Simulateur de suiveur de ligne dans le navigateur

Commandes

Utilisez les pistes prédéfinies pour établir une référence, ou mettez l’essai en pause et dessinez directement sur le parcours. La vitesse du robot détermine la distance parcourue par le châssis à chaque mise à jour. Le nombre et l’espacement des capteurs modifient le champ de vision. Les réglages P, I et D modifient la réponse de direction ; Step avance d’une mise à jour déterministe pendant la pause.

Commencez avec une vitesse modérée, cinq capteurs et les gains par défaut. Ne modifiez qu’une variable à la fois et comparez l’erreur, le temps au tour et les métriques de temps sur la piste.

Théorie

La barrette de capteurs échantillonne la réflectance à l’avant du robot. Chaque capteur actif contribue par sa position signée à une moyenne pondérée. Le centre de la barrette correspond à une erreur nulle ; les mesures à gauche ou à droite du centre produisent une erreur négative ou positive.

Le contrôleur combine trois termes :

$$u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$$

La correction $u(t)$ accélère une roue et ralentit l’autre. La commande proportionnelle réagit à l’écart actuel, la commande intégrale corrige un biais persistant et la commande dérivée amortit les variations rapides.

Algorithme

1. Échantillonnez chaque capteur à intervalle fixe.
2. Calculez une position pondérée de la ligne et normalisez-la autour du centre.
3. Réutilisez la dernière direction connue de la ligne lorsque tous les capteurs la perdent.
4. Mettez à jour les termes intégral et dérivé avec le même pas de temps fixe.
5. Saturez la correction, calculez les commandes des moteurs gauche et droit, puis intégrez la pose du robot.

Réglez le gain proportionnel jusqu’à ce que le robot suive les virages doux, ajoutez du gain dérivé jusqu’à ce que les oscillations s’établissent, et n’introduisez que le gain intégral nécessaire pour supprimer un écart répétitif.

Code source

Le simulateur dans le navigateur et un microcontrôleur utilisent la même structure de commande. Une boucle compacte de style Arduino ressemble à ceci :

float integral = 0.0f;
float previousError = 0.0f;

void controlStep(float dt) {
  float error = readWeightedLinePosition();
  integral = constrain(integral + error * dt, -2.0f, 2.0f);
  float derivative = (error - previousError) / dt;
  float correction = kp * error + ki * integral + kd * derivative;

  setMotorSpeeds(baseSpeed - correction, baseSpeed + correction);
  previousError = error;
}

Gardez l’intervalle réel de commande stable. Un délai variable modifie les termes dérivé et intégral même lorsque les gains restent identiques.

Hypothèses et différences avec le matériel

Il s’agit d’un modèle pédagogique, pas d’une réplique du matériel. La piste est un masque binaire plat à fort contraste sans variation de lumière ambiante, si bien que la barrette de capteurs voit un noir et blanc parfaits — sur un ruban réel, l’éclairage de la pièce, le brillant de la surface et la hauteur des capteurs modifient les mesures et vous devez étalonner selon les étapes des notes de câblage. La temporisation est idéale : le contrôleur fonctionne à intervalle fixe sans gigue de delay(), alors que la boucle d’un Arduino physique varie avec les autres tâches et cette gigue remodèle la réponse PID. Le châssis est cinématique : les roues ne patinent jamais, les moteurs répondent instantanément et la batterie ne s’affaisse jamais. Considérez les gains trouvés ici comme un bon point de départ, puis réglez à nouveau sur le robot réel après étalonnage.

Schéma de câblage

Connectez les sorties des capteurs à des entrées compatibles analogiques, partagez la masse entre tous les modules et pilotez les moteurs via un pont en H plutôt que depuis les broches du contrôleur.

Vérifiez le calibre de l’alimentation des moteurs et ajoutez un découplage local près du contrôleur et du pont. Ne faites jamais passer le courant des moteurs par le régulateur logique d’une carte de développement.

Expériences guidées

Chacune isole une variable, ce qui est justement difficile à faire sur du matériel réel où tout change en même temps.

1. Trouvez le gain ultime, puis divisez-le par deux

Mettez les gains intégral et dérivé à zéro et augmentez le gain proportionnel jusqu’à ce que le robot oscille régulièrement sur une section droite — en louvoyant à amplitude constante plutôt que croissante ou décroissante. Divisez cette valeur par deux.

Vous disposez désormais d’un Kp de départ issu d’une mesure plutôt que d’une estimation, et il sera proche. Ajoutez ensuite du gain dérivé jusqu’à ce que le flottement s’amortisse.

2. Prouvez que les gains dépendent de la vitesse

Réglez le robot jusqu’à ce qu’il suive proprement à faible vitesse de base. Augmentez ensuite la vitesse de moitié et relancez avec les mêmes gains sans rien changer.

Il va louvoyer, couper les virages ou perdre la ligne. Rien n’a changé dans le contrôleur — mais la même correction de direction produit désormais une variation de cap plus grande par unité de piste, si bien que le gain effectif a augmenté avec la vitesse. Tout réglage est un réglage à une vitesse donnée, c’est pourquoi un robot de compétition ralentit dans les virages au lieu d’utiliser un seul gain partout.

3. Observez comment le nombre de capteurs change ce qui est possible

Lancez la même piste avec les mêmes gains, avec trois, cinq puis huit capteurs.

Le résultat intéressant est que plus de capteurs relève le plafond plutôt qu’ils n’améliorent le plancher. À faible vitesse, trois capteurs suffisent. La résolution supplémentaire ne devient rentable qu’aux vitesses où le signal d’erreur grossier devient le facteur limitant.

4. Cassez-le volontairement dans un virage serré

Augmentez la vitesse jusqu’à ce que le robot perde la ligne dans le virage le plus serré. Observez ce qu’il fait ensuite. Puis réfléchissez à ce que le robot réel devrait faire : continuer tout droit est la pire option, car la ligne s’incurvait.

C’est le raisonnement derrière le maintien de la dernière erreur en cas de perte de ligne plutôt que sa remise à zéro — zéro signifie « centré », ce qui commande de foncer tout droit à pleine vitesse. Conserver la dernière erreur maintient le robot en virage dans le sens où il tournait déjà, c’est-à-dire là où la ligne est partie.

Ce que vous devriez observer

Transposition au matériel

Les gains trouvés ici se transposent comme un bon point de départ, et la procédure de réglage se transpose intégralement. Prévoyez de régler à nouveau sur votre propre ruban — et attendez-vous à ce que la plus grande amélioration sur le matériel vienne non pas des gains mais de la fréquence de boucle, car un premier montage fonctionne souvent à 20–50 Hz et peut atteindre plusieurs centaines simplement en supprimant les appels bloquants. Le montage complet est décrit dans construire un robot suiveur de ligne.