Costruisci un robot di copertura che percorre un'intera stanza

Cosa stai costruendo

Un robot il cui compito non è arrivare da qualche parte, ma essere passato ovunque. Sembra un problema più piccolo della navigazione, ma è più grande, perché non c’è un bersaglio verso cui orientarsi né un modo per stabilire, da dove ti trovi, se stai vincendo.

È anche il progetto che premia maggiormente la misurazione prima della costruzione. Tutta la prima metà consiste in un robot con due interruttori e nessuna idea di dove si trovi, eppure funziona — una scoperta genuinamente scomoda se stavi per dedicare un fine settimana a una mappa.

Il numero che governa il progetto

L’area del pavimento divisa per la larghezza della spazzola è la distanza che percorrerebbe un robot perfetto:

d_optimal = A / w

Una stanza di 20 m² e una spazzola da 250 mm danno 80 m. Ogni strategia viene valutata come multiplo di tale valore, e i multipli non sono vicini:

Questi valori provengono dall’esecuzione del simulatore di copertura su cinque stanze. Prima di acquistare qualsiasi cosa, eseguilo tu e sposta i mobili mentre avanza — i numeri cambiano con la stanza, ed è la parte principale della lezione.

Elenco dei componenti

Totale: circa $50–65.

Questo è l’unico progetto del sito in cui il sensore più economico è quello principale. Due finecorsa a urto e una svolta casuale coprono un’intera stanza, se hai tempo a sufficienza — ed è esattamente così che funzionava la prima generazione di robot aspirapolvere; vale la pena costruirlo prima di ricorrere a qualcosa di più sofisticato.

La schiera IR viene usata in modo insolito: puntata verso il basso sul pavimento come sensore di dislivello anziché in avanti verso una linea. Un robot che copre una stanza troverà la cima delle scale.

Ordine di costruzione

1 — Metti in gara le strategie nel simulatore. Un’ora qui ti fa risparmiare un fine settimana. Osserva la curva di copertura appiattirsi e nota che tutte e tre le strategie sono identiche per la prima metà del pavimento.

2 — Costruisci il sistema di trazione e il paraurti, e nient’altro. Due microswitch a leva dietro una scocca elastica che avvolge almeno 45° su ciascun lato, cablati normalmente aperti a massa con i pull-up interni attivati. Esegui correttamente l’eliminazione del rimbalzo — una pressione genera nove fronti e un interrupt che effettua il conteggio segnalerà una collisione nove volte.

3 — Aggiungi i sensori di dislivello prima che il robot venga mai lasciato funzionare senza supervisione. Sensori di riflettanza rivolti verso il basso agli angoli anteriori, letti a ogni ciclo. Poi determina quanto veloce ti è consentito avanzare: latenza per velocità, più v²/2µg di frenata, deve rientrare nella distanza tra il punto in cui il sensore vede il dislivello e quello in cui le ruote lo raggiungono.

4 — Scrivi il rimbalzo casuale e lascialo funzionare per un’ora. Avanza in linea retta; in caso di urto, torna indietro brevemente e ruota di una quantità casuale compresa tra 90° e 270°. La casualità è essenziale — un angolo di riflessione fisso trasforma la stanza in un tavolo da biliardo e il robot traccia per sempre un percorso chiuso.

5 — Misuralo. Traccia una griglia sul pavimento con gesso o nastro adesivo, eseguilo per un tempo prestabilito e conta i quadratini. Questa è la base di riferimento ed è l’unico modo onesto di sapere se il passo 6 ti sia utile.

6 — Solo ora, aggiungi l’odometria. Encoder e odometria a trazione differenziale forniscono una stima della posizione. Pianifica file a serpentina distanti una spazzola, con una sovrapposizione del 10–20%, e aggira i mobili invece di investirli.

7 — Osserva le file smettere di essere parallele. Succederà entro circa dieci file, perché l’odometria deriva. Non è un bug del pianificatore; è il motivo per cui le macchine commerciali montano un giroscopio, una camera rivolta al soffitto o un segnalatore. Decidere se aggiungerne uno è la vera conclusione di questo progetto.

Note hardware che contano

Telaio rotondo, ruote sul diametro. Un robot circolare può sempre ruotare per uscire da una collisione in cui è entrato. Uno quadrato può incastrarsi in diagonale in un angolo e per liberarsi richiede un paraurti posteriore e un comportamento aggiuntivo.

La spazzola deve essere più larga del robot. Non è decorazione. Un pianificatore mantiene il corpo lontano da ogni parete, quindi tutto ciò che il corpo non raggiunge è pavimento che non verrà mai coperto — nel simulatore, 130 dei 133 quadratini mancati dal pianificatore si trovano entro due celle da una parete o da una gamba di tavolo. Una spazzola a sbalzo è ciò che li recupera.

Due metà di paraurti, non una. Un singolo interruttore ti dice che hai colpito qualcosa. Due ti dicono quale lato, l’informazione necessaria alla direzione di svolta, e costa un pin.

Dimensiona la batteria in metri, non in minuti. Un’ora a 0.25 m/s equivale a 900 m. Una stanza con rimbalzo casuale richiede circa 540 m per raggiungere il 99%. Tre stanze sono impossibili, ed è proprio questa aritmetica, non alcuna intuizione algoritmica, che ha spinto l’intera categoria di prodotti verso la creazione di mappe.

Come appare un risultato buono

La copertura è uno dei pochi comportamenti robotici associati a un singolo numero pulito, e il confronto tra le strategie è netto:

La forma di quelle colonne è l’intera lezione. Il rimbalzo casuale si avvicina alla copertura completa in modo asintotico senza mai raggiungerla del tutto — gli ultimi punti percentuali richiedono più tempo dei primi novanta. Una passata pianificata vi arriva all’incirca con una sola percorrenza e poi non ha più nulla da fare.

Questa è la differenza tra avere una memoria e non averla, espressa da un numero.

L’ultima riga è il limite reale di questo progetto. Una passata pianificata dipende dalla conoscenza della propria posizione, e l’odometria deriva senza limite — quindi oltre circa 4 m le passate parallele smettono di essere parallele e si aprono dei vuoti. Non è un problema di regolazione; è il motivo per cui esiste la creazione di mappe.

Quando va storto

Sei degli otto problemi riguardano i sensori, la meccanica o l’aritmetica anziché l’algoritmo — la stessa distribuzione del micromouse, e per la stessa ragione.

Per lo strato reattivo condiviso con ogni altro robot mobile, il robot che evita gli ostacoli è la costruzione più semplice con gran parte dello stesso hardware, mentre il percorso di navigazione reattiva copre i sensori e il comportamento sottostanti a entrambi.