В данной статье будет описан процесс создания робота, ездящего по линии. Эта задача является классической, идейно простая, она может решаться много раз, и каждый раз вы будете открывать для себя что-то новое. Решение этой задачи и реализация полученного решения позволяют приобрести необходимые начальные навыки для дальнейшего совершенствования в робототехнике. Существует множество подходов для решения задачи следования по линии. Выбор одного из них зависит от конкретной конструкции робота, от количества сенсоров, их расположения относительно колёс и друг друга. В нашем примере будет собран робот на лёгкой платформе с двумя колёсами и двумя датчиками линии, расположенными на днище робота перед колёсами. В результате выглядеть он будет так:
Для нашего примера понадобятся следующие детали:
Вообще говоря, лучше было бы использовать NiMH-аккумуляторы: они лучше отдают ток и значительно дольше держат напряжение, но для целей этого проекта одной батарейки на 9 В вполне хватило.
Собираем роботаСначала соберём робота, установим всю механику и электронику.
Для начала прикрепим колёса к моторам.
Затем с помощью пластиковых П-образных креплений прикручиваем моторчики к платформе. Обратите внимание на взаимное расположение крепления и моторчики: в креплении есть небольшие углубления, так что если всё соединить правильно, то моторчики будут крепко держаться и никуда не выскочат.
Теперь крепим балансировочный шар.
Отлично! Платформа собрана. Если вам кажется, что колёсам отведено слишком мало места и они трутся о платформу, то скорее всего вам нужно посильнее надавить на колёса, чтобы они плотнее сели на вал мотора.
Крепим сенсоры
Закрепим их, как показано на фото:
Можно было бы выбрать и другое место. Это могло бы сделать контроль проще или сложнее, а самого робота более или менее эффективным. Оптимальное расположение — вопрос серии экспериментов. Для этого проекта просто был выбран такой способ крепления.
Крепим Arduino
Arduino закрепим с противоположной стороны двумя винтиками и гайками.
Опять же, можно выбрать и другое место. Например над колёсами, если приподнять Arduino на латунных стойках. Это изменило бы положение центра масс и повлияло бы на эффективность робота в лучшую или худшую сторону.
Крепим Motor Shield и соединительные провода
Установим Motor Shield на Arduino и подсоединим соединительные провода. Обратите внимание, чтобы соотвествовать программному коду из примера ниже, моторчики соединены с Motor Shield так: правый — к клеммам M1 с прямой полярностью (плюс к плюсу), а левый — к M2 с обратной (плюс к минусу).
В этом проекте, для экономии времени концы соединительных проводов просто скручены с контактами моторов. При работе «начисто» стоит жёстко припаять провода к моторам.
Крепим Troyka Shield
Присоединяем сверху Troyka Shield и подключаем датчики к 8 и 9 цифровым контактам. В итоге получаем следующую конструкцию:
Программирование
Теперь напишем программу, которая заставит собранную конструкцию двигаться по нарисованной линии. В проекте мы будем использовать чёрную линию, напечатанную на белых листах бумаги.
Основная идея алгоритма
Пусть у нас усть белое поле, и на нём чёрным нарисован трек для нашего робота. Используемые датчики линии выдают логический ноль, когда «видят» чёрное и единицу, когда «видят» белое.
На прямой робот должен пропускать трек между сенсоров, то есть оба сенсора должны показывать единички.
При повороте траектории направо, правый сенсор наезжает на трек и начинает показывать логический ноль. При повороте налево, ноль показывает левый сенсор.
Таким образом получаем простую систему с тремя состояниями:
На вход системы поступает информация с сенсоров. Получаем следующую логику переходов:
| Левый | Правый | Целевое состояние |
|---|---|---|
| 0 | 0 | STATE_FORWARD |
| 0 | 1 | STATE_RIGHT |
| 1 | 0 | STATE_LEFT |
| 1 | 1 | STATE_FORWARD |
#define g 11 // назначаем имена пинов для удобства
// Моторы подключаются к клеммам M1+,M1-,M2+,M2-
// Motor shield использует четыре контакта 6,5,7,4 для управления моторами
#define SPEED_LEFT 6
#define SPEED_RIGHT 5
#define DIR_LEFT 7
#define DIR_RIGHT 4
#define LEFT_SENSOR_PIN 8
#define RIGHT_SENSOR_PIN 9
// Скорость, с которой мы движемся вперёд (0-255)
#define SPEED 35
// Коэффициент, задающий во сколько раз нужно затормозить
// одно из колёс для поворота
#define BRAKE_K 4
#define STATE_FORWARD 0
#define STATE_RIGHT 1
#define STATE_LEFT 2
int state = STATE_FORWARD;
void runForward()
{
state = STATE_FORWARD;
// Для регулировки скорости `SPEED` может принимать значения от 0 до 255,
// чем болше, тем быстрее.
analogWrite(SPEED_LEFT, SPEED);
analogWrite(SPEED_RIGHT, SPEED);
// Если в DIR_LEFT или DIR_RIGHT пишем HIGH, мотор будет двигать соответствующее колесо
// вперёд, если LOW - назад.
digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);
digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);
}
void steerRight()
{
state = STATE_RIGHT;
// Замедляем правое колесо относительно левого,
// чтобы начать поворот
analogWrite(SPEED_RIGHT, SPEED / BRAKE_K);
analogWrite(SPEED_LEFT, SPEED);
digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);
digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);
}
void steerLeft()
{
state = STATE_LEFT;
analogWrite(SPEED_LEFT, SPEED / BRAKE_K);
analogWrite(SPEED_RIGHT, SPEED);
digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);
digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);
}
void setup()
{
// Настраивает выводы платы 4,5,6,7 на вывод сигналов
for(int i = 4; i <= 7; i++)
pinMode(i, OUTPUT);
// Сразу едем вперёд
runForward();
}
void loop()
{
// Наш робот ездит по белому полю с чёрным треком. В обратном случае не нужно
// инвертировать значения с датчиков
boolean left = !digitalRead(LEFT_SENSOR_PIN);
boolean right = !digitalRead(RIGHT_SENSOR_PIN);
// В какое состояние нужно перейти?
int targetState;
if (left == right) {
// под сенсорами всё белое или всё чёрное
// едем вперёд
targetState = STATE_FORWARD;
} else if (left) {
// левый сенсор упёрся в трек
// поворачиваем налево
targetState = STATE_LEFT;
} else {
targetState = STATE_RIGHT;
}
if (state == targetState) {
// мы уже делаём всё что нужно,
// делаем измерения заново
return;
}
switch (targetState) {
case STATE_FORWARD:
runForward();
break;
case STATE_RIGHT:
steerRight();
break;
case STATE_LEFT:
steerLeft();
break;
}
// не позволяем сильно вилять на прямой
delay(50);
}
Проблема инертности и её решение
Однако если выставить скорость моторов побольше, мы столкнёмся со следующей проблемой: наш робот будет вылетать с трека, не успевая отреагировать на поворот. Это связано с тем, что наши моторчики не умеют тормозить мгновенно.
В этом легко убедиться поставив следующий эксперимент: с заданной скоростью робот будет двигаться по поверхности, и в некоторый момент будет установлена нулевая скорость и измерен тормозной путь робота. Пусть робот разгоняется по монотонной поверхности и тормозится при фиксировании импровизированной стоп-линии.
Эксперимент проведём для разных скоростей. Код программы для эксперимента таков:
#define g 11 // назначаем имена пинов для удобства
#define LEFT_SENSOR_PIN 8
#define RIGHT_SENSOR_PIN 9
#define SPEED_LEFT 6
#define SPEED_RIGHT 5
#define DIR_LEFT 7
#define DIR_RIGHT 4
// Для того чтобы убедиться, что именно тормозной путь долог, а не команда остановиться
// приходит слишком поздно, будем включать светодиод, когда отдаётся команда.
#define LED_PIN 13
int currSpeed = 40;
void setup()
{
for(int i = 4; i <= 7; ++i)
pinMode(i, OUTPUT);
analogWrite(SPEED_RIGHT, currSpeed);
digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);
analogWrite(SPEED_LEFT, currSpeed);
digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop()
{
if (currSpeed > 120)
return;
boolean white[] = {
!digitalRead(LEFT_SENSOR_PIN),
!digitalRead(RIGHT_SENSOR_PIN)
};
if (white[0] && white[1]) {
// едем пока не упрёмся
return;
}
// зажигаем светодиод, останавливаем моторы
// и наблюдаем
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
analogWrite(SPEED_RIGHT, 0);
analogWrite(SPEED_LEFT, 0);
delay(5000);
// повторяем эксперимент, увеличивая скорость
// на 10 пунктов
currSpeed += 10;
if (currSpeed > 120)
return;
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
analogWrite(SPEED_RIGHT, currSpeed);
analogWrite(SPEED_LEFT, currSpeed);
}
На той поверхности, на которой проводился эксперимент, были получены следующие результаты:
Таким образом, начиная с некоторого момента у нашего робота нет никакой возможности успеть среагировать и остаться на треке.
Что можно сделать?! После того, как сенсоры улавливают поворот, можно остановиться и вернуться назад на некоторое расстояние, зависящее от скорости перед остановкой. Однако мы можем отдать команду роботу ехать с какой-то скоростью, но не можем приказать ему проехать какое-то расстояние.
Для того, чтобы понять зависимость расстояния при заднем ходе от времени, был проведён ещё один замер:
#define g 11 // назначаем имена пинов для удобства
#define SPEED_LEFT 6
#define SPEED_RIGHT 5
#define DIR_LEFT 7
#define DIR_RIGHT 4
void go(int speed, bool reverseLeft, bool reverseRight, int duration)
{
analogWrite(SPEED_LEFT, speed);
analogWrite(SPEED_RIGHT, speed);
digitalWrite(DIR_LEFT, reverseLeft ? LOW : HIGH);
digitalWrite(DIR_RIGHT, reverseRight ? LOW : HIGH);
delay(duration);
}
void setup()
{
for(int i = 4; i <= 7; ++i)
pinMode(i, OUTPUT);
}
void loop()
{
// Задержка 5 секунд после включения питания
delay(5000);
for (int i = 200; i <= 1000; i += 100) {
// Несколько сотен мс вперёд
go(50, false, false, 200);
go(0, false, false, 0);
// Задержка 5 секунд
delay(5000);
}
// Остановка до ресета или выключения питания
go(0, false, false, 0);
// Приехали
while (true)
;
}
На скорости 50, например, робот проделывал путь, зависящий от времени следующим образом:
Полученные две зависимости были линейно аппроксимированы, затем была выведена формула зависимости времени, которое надо двигаться назад, от скорости перед остановкой.
Обратим внимание на то, что у вас значения могут оказаться другими: из-за особенностей сборки либо из-за поверхности, поэтому в общем случае лучше провести все измерения самостоятельно.
Адаптивное поведение
Перед финальным экспериментом произведём ещё несколько поправок.
Во-первых, нам необязательно давать команду ехать назад перед каждым поворотом, как мы помним, на маленькой скорости робот прекрасно справляется и без этого. К тому же лучше ему двигаться не прямо назад, а немного поворачивая, всё-таки робот находится перед поворотом.
Во-вторых, нам стоит различать состояния робота: когда он движется по прямой, и ничто ему не мешает ускоряться; и когда робот входит в поворот. В первом случае действительно будем увеличивать скорость робота для более динамичного прохождения трека, во втором случае будем сбрасывать скорость до значения, достаточного для успешного прохождения поворота, и будем держать эту скорость ещё какое-то время.
В итоге наш код будет выглядит следующим образом:
#define g 11 // назначаем имена пинов для удобства
// Моторы подключаются к клеммам M1+,M1-,M2+,M2-
// Motor shield использует четыре контакта 6,5,7,4 для управления моторами
#define SPEED_LEFT 6
#define SPEED_RIGHT 5
#define DIR_LEFT 7
#define DIR_RIGHT 4
#define LEFT_SENSOR_PIN 8
#define RIGHT_SENSOR_PIN 9
// Скорость, с которой мы движемся вперёд (0-255)
#define SPEED 100
// Скорость прохождения сложных участков
#define SLOW_SPEED 35
#define BACK_SLOW_SPEED 30
#define BACK_FAST_SPEED 50
// Коэффициент, задающий во сколько раз нужно затормозить
// одно из колёс для поворота
#define BRAKE_K 4
#define STATE_FORWARD 0
#define STATE_RIGHT 1
#define STATE_LEFT 2
#define SPEED_STEP 2
#define FAST_TIME_THRESHOLD 500
int state = STATE_FORWARD;
int currentSpeed = SPEED;
int fastTime = 0;
void runForward()
{
state = STATE_FORWARD;
fastTime += 1;
if (fastTime < FAST_TIME_THRESHOLD) {
currentSpeed = SLOW_SPEED;
} else {
currentSpeed = min(currentSpeed + SPEED_STEP, SPEED);
}
analogWrite(SPEED_LEFT, currentSpeed);
analogWrite(SPEED_RIGHT, currentSpeed);
digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);
digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);
}
void steerRight()
{
state = STATE_RIGHT;
fastTime = 0;
// Замедляем правое колесо относительно левого,
// чтобы начать поворот
analogWrite(SPEED_RIGHT, 0);
analogWrite(SPEED_LEFT, SPEED);
digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);
digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);
}
void steerLeft()
{
state = STATE_LEFT;
fastTime = 0;
analogWrite(SPEED_LEFT, 0);
analogWrite(SPEED_RIGHT, SPEED);
digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);
digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);
}
void stepBack(int duration, int state) {
if (!duration)
return;
// В зависимости от направления поворота при движении назад будем
// делать небольшой разворот
int leftSpeed = (state == STATE_RIGHT) ? BACK_SLOW_SPEED : BACK_FAST_SPEED;
int rightSpeed = (state == STATE_LEFT) ? BACK_SLOW_SPEED : BACK_FAST_SPEED;
analogWrite(SPEED_LEFT, leftSpeed);
analogWrite(SPEED_RIGHT, rightSpeed);
// реверс колёс
digitalWrite(DIR_RIGHT, LOW);
digitalWrite(DIR_LEFT, LOW);
delay(duration);
}
void setup()
{
// Настраивает выводы платы 4,5,6,7 на вывод сигналов
for(int i = 4; i <= 7; i++)
pinMode(i, OUTPUT);
// Сразу едем вперёд
runForward();
}
void loop()
{
// Наш робот ездит по белому полю с чёрным треком. В обратном случае не нужно
// инвертировать значения с датчиков
boolean left = !digitalRead(LEFT_SENSOR_PIN);
boolean right = !digitalRead(RIGHT_SENSOR_PIN);
// В какое состояние нужно перейти?
int targetState;
if (left == right) {
// под сенсорами всё белое или всё чёрное
// едем вперёд
targetState = STATE_FORWARD;
} else if (left) {
// левый сенсор упёрся в трек
// поворачиваем налево
targetState = STATE_LEFT;
} else {
targetState = STATE_RIGHT;
}
if (state == STATE_FORWARD && targetState != STATE_FORWARD) {
int brakeTime = (currentSpeed > SLOW_SPEED) ?
currentSpeed : 0;
stepBack(brakeTime, targetState);
}
switch (targetState) {
case STATE_FORWARD:
runForward();
break;
case STATE_RIGHT:
steerRight();
break;
case STATE_LEFT:
steerLeft();
break;
}
}
Что дальше?
Представленный алгоритм оставляет множество возможностей для улучшения и оптимизации. Скорость поворота можно так же менять адаптивно. Можно добавить контроль заноса. Можно поиграть с расположением сенсоров и центром масс. В конце концов можно получить непобедимого на треке робота.
Нет ничего лучше, чем обставить оппонента на секунду-другую.
Теги: