Construire un suiveur de ligne : du simulateur à la piste

Un suiveur de ligne est le meilleur premier robot : il capte, décide et bouge, et pourtant chaque partie est assez simple pour être entièrement comprise. Ce parcours le traite exactement comme cela — un chemin. Au lieu d’une liste de pièces et d’une photo de câblage à copier, vous débloquez un nœud à la fois, en apprenant le mécanisme derrière chaque étape avant de la construire.

Vous commencez par comprendre comment une rangée de capteurs infrarouges (IR) devient une seule erreur de direction, et comment une boucle proportionnel-intégral-dérivé (PID) transforme cette erreur en mouvement lisse. Cinq capteurs sont le bon compromis pour un premier montage : trois fonctionnent à basse vitesse mais donnent une position grossière, huit donnent une résolution plus fine à haute vitesse mais compliquent câblage et calibration. La moyenne pondérée qui réduit ces lectures à un seul nombre signé — négatif quand la ligne est à gauche, positif quand elle est à droite — est le seul signal que la boucle de direction verra jamais, et c’est pourquoi obtenir ce nombre juste compte plus que choisir une carte particulière.

Ce signal doit ensuite devenir deux vitesses de roues différentes. La conduite différentielle signifie que le robot dirige en tournant ses roues à des vitesses différentes, et l’arbre technologique vous mène du pilote moteur brut à la modulation de largeur d’impulsion (PWM) et à la cinématique qui transforme une correction unique en commandes gauche et droite. Vous verrez aussi où s’insère l’odométrie : compter le mouvement des roues dit quelle distance a été parcourue, et pourquoi cette estimation dérive sans référence externe — un thème qui revient dans chaque robot de labyrinthe.

Avant de dépenser quoi que ce soit ou de risquer un mauvais branchement, vous réglez le comportement dans le simulateur en navigateur, en dessinant une piste, en changeant nombre et espacement des capteurs, et en déplaçant les gains proportionnel, intégral et dérivé tout en observant erreur, temps au tour et temps sur piste. Le simulateur est un modèle pédagogique, pas du matériel : il suppose une piste binaire plate à fort contraste, une calibration idéale, aucune variation de lumière ambiante et une boucle parfaitement périodique sans patinage. Les gains trouvés ici se transfèrent comme un bon point de départ, mais vous calibrerez quand même la vraie barrette et règlerez à nouveau sur votre propre ruban.

Ensuite seulement vous câblez le vrai robot : sorties de réflectance vers des broches analogiques, PWM et direction vers le L298N (les broches logiques ne peuvent pas fournir le courant moteur — le double pont en H commute le vrai courant à la place), une alimentation moteur séparée sur son propre rail, et une masse commune reliant chaque module. Le nœud final est l’assemblage et l’itération sur un vrai parcours collé, où vous transférez les gains du simulateur et ajustez pour la surface, la tension batterie et le timing de boucle. La même structure revient plus tard dans le solveur de labyrinthe de lignes — qui ajoute une couche de décision au-dessus de ce suiveur — donc une fondation solide fait gagner du temps deux fois.

Suivez l’arbre technologique ci-dessous de haut en bas. Chaque nœud s’ouvre une fois ses prérequis terminés, et votre progression est enregistrée sur cet appareil, pour construire le robot sur un week-end sans perdre votre place.

Nomenclature

Total : environ $30–45. L’amélioration la plus rentable de cette liste est des moteurs avec codeurs — pas pour ce projet, qui n’en a pas besoin, mais parce qu’un suiveur devient presque toujours un solveur de labyrinthe de lignes, et celui-là en a besoin.

Pour la piste : ruban noir mat sur sol clair mat. Le ruban brillant réfléchit comme du blanc au mauvais angle, et un sol brillant fait pareil, ce qui donne un robot qui marche sur une surface et pas une autre pour des raisons qui ressemblent à du logiciel.

Comment tout se relie

Deux pannes expliquent la plupart des problèmes de premier démarrage, et aucune ne produit de message d’erreur. Une masse commune manquante signifie que les signaux de direction n’ont pas de référence, donc rien ne bouge alors que tout semble bien câblé. Du courant moteur dans l’Arduino affaisse le rail 5 V, redémarre la carte, et se présente comme un crash logiciel.

Construisez par étapes

Ne câblez pas tout le robot pour le déboguer ensuite. Chaque étape ci-dessous a un test, et une étape qui ne passe pas son test se cachera dans la suivante.

L’étape 6 est celle qu’on saute et qu’il ne faut pas sauter. Si le signal de position saute quand la ligne passe entre deux capteurs, aucune boucle ne peut se régler — la discontinuité ressemble à une énorme erreur soudaine, et le robot fera des à-coups exactement là à chaque tour. Un saut là signifie soit une barrette non calibrée par canal, soit un seuil de canal qui l’exclut trop tôt.

À quoi ressemble un bon résultat

La cadence de boucle mérite l’attention car elle plafonne silencieusement tout le reste. Une boucle à 50 Hz voit la ligne toutes les 20 ms, et à 0,5 m/s cela fait 10 mm parcourus entre décisions. Supprimer chaque delay() de la boucle et ne lire que les capteurs utilisés fait typiquement passer un premier montage de 50 Hz à plusieurs centaines, et le suivi s’améliore sans toucher un gain.

Dépannage

Pour aller plus loin

Le suiveur de ligne est délibérément une fondation, et trois directions s’appuient directement dessus.

Ajoutez la détection de jonctions et il devient un solveur de labyrinthe de lignes — la même boucle PID dessous, avec une fine couche de décision dessus qui classe les branches et mémorise l’itinéraire. C’est le meilleur projet suivant, car il réutilise tout ici et ajoute une idée vraiment nouvelle.

Ajoutez des codeurs et vous pouvez tenir une vitesse commandée plutôt qu’un rapport commandé, ce qui supprime entièrement le problème « ça se dégrade quand la batterie se vide » et stabilise le réglage sur tout un parcours.

Allez plus vite, ce qui est plus dur qu’il n’y paraît et enseigne le plus. La vitesse expose chaque approximation : la cadence de boucle devient la limite, la barrette doit être plus en avant pour l’anticipation, les virages doivent ralentir avant d’arriver plutôt qu’après, et les pneus commencent à glisser. Ce dernier est le mur — voir patinage et adhérence pour sa place.