在本章中，你将利用马里奥机器人来探索你家里的不同房间。在本章的末尾，你将学会利用编程实现简单的机器人沿墙（Following Wall）算法程序，来帮助马里奥沿着墙面行进并避开角落。
本章中讲到的沿墙算法，是反馈控制器（Feedback Controller）的一个例子。控制器是指一个设备（或者说一个软件），来监视和改变一个系统（比如你的机器人）的行为。为了使机器人行进时距离墙面一定的距离，我们需要用到传感器的距离检测结果来作为控制器的一个反馈输入。而驱动机器人行进的集线器电机则是输出端。
本章中你将学习到的前两个沿墙算法程序，利用的是继电器式控制器（Bang-Bang Controller）,或者叫做开关控制器（On-Off Controller），之所以这样称呼是因为控制指令（转向角度）只在两个状态之间切换。本章的最后一个程序将会用到比例型反馈控制器（Proportional Feedback Controller），这种控制器将会根据离墙的距离来调整转向角度。
在开始前，我们需要将马里奥的传感器方向向前，如下图所示。
请确保顺时针旋转传感器并听到三下“咔哒”声音，以使传感器的角度向右偏45度，如下图所示。这样能够让马里奥可以探测偏右侧方向的范围。
下面2张图展示了马里奥沿墙移动的轨迹。马里奥将沿着右侧墙面移动，就像之前颜色轨迹线移动一样，马里奥会保持与墙之前的距离，当这个距离达到下限门槛值时，马里奥会向驶离墙面的方向移动，当距离达到上限门槛值时，马里奥会向驶向墙面的方向移动，虽然这会让马里奥的行进路线看起来曲曲折折，但是马里奥与墙面的平均距离基本维持在一个常数，这个距离也能让马里奥躲避墙面和墙角等障碍物。
解决沿墙问题
你也许会注意到，对于机器人编程来说，解决同一个问题往往会有多种方法。在下面的内容里，我们将利用不同的流程模块来不断地优化机器人的沿墙算法。
使用等待模块
在开始我们的挑战之前，让我们先利用伪代码来写一下我们的思路。具体如下
开始无限循环
- 右转（驶向墙面）
- 等待直到检测距离小于8
- 左转（驶离墙面）
- 等待直到检测距离大于8
回到无限循环开头
使用真等待模块
在第8章中，我们利用“真”等待模块来根据特定的判断条件出发程序执行。现在我们要为马里奥实现沿墙行进功能，我们可以利用 “真”等待模块来根据马里奥与墙之间的距离，来给马里奥不同的指令。具体程序实现如下：
程序写好后，把马里奥放在靠近墙体的地方，让墙体在马里奥右侧，执行程序，看看会发生什么？
使用选择模块
你可以利用选择模块，来实现跟上面程序完全相同的功能。程序如下。
上图的程序中，在无限循环（序号1）内部，选择模块（序号2）根据判断条件（传感器探测距离大于8，即上图中序号3、4、5），来执行不同的命令。当探测距离大于8时，执行右转指令（序号6），否则，执行左转指令（序号7）。
你可以能已经注意到了，在上面的程序中我们加入了一个0.2秒钟的延时模块（序号8），这是为了降低序号1的无限循环模块的循环速度，以便让马里奥在收到上一条命令后有一个0.2秒的执行时间（也就是能够按照当前指令行进0.2秒的时间），如果没有这0.2秒的延时，序号1的无限循环模块将连续不间断循环的给马里奥发送指令，这有可能会让马里奥的运行情况产生一定的不确定性。
请注意我们在上面的程序中并没有使用定时限基底移动转向模块，是因为该模块在执行结束后会让电机有一个刹车动作，从而使马里奥的行进看起来非常顿挫。我们在上面的程序中使用的是序号6和7所示的驱动基底移动转向模块，并配合一个0.2秒的延时模块，这样能够让马里奥持续行进，减少行进时的顿挫感。
使用条件“真”启动模块
你还可以使用条件“真”启动模块，来实现上面的沿墙算法功能，如下图所示。
上面的程序中，我们利用一个条件“真”启动模块（序号1）来根据判断条件（检测距离大于8）触发右转指令（序号2），同时利用另一个条件“真”启动模块（序号3）来根据判断条件（检测距离小于9）触发左转指令（序号4）。要开始上图中的程序，需要手动一次点击序号1的条件“真”启动模块和序号3的条件“真”启动模块。
利用数学让沿墙算法程序更顺滑
到目前为止我们编写的几个沿墙算法程序，都是根据距离探测值让机器人在两个方向上切换，但是这样就会导致机器人的移动不够平稳顺滑。为了让机器人的移动更加顺滑，我们将借助数学模块，让机器人的运动方向根据距离探测结果进行调整。
关于数学模块的说明参加 https://www.legofind.com/archives/1618
我们将借助数学模块，根据传感器的距离检测值来计算出机器人的移动方向。
比例转向
下图所示的程序，将根据不同的距离探测值，将机器人的转向角度调整为不同值。
在上图程序中，当机器人与墙面的距离适中时，程序将仅仅微调机器人的转向角度。但是当机器人与墙的距离过大或过小时，程序将加大转向角度的调整力度。
工程师们将上面的算法称之为比例控制器，因为其根据输入值成比例的调整输出指令。当机器人与墙的距离过大或过小时，程序将加大转向角度，当机器人与墙面的距离适中时，程序将减小转向角度。 上面程序中将传感器距离检测值减去7，再乘以10，是为了给机器人一个适合的转向角度。当机器人距离墙面过近时，程序还有应急处置方案。
数学运算模块是实现上述程序的关键。首先我们利用一个减法运算模块来计算当前实际距离Y与期望理想距离R的差，将这个差值记作E。
E = Y – R
Y的取值范围是0至10，R我们设置为7，那么E的取值范围就是-7至3。
但现在有个问题，电机控制模块里的转向值输入范围是-100至100，而上面E的取值范围-7至3，如果直接作为转向输入，显示是太小了，几乎无法影响机器人的转向控制。为了通过E的值能更好的控制机器人的转向，我们需要将其乘以一个我们称之为增益（Gain）的常数K，所得结果也就是电机转向指令的输入U，即
U = K × E
我们将K的值设置为10，那么电机转向指令的输入值U的取值范围就变成-70至30。
此时，机器人离墙的距离与期望值偏差越大，转向指令的输入也就也大。在电机控制模块后面我们加入了一个0.2秒的延时模块，作用与之前一样，是为了防止电机的控制指令输出的过于频繁。
调整R和K的值
你可以对机器人的期望离墙距离R进行调整，来控制机器人运行轨迹与墙体的距离。此外你还可以调整增益K的值，增益K能够决定机器人的在行进中的反应，如下图所示。
正如上图你看到的，增益值K越大，机器人的反应越灵敏，其行进轨迹也就越不平顺。而增益值K减小，会降低机器人的转向控制力度，其行进轨迹会更加平顺，但是对机器人的控制就会变弱，特别是在靠近墙角时，有可能因为转向不及时导致与墙体碰撞。
在调整增益值K的时候，你就需要在行进轨迹顺滑度和反应灵敏度上进行权衡。
我们的沿墙算法还有一些局限性。首先，机器人只能沿着右侧的墙体行进，当然，你也可以通过调整传感器方向和程序，来让机器人沿着左侧的墙体行进。其次，一旦机器人离开墙体过远，程序将失效，由于探测不到墙体的有效距离，机器人将原地转圈。
避开墙角
按照目前的K和R的设定值，机器人应该可以避免其右轮被墙面卡住，但是当来到墙角的时候，目前的比例控制可能不足以让机器人完全避开墙角，因为在墙角处机器人很可能在转向指令足够避开墙角前，已经撞上墙角了。
为了解决这个问题，我们用一个选择模块，来启动一组专门用于逃离墙角的程序，启动条件是探测距离小于3。
我们利用两个电机模块来使机器人在遇到墙角左转时，能够退后并远离墙角，从而使机器人与墙角之间保持足够的距离，来让我们的比例控制算法继续有效执行。