Bouw een robot die een gebied afdekt en de vloer veegt

Wat u bouwt

Een robot waarvan de taak niet is om ergens te komen, maar om overal te zijn geweest. Dat klinkt eenvoudiger dan navigatie, maar het is een groter probleem, want er is geen doel om naartoe te sturen en vanuit uw eigen positie kunt u niet bepalen of u vooruitgang boekt.

Het is ook het project waarbij meten vóór het bouwen het meeste oplevert. De hele eerste helft bestaat uit een robot met twee schakelaars die geen idee heeft waar hij is, en hij werkt — een werkelijk ongemakkelijke ontdekking als u net een weekend aan een plattegrond wilde besteden.

Het getal dat het project aanstuurt

De vloeroppervlakte gedeeld door de borstelbreedte geeft de afstand die een perfecte robot zou afleggen:

d_optimal = A / w

Een ruimte van 20 m² en een borstel van 250 mm leveren 80 m op. Elke strategie wordt beoordeeld als een veelvoud van die waarde, en die veelvouden liggen niet dicht bij elkaar:

Die getallen komen uit tests met de dekkingssimulator in vijf ruimten. Voer hem zelf uit voordat u iets koopt en verplaats het meubilair terwijl hij rijdt — de getallen veranderen met de ruimte, en dat is het grootste deel van de les.

Materialenlijst

Totaal: ongeveer $50–65.

Dit is het enige project op de site waarvoor de goedkoopste sensor de belangrijkste is. Twee botsingsschakelaars en een willekeurige draai dekken een volledige ruimte als er genoeg tijd is — precies zo werkte de eerste generatie stofzuigrobots, en het is de moeite waard dit te bouwen voordat u naar iets slimmers grijpt.

De IR-array krijgt hier een ongebruikelijke taak: naar beneden op de vloer als afdalingssensor in plaats van vooruit naar een lijn. Een robot die een ruimte afdekt, komt bij de bovenkant van een trap.

Bouwvolgorde

1 — Laat de strategieën in de simulator racen. Een uur hier bespaart een weekend. Bekijk hoe de dekkingscurve vlak wordt en merk op dat alle drie de strategieën gelijk zijn over de eerste helft van de vloer.

2 — Bouw de aandrijving en de bumper, en niets anders. Twee hefboommicroschakelaars achter een veerkrachtige behuizing die aan elke kant minstens 45° om de robot loopt, normaal open (NO) naar GND bekabeld, met de interne pull-ups ingeschakeld. Contactdoorslag onderdrukken — één druk geeft negen flanken en een interrupt die telt, meldt een botsing negen keer.

3 — Voeg de afdalingssensoren toe voordat de robot ooit zonder toezicht rijdt. Reflectiesensoren aan de voorhoeken kijken naar beneden en worden bij elke doorloop gelezen. Bepaal daarna hoe snel u mag rijden: latentie maal snelheid, plus v²/2µg remafstand, moet passen binnen de afstand tussen het zien van de afdaling en die bereiken.

4 — Schrijf willekeurig afsturen en laat hem een uur rijden. Rijdt rechtdoor; keer na een botsing kort terug en draai een willekeurige hoek tussen 90° en 270°. De willekeur is essentieel — bij een vaste reflectiehoek wordt de ruimte een biljartafel en tekent de robot eindeloos een gesloten pad.

5 — Meet het. Teken met krijt of tape een raster op de vloer, laat de robot een vaste tijd rijden en tel de vakjes. Dit is het uitgangspunt en de enige eerlijke manier om vast te stellen of stap 6 u iets oplevert.

6 — Voeg nu pas odometrie toe. Encoders en odometrie voor differentiële aandrijving geven een schatting van de positie. Plan zigzagbanen op 80–90% van de borstelbreedte afstand, dus met 10–20% overlap, en route om meubilair heen in plaats van er tegegaan.

7 — Bekijk hoe de rijen niet meer evenwijdig worden. Dat gebeurt binnen ongeveer tien rijen, omdat odometrie afwijkt. Dat is geen bug in uw planner; het is de reden dat commerciële machines een gyroscoop, een plafondcamera of een baken hebben. De beslissing of u er een toevoegt, is het echte einde van dit project.

Hardware-opmerkingen die ertoe doen

Rond onderstel, wielen op de middellijn. Een ronde robot kan na elke botsing altijd draaien. Een vierkante robot kan diagonaal in een hoek vastzitten en heeft een achterbumper en extra gedrag nodig om los te komen.

De borstel moet breder zijn dan de robot. Dit is geen versiering. Een planner houdt het lichaam bij elke muur op afstand, dus alles wat het lichaam niet kan bereiken blijft onbedekte vloer — in de simulator liggen 130 van de 133 vakjes die de planner mist binnen twee cellen van een muur of poot van een tafel. Een uitstekende borstel bereikt die gebieden wel.

Twee helften van een bumper, niet één. Eén schakelaar vertelt u dat u ergens tegenaan bent gekomen. Twee vertellen u welke kant, en dat is de informatie die de draairichting nodig heeft, en het kost één pin.

Budget de accu in meters, niet minuten. Een uur bij 0,25 m/s is 900 m. Eén ruimte met willekeurig afsturen vergt ongeveer 540 m voor 99%. Drie ruimten zitten er niet in, en dat rekenwerk — niet enig algoritmisch inzicht — heeft de hele productcategorie naar kaartvorming gestuurd.

Zo ziet goed eruit

Dekking is een van de weinige robotgedragingen met één helder getal, en de vergelijking tussen strategieën is dramatisch:

De vorm van die kolommen is de hele les. Willekeurig afsturen nadert asymptotisch volledige dekking aan en komt er nooit helemaal — de laatste paar procent kosten langer dan de eerste negentig procent. Een geplande veeggang bereikt dat in ongeveer één veegbaan en heeft daarna niets meer te doen.

Dat is het verschil tussen geheugen hebben en niet hebben, uitgedrukt als getal.

De laatste rij is de eerlijke bovengrens van dit project. Een geplande veeggang hangt af van het weten waar u bent, en odometrie wijkt onbeperkt af — dus voorbij ongeveer 4 m zijn de evenwijdige veegbanen niet meer evenwijdig en ontstaan er gaten. Dat is geen afstemmingsprobleem; het is waarom er kaartvorming bestaat.

Wanneer het misgaat

Zes van die acht hebben te maken met waarneming, mechanica of rekenwerk en niet met een algoritme — dezelfde verdeling als bij de micromouse, en om dezelfde reden.

Voor de reactieve laag die dit project deelt met elke andere mobiele robot is de robot voor obstakelvermijding de eenvoudigere build met grotendeels dezelfde hardware, en het pad voor reactieve navigatie behandelt de waarneming en het gedrag onder beide.