Simulatore seguilinea: regola un robot nel browser

Controlli

Usa i preset del tracciato per stabilire una base oppure metti in pausa l’esecuzione e disegna direttamente sul percorso. La velocità del robot controlla quanto avanza il telaio a ogni aggiornamento. Il numero e la distanza dei sensori modificano il campo visivo. I controlli P, I e D cambiano la risposta di sterzo; Passo esegue un aggiornamento deterministico mentre il simulatore è in pausa.

Inizia con una velocità moderata, cinque sensori e i guadagni predefiniti. Cambia una variabile alla volta e confronta gli indicatori di errore, tempo sul giro e tempo sul tracciato.

Teoria

La barra dei sensori campiona la riflettanza davanti al robot. Ogni sensore attivo contribuisce con la propria posizione con segno a una media ponderata. Il centro della barra corrisponde all’errore zero; le letture a sinistra o a destra del centro producono un errore negativo o positivo.

Il controllore combina tre termini:

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

La correzione $u(t)$ accelera una ruota e rallenta l’altra. Il controllo proporzionale reagisce allo scostamento corrente, quello integrale corregge un bias persistente e quello derivativo smorza le variazioni rapide.

Algoritmo

1. Campiona ogni sensore a un intervallo fisso.
2. Calcola una posizione ponderata della linea e normalizzala rispetto al centro.
3. Riutilizza l’ultima direzione osservata della linea quando tutti i sensori la perdono.
4. Aggiorna i termini integrale e derivativo usando lo stesso passo temporale fisso.
5. Limita la correzione, calcola i comandi dei motori sinistro e destro e integra la posa del robot.

Regola il guadagno proporzionale finché il robot segue le curve leggere, aggiungi il guadagno derivativo finché l’oscillazione si assesta e introduci solo il guadagno integrale necessario per eliminare uno scostamento riproducibile.

Codice sorgente

Il simulatore nel browser e un microcontrollore usano la stessa forma di controllo. Un ciclo compatto in stile Arduino è questo:

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;
}

Mantieni stabile l’intervallo di controllo reale. Un ritardo variabile modifica i termini derivativo e integrale anche quando i guadagni restano gli stessi.

Ipotesi e differenze hardware

Questo è un modello didattico, non una replica dell’hardware. Il tracciato è una maschera binaria piatta e ad alto contrasto, senza variazioni di luce ambiente, quindi la barra dei sensori vede nero e bianco perfetti — sul nastro reale, la luce della stanza, la lucidità della superficie e l’altezza del sensore modificano le letture e devi calibrare seguendo i passaggi nelle note di cablaggio. La temporizzazione è ideale: il controllore viene eseguito a un intervallo fisso senza jitter di delay(), mentre un ciclo Arduino reale varia con il resto del lavoro e quello jitter rimodella la risposta PID. Il telaio è cinematico: le ruote non scivolano mai, i motori rispondono all’istante e la batteria non cala mai di tensione. Tratta i guadagni trovati qui come un punto di partenza vicino, poi regolali di nuovo sul robot reale dopo la calibrazione.

Schema elettrico

Collega le uscite dei sensori a ingressi capaci di leggere segnali analogici, condividi la massa tra tutti i moduli e alimenta i motori tramite un ponte H anziché dai pin del controllore.

Verifica la portata dell’alimentazione dei motori e aggiungi una disaccoppiatura locale vicino al controllore e al driver. Non instradare mai la corrente dei motori attraverso il regolatore logico di una scheda di sviluppo.

Esperimenti guidati

Ognuno di questi isola una variabile, che è ciò che è davvero difficile fare sull’hardware reale, dove tutto cambia insieme.

1. Trova il guadagno limite, poi dimezzalo

Imposta i guadagni integrale e derivativo a zero e aumenta il guadagno proporzionale finché il robot oscilla stabilmente lungo una sezione rettilinea — intrecciandosi con ampiezza costante anziché crescente o decrescente. Dimezza quel valore.

Ora hai un Kp iniziale derivato da una misurazione invece che da un’ipotesi, e sarà vicino. Da lì aggiungi il derivativo finché l’intreccio si smorza.

2. Dimostra che i guadagni dipendono dalla velocità

Regola il robot finché non segue bene il tracciato a una velocità di base bassa. Ora aumenta la velocità della metà ed esegui gli stessi guadagni senza modificare nulla.

Si intreccerà, taglierà gli angoli o perderà la linea. Nel controllore non è cambiato nulla — ma la stessa correzione di sterzo produce ora una variazione di orientamento maggiore per unità di tracciato, quindi il guadagno efficace aumenta con la velocità. Ogni regolazione è una regolazione a una velocità specifica, ed è per questo che un robot da competizione rallenta nelle curve invece di usare lo stesso guadagno ovunque.

3. Osserva come il numero di sensori cambi ciò che è possibile

Esegui lo stesso tracciato con gli stessi guadagni usando tre, cinque e otto sensori.

Il risultato interessante è che più sensori aumentano il limite superiore invece di migliorare quello inferiore. A bassa velocità tre sensori bastano. La risoluzione aggiuntiva inizia a pagare solo alle velocità in cui il segnale grossolano dell’errore diventa il fattore limitante.

4. Rompi di proposito un angolo acuto

Aumenta la velocità finché il robot perde la linea nell’angolo più stretto. Osserva cosa fa subito dopo. Poi pensa a cosa dovrebbe fare il robot reale: proseguire dritto è l’opzione peggiore, perché la linea si stava curvando.

Questo è il ragionamento dietro il mantenere l’ultimo errore quando si perde la linea invece di azzerarlo — zero significa “centrato” e comanda velocità massima dritto. Mantenere l’ultimo errore fa continuare a girare il robot nella direzione in cui stava già girando, cioè verso cui la linea è andata.

Cosa osservare

Portarlo sull’hardware

I guadagni trovati qui si trasferiscono come punto di partenza vicino, mentre la procedura di regolazione si trasferisce completamente. Aspettati di dover regolare di nuovo sul tuo nastro — e aspettati che il miglioramento più importante sull’hardware non venga dai guadagni ma dalla frequenza del ciclo, perché una prima realizzazione spesso gira a 20–50 Hz e può raggiungere diverse centinaia semplicemente eliminando le chiamate bloccanti. La realizzazione completa è in costruisci un robot che segue una linea.