Robot con evitamento degli ostacoli: rileva, scansiona e sterza

Un robot con evitamento degli ostacoli è la costruzione naturale dopo un robot seguilinea. Un robot seguilinea segue: segue una linea che qualcuno ha tracciato per lui. Questo robot decide: senza pista e senza mappa, sente lo spazio intorno a sé e sceglie dove andare. Questa differenza—reagire al mondo invece di seguirlo—è il primo vero assaggio di autonomia, ed è ancora abbastanza semplice da capire completamente.

Il nucleo è un breve ciclo ripetuto: rileva–scansiona–decide–sterza. Il sensore ultrasonoro HC-SR04 invia un ping in avanti e misura l’eco per stimare la distanza; quando qualcosa è più vicino di una soglia di sicurezza, il robot si ferma, fa oscillare il sensore a sinistra e a destra con un servomotore SG90 e sterza verso la direzione più aperta. La soglia non è arbitraria: è una distanza di sicurezza costruita a partire dalla velocità attuale, dalla latenza tra sensore, decisione e attuazione, dalla distanza di frenatura (che cresce con il quadrato della velocità), dal raggio del robot e da un margine, tutti visibili nella curva della distanza di arresto nel simulatore.

Aggiungi i componenti necessari a un robot mobile e impari cosa fa ciascuno: un Arduino Uno per una logica a 5 V tollerante, il sensore ultrasonoro e la sua zona cieca (la distanza minima sotto la quale non può riportare nulla), il servomotore che dà al fascio un secondo punto di vista, l’H-bridge L298N che commuta la corrente dei motori che i pin logici non possono fornire, due motori TT con riduttore, dove il riduttore scambia velocità con coppia utilizzabile, un telaio 2WD con supporto girevole per la sterzata differenziale e un pacco batteria che deve alimentare motori e logica su linee separate. L’albero tecnologico ti porta anche attraverso due percorsi di apprendimento—controllo dei motori e navigazione reattiva—così le stesse idee di PWM, odometria e filtraggio incontrate nel robot seguilinea tornano qui in un contesto di navigazione.

Poi, prima di spendere qualcosa o rischiare un collegamento errato, regola il comportamento di evitamento nel simulatore del browser finché non naviga in modo pulito in uno spazio ingombro. L’area di lavoro è vista dall’alto e bidimensionale, con raggi istantanei e privi di rumore; un fascio ultrasonoro reale si apre di circa 15°, è bloccato dal corpo stesso del robot ed è disturbato da superfici morbide o inclinate, quindi filtrerai le letture, aggiungerai un filtro mediano e una breve pausa di assestamento dopo che il servomotore si è mosso prima di fidarti di una distanza sull’hardware. Trovare in simulazione una distanza di arresto sicura e una regola per la direzione chiara elimina quasi tutti i dubbi prima che il robot si muova.

Solo dopo colleghi il robot vero— trigger ed eco alla tensione corretta, segnale del servomotore a un pin che supporta PWM, PWM e direzione dei motori al driver, batteria dei motori solo al pin VM del driver, ogni massa collegata insieme— e lo fai girare su un pavimento con scatole o sedie. Le stesse lezioni di rilevamento e filtraggio portano direttamente al Micromouse con labirinto a muri se in seguito vuoi aggiungere la mappatura, o alla navigazione ROS 2 se aggiungi un Raspberry Pi.

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 $30–40.

I due interruttori a urto sono i quaranta centesimi meglio spesi sul robot e sono la parte che la maggior parte delle costruzioni omette. Ogni sensore di distanza ha superfici che non può vedere: un sonar è cieco alle tende e ai muri incontrati con un angolo ripido e un robot senza sensori di contatto spingerà una tenda finché qualcosa non cede. Due interruttori dietro un paraurti avvolto trasformano «di solito evita le cose» in «non si blocca mai contro qualcosa che non poteva vedere».

Come si collega tutto

Fai attenzione al conflitto del timer: la libreria Servo prende il Timer 1, che su un Uno gestisce il PWM sui pin 9 e 10. Metti il PWM dei motori su 3, 5, 6 o 11 e il servomotore su un pin qualsiasi: il problema non si presenta. Metti l’abilitazione dei motori sul pin 9 e il suo controllo della velocità smetterà silenziosamente di funzionare nel momento in cui colleghi un servomotore.

La distanza di arresto, calcolata invece che indovinata

La soglia di arresto è il numero più importante di questo progetto e non è arbitraria. È la somma di quattro distanze:

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

Calcolato per un robot a 0.3 m/s con 80 ms di latenza e 1.0 m/s² di frenatura:

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

Quindi circa 21 cm. Ora raddoppia la velocità a 0.6 m/s:

= 0.048 + 0.18 + 0.09 + 0.05 = 0.37 m

La soglia non è raddoppiata: è cresciuta del 76%, perché il termine di frenatura va con il quadrato della velocità. Ecco perché un robot che evita in modo affidabile a velocità di camminata comincia a sbattere contro le cose quando lo acceleri, e perché la soluzione è una soglia dipendente dalla velocità, non un unico grande numero fisico che rende il robot timido ovunque.

Costruiscilo in traguardi

Il traguardo 10 è quello che distingue una dimostrazione da un robot. Un cuscino assorbe completamente l’impulso ultrasonoro, quindi il sensore segnala uno spazio aperto e il robot ci entra a tutta velocità. Senza un interruttore a urto, poi spinge finché i motori non si bloccano.

Risoluzione dei problemi

Da dove proseguire

Aggiungi l’inseguimento delle pareti. Un robot che mantiene una distanza fissa da una parete su un lato percorre una stanza in modo deterministico invece di vagare, ed è il primo comportamento che comincia a sembrare un piano. È una piccola modifica al codice e una grande modifica concettuale.

Aggiungi un secondo tipo di sensore. Un VL53L0X fallisce su superfici quasi esattamente opposte al sonar: quelle scure e opache e gli specchi, rispetto a quelle morbide e inclinate. Insieme coprono molto più della stanza rispetto a uno dei due da solo.

Accetta il limite e prosegui. Un robot reattivo non può essere mandato ovunque, non può promettere di aver coperto il pavimento e può girare per sempre in una stanza a ferro di cavallo. Sono proprietà dell’assenza di una mappa, non bug. Quando iniziano a contare, il micromouse aggiunge mappatura e pianificazione e il robot per la copertura affronta direttamente la domanda «sono passato ovunque?».