Construire un robot éviteur d'obstacles : capter, balayer

Un robot éviteur d’obstacles est la suite naturelle après un suiveur de ligne. Un suiveur suit — il suit une ligne que quelqu’un a tracée pour lui. Ce robot décide : sans piste ni carte, il capte l’espace autour de lui et choisit où aller. Cette unique différence — réagir au monde au lieu de le suivre — est le premier vrai goût de l’autonomie, et elle reste assez simple pour être entièrement comprise.

Le cœur est une boucle courte et répétée : capter-balayer-décider-tourner. Le capteur à ultrasons HC-SR04 émet vers l’avant et chronomètre l’écho pour estimer la distance ; quand quelque chose est plus proche qu’un seuil de sécurité, le robot s’arrête, balaye le capteur à gauche et à droite sur un servomoteur SG90, et tourne vers le cap le plus ouvert. Ce seuil n’est pas arbitraire — c’est une distance de sécurité construite depuis la vitesse courante, la latence perception-décision-action, la distance de freinage (qui croît avec le carré de la vitesse), le rayon du robot et une marge, tous visibles comme la courbe de distance d’arrêt dans le simulateur.

Vous ajoutez les composants dont un robot mobile a besoin et apprenez ce que chacun fait : un Arduino Uno pour une logique 5 V indulgente, le capteur à ultrasons et sa zone aveugle (la portée minimale sous laquelle il ne peut pas mesurer), le servomoteur qui donne au faisceau un second point de vue, le pont en H L298N qui commute le courant moteur que les broches logiques ne peuvent pas fournir, deux motoréducteurs TT où le réducteur échange la vitesse contre du couple utilisable, un châssis 2 roues motrices avec roulette pour la direction différentielle, et un pack batterie qui doit alimenter moteur et logique sur des rails séparés. L’arbre technologique vous fait aussi traverser deux parcours d’apprentissage — commande moteur et navigation réactive — pour que les mêmes idées de PWM, odométrie et filtrage rencontrées dans le suiveur reviennent ici en contexte de navigation.

Puis — avant de dépenser quoi que ce soit ou de risquer un mauvais branchement — réglez le comportement d’évitement dans le simulateur en navigateur jusqu’à naviguer proprement dans un espace encombré. L’espace de travail y est vu de dessus et bidimensionnel avec des rayons instantanés et sans bruit ; un vrai faisceau ultrasonore s’ouvre d’environ 15°, est bloqué par le corps même du robot, et est perturbé par les surfaces molles ou inclinées, donc vous filtrerez les lectures et ajouterez un filtre médian et un court délai de stabilisation après le mouvement du servo avant de faire confiance à une distance sur le matériel. Trouver une distance d’arrêt sûre et une règle de direction libre en simulation supprime l’essentiel des devinettes avant que le robot bouge.

Ensuite seulement vous câblez le vrai robot — trigger et echo à la bonne tension, signal servo vers une broche à capacité PWM, PWM et direction moteur vers le pilote, batterie moteur vers la broche VM du pilote seul, toutes les masses reliées — et le laissez errer sur un sol avec cartons ou chaises. Les mêmes leçons de perception et de filtrage mènent directement au labyrinthe à murs Micromouse si vous voulez ensuite la cartographie, ou à la navigation ROS 2 si vous ajoutez un Raspberry Pi.

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 $30–40.

Les deux microrupteurs sont les quarante centimes les mieux dépensés du robot, et c’est la pièce que la plupart des montages omettent. Chaque capteur de distance a des surfaces qu’il ne voit pas — un sonar est aveugle aux rideaux et aux murs abordés en angle raide — et un robot sans perception de contact poussera un rideau jusqu’à ce que quelque chose cède. Deux interrupteurs derrière un pare-chocs enveloppant transforment « évite généralement » en « ne reste jamais coincé contre ce qu’il ne voyait pas ».

Comment tout se relie

Attention au conflit de timer : la bibliothèque Servo prend le Timer 1, qui sur un Uno pilote le PWM des broches 9 et 10. Mettez le PWM moteur sur 3, 5, 6 ou 11 et le servo sur n’importe quelle broche, et le problème n’arrive jamais. Mettez un enable moteur sur la broche 9 et son contrôle de vitesse cessera silencieusement de marcher dès que vous attachez un servo.

La distance d’arrêt, calculée plutôt que devinée

Le seuil d’arrêt est le nombre le plus important de ce projet, et il n’est pas arbitraire. C’est la somme de quatre distances :

stop_distance = (v x t_latency) + (v^2 / (2 x a_brake)) + robot_radius + margin

En pratique, pour un robot à 0,3 m/s avec 80 ms de latence et 1,0 m/s² de freinage :

= (0.3 x 0.08) + (0.09 / 2.0) + 0.09 + 0.05
= 0.024 + 0.045 + 0.09 + 0.05 = 0.21 m

Soit environ 21 cm. Doublez maintenant la vitesse à 0,6 m/s :

= 0.048 + 0.18 + 0.09 + 0.05 = 0.37 m

Le seuil n’a pas doublé — il a crû de 76 %, car le terme de freinage va avec le carré de la vitesse. C’est pourquoi un robot qui évite fiablement au pas commence à percuter quand on l’accélère, et pourquoi le correctif est un seuil dépendant de la vitesse plutôt qu’un grand nombre fixe qui rend le robot timide partout.

Construisez par étapes

L’étape 10 sépare une démo d’un robot. Un coussin absorbe entièrement l’impulsion ultrasonore, donc le capteur signale un espace ouvert et le robot fonce dedans à pleine vitesse. Sans microrupteur il pousse ensuite jusqu’au calage des moteurs.

Dépannage

Pour aller plus loin

Ajoutez le suivi de mur. Un robot qui tient une distance fixe d’un mur sur un côté traverse une pièce de façon déterministe plutôt que d’errer, et c’est le premier comportement qui commence à ressembler à un plan. C’est un petit changement de code et un grand changement conceptuel.

Ajoutez un second type de capteur. Un VL53L0X échoue sur presque exactement les surfaces opposées au sonar — mat sombre et miroirs, contre mou et incliné. Ensemble ils couvrent bien plus de la pièce que chacun seul.

Acceptez le plafond et passez à la suite. Un robot réactif ne peut être envoyé nulle part, ne peut pas promettre qu’il a couvert le sol, et peut boucler indéfiniment dans une pièce en fer à cheval. Ce sont des propriétés de l’absence de carte, pas des bugs. Quand elles commencent à compter, la Micromouse ajoute cartographie et planification, et le robot de couverture attaque directement la question « suis-je passé partout ? ».