Simulatie: lijnvolger afstellen in je browser

Bediening

Gebruik de parcoursvoorinstellingen om een basis vast te leggen, of pauzeer de rit en teken direct op het parcours. De robotsnelheid bepaalt hoe ver het chassis per update opschuift. Het aantal sensoren en hun onderlinge afstand veranderen het gezichtsveld. De bedieningen P, I en D veranderen de stuurrespons; Stap zet één deterministische update vooruit terwijl je gepauzeerd bent.

Begin met een matige snelheid, vijf sensoren en de standaardversterkingen. Verander één variabele per keer en vergelijk de fout, de rondetijd en de tijd-op-het-parcours.

Theorie

De sensorbalk neemt reflectie waar over de voorkant van de robot. Elke actieve sensor draagt zijn positie met voorteken bij aan een gewogen gemiddelde. Het midden van de balk is fout nul; aflezingen links of rechts van het midden leveren negatieve of positieve fout.

De regelaar combineert drie termen:

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

De correctie $u(t)$ versnelt het ene wiel en vertraagt het andere. Proportionele regeling reageert op de huidige afwijking, integrale regeling corrigeert aanhoudende vertekening, en differentiale regeling dempt snelle veranderingen.

Algoritme

1. Lees elke sensor met een vast interval.
2. Bereken een gewogen lijnpositie en normaliseer die rond het midden.
3. Hergebruik de laatst waargenomen lijnrichting wanneer alle sensoren de lijn kwijt zijn.
4. Werk de integraal- en differentiaalterm bij met dezelfde vaste tijdstap.
5. Begrens de correctie, bereken de motoropdrachten voor links en rechts, en integreer de robotpose.

Stel de proportionale versterking af tot de robot zachte bochten volgt, voeg differentiaalversterking toe tot de oscillatie stabiliseert, en introduceer alleen genoeg integraalversterking om een reproduceerbare offset te verwijderen.

Broncode

De browsersimulator en een microcontroller hebben dezelfde regelvorm. Een compacte Arduino-lus ziet er zo uit:

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;
}

Houd het echte regelinterval stabiel. Een variabele vertraging verandert de differentiaal- en integraalterm, ook als de versterkingen hetzelfde blijven.

Aannames en hardwareverschillen

Dit is een onderwijsmodel, geen hardwarekopie. Het parcours is een vlak, contrastrijk binair masker zonder variatie in omgevingslicht, dus de sensorbalk ziet perfect zwart en wit — op echte tape, kamerverlichting, oppervlakteglans en sensorhoogte veranderen de aflezingen en je moet ijken volgens de stappen in de bedradingsnotities. De timing is ideaal: de regelaar draait op een vast interval zonder delay()-jitter, terwijl een echte Arduino-lus meebeweeft met ander werk en die jitter verandert de PID-respons. Het chassis is kinematisch: de wielen slippen nooit, de motoren reageren direct en de accu zakt nooit door. Behandel de hier gevonden versterkingen als een bruikbaar beginpunt, en stel ze opnieuw af op de echte robot na het ijken.

Schakelschema

Sluit de sensoruitgangen aan op ingangen die analoog kunnen lezen, deel de massa tussen alle modules, en bestuur de motoren via een H-brug in plaats van vanaf controllerpinnen.

Controleer de nominale spanning van de motorvoeding en plaats lokale ontkoppeling dicht bij de controller en de besturing. Leid motorstroom nooit door de logische regelaar van een ontwikkelbord.

Begeleide experimenten

Elk van deze isoleert één variabele, en dat is precies wat lastig is op echte hardware waar alles tegelijk verandert.

1. Vind de ultieme versterking en halveer hem dan

Zet de integraal- en differentiaalversterking op nul en verhoog de proportionale versterking tot de robot stabiel slingert langs een recht stuk — in weven met constante amplitude in plaats van een groeiende of krimpende. Halveer die waarde.

Je hebt nu een beginwaarde voor Kp die uit een meting komt in plaats van uit een gok, en hij zal in de buurt liggen. Voeg vanaf daar D toe tot het weven uitdempt.

2. Bewijs dat versterkingen snelheidsafhankelijk zijn

Stel de robot af tot hij schoon volgt bij een lage basissnelheid. Verhoog nu de snelheid met de helft en voer dezelfde versterkingen uit zonder iets te veranderen.

Hij zal weven, bochten afsnijden, of de lijn kwijtraken. Er is niets aan de regelaar veranderd — maar dezelfde stuurcorrectie levert nu per eenheid parcours een grotere verandering in de koers, dus de effectieve versterking steeg mee met de snelheid. Elke afstelling is een afstelling bij een bepaalde snelheid, en daarom remt een wedstrijdrobot af voor bochten in plaats van overal één versterking te rijden.

3. Kijk hoe het sensoraantal verandert wat mogelijk is

Rij hetzelfde parcours met drie, vijf en acht sensoren en dezelfde versterkingen.

Het interessante resultaat is dat meer sensoren het plafond verhogen in plaats van de vloer te verbeteren. Bij lage snelheid zijn drie sensoren prima. De extra resolutie begint pas te lonen op de snelheden waar het grove foutsignaal de beperkende factor wordt.

4. Breek hem met opzet in een scherpe hoek

Verhoog de snelheid tot de robot de lijn kwijtraakt in de krapste hoek. Kijk wat hij daarna doet. Denk dan na over wat de echte robot zou moeten doen: rechtdoor rijden is de slechtste optie, want de lijn boog weg.

Dat is de redenering achter het vasthouden van de laatste fout bij lijnverlies in plaats van die op nul zetten — nul betekent “gecentreerd”, en dat beveelt volle snelheid rechtdoor. De laatste fout vasthouden laat de robot doordraaien in de richting waarin hij al draaide, en dat is waar de lijn heen ging.

Wat je moet zien

Naar de hardware

De hier gevonden versterkingen gaan over als bruikbaar beginpunt, en de afstelmethode gaat volledig over. Verwacht dat je op je eigen tape opnieuw moet afstellen — en verwacht dat de grootste enkele verbetering op hardware niet uit de versterkingen komt maar uit de lusfrequentie, want een eerste bouw draait vaak op 20–50 Hz en makkelijk enkele honderden haalt puur door blokkerende aanroepen weg te halen. De volledige bouw staat in bouw een lijnvolgende robot.