Costruisci un robot seguilinea: dal simulatore alla pista reale

Un robot seguilinea è il miglior primo robot: sente, decide e si muove, eppure ogni sua parte è abbastanza semplice da capire completamente. Questo percorso di costruzione lo tratta esattamente così: come un percorso. Invece di una lista di componenti e di una foto del cablaggio da copiare, sblocchi un nodo alla volta, imparando il meccanismo dietro ogni passo prima di costruirlo.

Inizi capendo come una fila di sensori a infrarossi (IR) diventa un unico errore di sterzata e come un ciclo Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID) trasforma quell’errore in movimento regolare. Cinque sensori sono il punto ideale per una prima costruzione: tre bastano a bassa velocità ma danno una posizione grossolana, otto danno una risoluzione più fine ad alta velocità ma complicano cablaggio e calibrazione. La media ponderata che riduce quelle letture a un unico numero con segno—negativo quando la linea è a sinistra, positivo quando è a destra—è l’unico segnale che il ciclo di sterzata vede mai; per questo ottenere correttamente quel numero conta più che scegliere una scheda particolare.

Quel segnale deve poi diventare due velocità diverse per le ruote. La trazione differenziale significa che il robot sterza facendo girare le ruote a velocità diverse, e l’albero tecnologico ti porta dal driver grezzo del motore attraverso la modulazione di larghezza d’impulso (PWM) e la cinematica che trasforma una singola correzione in comandi per sinistra e destra. Vedrai anche dove si inserisce l’odometria: contare il movimento delle ruote dice quanto hai percorso e perché questa stima deriva senza un riferimento esterno, un tema che ritorna in ogni robot da labirinto.

Prima di spendere qualcosa o rischiare un collegamento errato, regoli il comportamento nel simulatore del browser, disegnando una pista, cambiando numero e spaziatura dei sensori e trascinando i guadagni Proporzionale, Integrale e Derivativo mentre osservi errore, tempo sul giro e tempo sulla pista. Il simulatore è un modello didattico, non hardware: presuppone una pista piatta, binaria e ad alto contrasto, una calibrazione ideale, nessuna variazione della luce ambiente e un ciclo perfettamente periodico senza slittamento delle ruote. I guadagni trovati qui sono un buon punto di partenza, ma dovrai comunque calibrare l’array reale e regolarlo di nuovo sul tuo nastro.

Solo dopo colleghi il robot vero: uscite a riflessione verso pin capaci di accettare segnali analogici, PWM e direzione verso l’L298N (i pin logici non possono fornire corrente al motore: l’H-bridge doppio commuta invece la corrente reale), alimentazione separata per i motori sulla propria linea e una massa comune che colleghi ogni modulo. L’ultimo nodo è l’assemblaggio e l’iterazione su un percorso reale nastrato, dove trasferisci i guadagni del simulatore e li modifichi in base a superficie, tensione della batteria e temporizzazione del ciclo. La stessa struttura riappare più avanti nel risolutore di labirinto di linee, che aggiunge a questo seguilinea uno strato decisionale: consolidare questa base ti fa risparmiare tempo due volte.

Percorri l’albero tecnologico qui sotto dall’alto verso il basso. Ogni nodo si sblocca quando i suoi prerequisiti sono completi e i progressi vengono salvati su questo dispositivo, così puoi costruire il robot durante un fine settimana senza perdere il punto.

Lista dei componenti

Totale: circa $30–45. L’aggiornamento più prezioso dell’elenco è un motore con encoder, non per questo progetto, che non ne ha bisogno, ma perché un robot seguilinea quasi sempre diventa un risolutore di labirinto di linee, e quello sì ne ha bisogno.

Per la pista: nastro nero opaco su un pavimento chiaro opaco. Il nastro lucido riflette come il bianco se l’angolo è sbagliato, e lo fa anche un pavimento lucido: ottieni così un robot che funziona su una superficie e non su un’altra per ragioni che sembrano software.

Come si collega tutto

Due guasti spiegano la maggior parte dei problemi alla prima esecuzione, e nessuno dei due produce un messaggio di errore. Una massa comune mancante fa sì che i segnali di direzione non abbiano riferimento, così nulla si muove mentre tutto sembra collegato correttamente. La corrente dei motori attraverso l’Arduino abbassa la linea a 5 V, resetta la scheda e si manifesta come un blocco software.

Costruiscilo in traguardi

Non collegare tutto il robot e poi eseguire il debug. Ogni fase qui sotto ha un test e una fase che non lo supera si nasconde dentro la successiva.

Il traguardo 6 è quello che le persone saltano e non dovrebbero. Se il segnale di posizione salta mentre la linea passa tra due sensori, nessun ciclo di controllo può essere regolato: la discontinuità sembra un errore improvviso enorme e il robot scatta esattamente in quel punto a ogni giro. Un salto lì significa che l’array non è calibrato per canale oppure che la soglia di un canale lo esclude troppo presto.

Che aspetto ha un buon risultato

La frequenza del ciclo merita attenzione perché limita silenziosamente tutto il resto. Un ciclo di controllo a 50 Hz vede la linea ogni 20 ms e, a 0.5 m/s, percorre 10 mm tra una decisione e l’altra. Rimuovere ogni delay() dal ciclo e leggere solo i sensori che usi porta di solito una prima costruzione da 50 Hz a diverse centinaia, e l’inseguimento migliora senza toccare alcun guadagno.

Risoluzione dei problemi

Da dove proseguire

Il robot seguilinea è deliberatamente una base, e tre direzioni si costruiscono direttamente su di esso.

Aggiungi il rilevamento dei bivi e diventa un risolutore di labirinto di linee: lo stesso ciclo PID sotto, con uno strato decisionale sottile sopra che classifica le ramificazioni e ricorda il percorso. Questo è il miglior progetto successivo, perché riutilizza tutto ciò che hai qui e aggiunge una sola idea realmente nuova.

Aggiungi gli encoder e potrai mantenere una velocità comandata anziché un duty comandato, eliminando completamente il problema «peggiora mentre la batteria si scarica» e rendendo stabile la regolazione per tutta la corsa.

Vai più veloce, il che è più difficile di quanto sembri e insegna di più. La velocità espone ogni approssimazione: la frequenza del ciclo diventa il limite, l’array deve essere più avanti per dare tempo di anticipo, le curve vanno rallentate prima di arrivare invece che dopo, e le ruote iniziano a slittare. Quest’ultimo è il muro: vedi slittamento delle ruote e trazione per capire dove si trova.