pin.IN)
GP12 = Pin(12, Pin.IN)
GP13 = Pin(13, Pin.IN)

while True:
    # 循环读取四个管脚并存入变量 S1~S4，再合并打印出来
    S1 = GP10.value()
    S2 = GP11.value()
    S3 = GP12.value()
    S4 = GP13.value()
    # （截图打印的最后一个变量是笔误，应为 S4，代码按 S4 写）
    print("左→右：", S1, S2, S3, S4)

// 四个循迹探头：压黑线输出 0（指示灯亮），白色区域输出 1（指示灯灭）
// 接管脚：S1→GP10（X1）、S2→GP11（X2）、S3→GP12（X3）、S4→GP13（X4）
// 注意物理顺序：从左至右是 S2、S1、S3、S4（即 X2、X1、X3、X4），不是 1234！
const int GP10 = 10;
const int GP11 = 11;
const int GP12 = 12;
const int GP13 = 13;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(GP10, INPUT);
  pinMode(GP11, INPUT);
  pinMode(GP12, INPUT);
  pinMode(GP13, INPUT);
}

void loop() {
  // 循环读取四个管脚并存入变量 S1~S4，再合并打印出来
  int S1 = digitalRead(GP10);
  int S2 = digitalRead(GP11);
  int S3 = digitalRead(GP12);
  int S4 = digitalRead(GP13);
  // （截图打印的最后一个变量是笔误，应为 S4，代码按 S4 写）
  Serial.print("左→右：");
  Serial.print(S1); Serial.print(" ");
  Serial.print(S2); Serial.print(" ");
  Serial.print(S3); Serial.print(" ");
  Serial.println(S4);
}

8.4 循迹（自动驾驶）策略

循迹的基本逻辑为：**黑线偏向哪一侧，车身即向该侧修正。**探头组合与修正动作的对应关系如下（压黑线 = 读数 0，不压线 = 读数 1）：

压黑线（读数 0）的探头	黑线位置判断	修正动作
X1、X3 同时压线	黑线位于车身正下方（居中）	前进
仅 X1 压线	黑线微偏左	向左微调：左轮稍减速 / 右轮稍加速
仅 X2 压线	黑线大偏左	向左大转：左轮大减速 / 右轮大加速
仅 X3 压线	黑线微偏右	向右微调：左轮稍加速 / 右轮稍减速
仅 X4 压线	黑线大偏右	向右大转：左轮大加速 / 右轮大减速
四个均为 1（全部脱线）	丢失黑线	继续上次转向，利用惯性找回黑线

8.5 代码实现第二步：完整循迹（自动驾驶）程序

程序结构：循环执行「读取四个探头 → 按 8.4 表格判定动作 → 执行修正」。

8.5.1 循迹算法详解

同电压下两电机转速不可能绝对一致，地板也非绝对平整。若只要探头偏线就大幅转向，车身会剧烈摆尾；若修正力度不分路况，弯道又容易丢线。

解决思路：不自己算轮速，而是复用第 4 章的差速转弯函数 turn1()——转向量既是方向也是力度：负值向左修、正值向右修，绝对值越大转得越急。程序用两个变量把"方向"和"力度"分开算，最后相乘交给 turn1(e * n)：

• 方向 e：由中间两个探头 S1、S3 决定。压黑线读 0、不压线读 1，因此 e = S1 - S3——仅 S1 压线（黑线偏左）时 e = -1，向左修；仅 S3 压线（黑线偏右）时 e = 1，向右修；S1、S3 同时压线（居中）时 e = 0，直行。左负右正，一目了然。

• 力度 n：由外侧两个探头 S2、S4 判断偏离的严重程度。S2 或 S4 压线，说明黑线已经跑到最外侧探头底下、车身严重偏离，n 置为 1，用最大力度回轨；外侧没压线而中间有探头压线，说明只是轻微偏离，n 置为 0.25，即最大拐弯力度的四分之一，轻轻带一把即可。

• 脱线处理：若 S1、S3 同时为 1（中间探头都没压到线），说明黑线已脱出中间视野——此刻若按 e = S1 - S3 计算会得到 0，小车直行、彻底丢线。因此这种情况下不重新计算，直接继承脱线前上一瞬间的方向：e = last_e，遵循左负右正——刚才在向左拐就继续向左拐，刚才在向右拐就继续向右拐，靠惯性把黑线找回来。

程序每轮循环依次做三件事：

1. 读取四路探头状态，存入变量 S1~S4；

2. 按上面三条规则算出 e 和 n，并记录 last_e = e；

3. 调用第 4 章 turn1(e * n) 执行修正。

turn1() 内部 sp = 150、p = 80：e * n = 0 时左右轮均为 150，直行；e * n = ±0.25 时两侧轮速 170 / 130，差速 40，车身微微调整；e * n = ±1 时两侧轮速 230 / 70，差速 160，快速回轨。

如此，直线段行驶平顺不摆尾，入弯时又能及时大力修正，脱线时还会沿着原来的方向把线找回来。

8.5.1.1 可指定鸣笛次数的蜂鸣器函数

编写循迹代码前，先定义一个可指定鸣笛次数的蜂鸣器函数，方便后续调试调用。以蜂鸣器声响标识程序状态，是实用的调试技巧。

8.5.1.2 完整循迹程序

# 蜂鸣器提示音函数（蜂鸣器接 GP14）：鸣 n 声
buzzer = Pin(14, Pin.OUT)

def beep(n):
    # 重复 n 次：高电平响 0.2 秒 → 低电平停 0.2 秒
    for _ in range(n):
        buzzer.value(1)
        time.sleep(0.2)
        buzzer.value(0)
        time.sleep(0.2)

# 四个探头：S1→GP10（X1）、S2→GP11（X2）、S3→GP12（X3）、S4→GP13（X4）
# 物理从左至右：S2、S1、S3、S4
# 读数规律：压黑线 = 0（指示灯亮），不压线 = 1（指示灯灭）
GP10 = Pin(10, Pin.IN)
GP11 = Pin(11, Pin.IN)
GP12 = Pin(12, Pin.IN)
GP13 = Pin(13, Pin.IN)

e = 0        # 方向：负 = 向左修，正 = 向右修，0 = 直行
last_e = 0   # 上一瞬间的方向（脱线时继承）
n = 0.25     # 力度系数：0.25 = 微调，1 = 大转

stop_all()      # 先确保四轮停稳
beep(3)         # 出发提示：鸣三声
time.sleep(2)   # 原地等待 2 秒，从容把车放到轨道上

while True:
    # 读取四个探头
    S1 = GP10.value()
    S2 = GP11.value()
    S3 = GP12.value()
    S4 = GP13.value()

    # 方向：中间两个探头都没压线（都为 1）= 脱线，
    # 继承上一瞬间的方向 e，继续原来的转向把线找回来；
    # 否则 e = S1 - S3：仅 S1 压线得 -1（向左修），
    # 仅 S3 压线得 1（向右修），同时压线得 0（直行）
    if S1 == 1 and S3 == 1:
        e = last_e
    else:
        e = S1 - S3

    # 力度：外侧探头压线（S2 或 S4 为 0）= 严重偏离，全力大转；
    # 仅中间探头压线 = 轻微偏离，用四分之一力度微调
    if S2 == 0 or S4 == 0:
        n = 1
    elif S1 == 0 or S3 == 0:
        n = 0.25
    # 脱线时上面两个分支都不进，n 保持上次的值

    last_e = e      # 记录本次方向，供脱线时继承
    turn1(e * n)    # 调用第 4 章差速转弯函数：负左正右，绝对值越大转得越急

// 蜂鸣器提示音函数（蜂鸣器接 GP14）：鸣 n 声
const int BUZZER = 14;

void beep(int n) {
  // 重复 n 次：高电平响 0.2 秒 → 低电平停 0.2 秒
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    digitalWrite(BUZZER, HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(BUZZER, LOW);
    delay(200);
  }
}

// 四个探头：S1→GP10（X1）、S2→GP11（X2）、S3→GP12（X3）、S4→GP13（X4）
// 物理从左至右：S2、S1、S3、S4
// 读数规律：压黑线 = 0（指示灯亮），不压线 = 1（指示灯灭）
const int GP10 = 10;
const int GP11 = 11;
const int GP12 = 12;
const int GP13 = 13;

float e = 0;       // 方向：负 = 向左修，正 = 向右修，0 = 直行
float last_e = 0;  // 上一瞬间的方向（脱线时继承）
float n = 0.25;    // 力度系数：0.25 = 微调，1 = 大转

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  pinMode(GP10, INPUT);
  pinMode(GP11, INPUT);
  pinMode(GP12, INPUT);
  pinMode(GP13, INPUT);
  stop_all();   // 先确保四轮停稳
  beep(3);      // 出发提示：鸣三声
  delay(2000);  // 原地等待 2 秒，从容把车放到轨道上
}

void loop() {
  // 读取四个探头
  int S1 = digitalRead(GP10);
  int S2 = digitalRead(GP11);
  int S3 = digitalRead(GP12);
  int S4 = digitalRead(GP13);

  // 方向：中间两个探头都没压线（都为 1）= 脱线，
  // 继承上一瞬间的方向 e，继续原来的转向把线找回来；
  // 否则 e = S1 - S3：仅 S1 压线得 -1（向左修），
  // 仅 S3 压线得 1（向右修），同时压线得 0（直行）
  if (S1 == 1 && S3 == 1) {
    e = last_e;
  } else {
    e = S1 - S3;
  }

  // 力度：外侧探头压线（S2 或 S4 为 0）= 严重偏离，全力大转；
  // 仅中间探头压线 = 轻微偏离，用四分之一力度微调
  if (S2 == 0 || S4 == 0) {
    n = 1;
  } else if (S1 == 0 || S3 == 0) {
    n = 0.25;
  }
  // 脱线时上面两个分支都不进，n 保持上次的值

  last_e = e;     // 记录本次方向，供脱线时继承
  turn1(e * n);   // 调用第 4 章差速转弯函数：负左正右，绝对值越大转得越急
}

注意：循迹效果受探头离地高度与环境光强度影响。若读数异常，先检查探头是否松动、离地间隙是否过大，再用黑色绝缘胶带现场测试确认。

8.6 常见 bug 及理解误区

循迹是整册教程中"看起来简单、调起来容易怀疑人生"的一章。下面这些都是极易踩中的坑，循迹效果不对时，先逐条对照排查，再怀疑代码。

误区一：以为"识别到黑线 = 1"

直觉上"探测到了东西"就该输出 1，这款探头恰恰相反。它靠红外回波工作：黑色表面吸光，探头收不到回波，压黑线时读数为 0；浅色表面反射回波，读数为 1。把极性想当然地记反，是循迹程序最常见的理解误区——写出的程序会"看见黑线就躲"，在黑线与地板之间来回横跳。

误区二：拿着小车悬空调试

小车被拿在手里悬空时，探头离地面太远，同样收不到回波，读数也是 0，和压黑线一模一样。所以悬空读到 0 ≠ 检测到黑线。观察读数、验证程序时，请把小车放在铺好轨道的地面上进行，否则会被"假压线"误导。

误区三：以为指示灯亮 = 有信号

这款探头的指示灯逻辑与直觉相反：灯亮 = 读到 0（压黑线），灯灭 = 读到 1（未压线）。用指示灯判断探头状态完全可行，而且比看串口数据更快捷，但前提是先记住这个反直觉的对应关系，否则越调越乱。

误区四：把物理顺序当成 1234

四个探头从左至右是 X2、X1、X3、X4，不是 1234。程序跑起来效果不对时，先别急着改算法——多数情况是探头编号想错了。按 8.3 节的方法逐个遮挡实测，确认每个变量对应车底哪个探头。

误区五：灵敏度旋钮没调准

每个探头上都有灵敏度调节旋钮，出厂状态不一定适合实际的地面环境。标准调试流程：

1. 小车置于平整桌面，不开电源开关，用电脑 USB 连接 Pico 供电即可；
2. 在 A4 纸上贴一条黑色轨迹；
3. 左右移动小车，观察黑轨对准哪个探头时，哪个探头的灯是否亮起；
4. 对不上的，旋转对应探头的灵敏度旋钮，直到四个探头都能"黑轨对谁谁亮"。

误区六：读数全部异常时只会改代码

如果灵敏度调准后读数仍然异常（比如四个探头一直读 0 或一直读 1），问题可能不出在本章程序：之前某次实验下载过的程序如果把 GP10~GP13 配置成了下拉电阻模式，会持续干扰这四个管脚的读取，本章示例代码怎么改都没有用。解决方法：向 Pico 重新刷入固件包，把管脚配置恢复干净，再重新下载本章程序。