Simulador de robô seguidor de linha no navegador

Controles

Use as predefinições de pista para estabelecer uma linha de base, ou pause a execução e desenhe diretamente no percurso. Os controles de velocidade do robô determinam quanto o chassi avança por atualização. A quantidade e o espaçamento dos sensores alteram o campo de visão. Os controles de ganho P, I e D mudam a resposta de direção; Passo avança uma atualização determinística enquanto a execução está pausada.

Comece com velocidade moderada, cinco sensores e os ganhos padrão. Altere uma variável por vez e compare as métricas de erro, tempo de volta e tempo na pista.

Teoria

A barra de sensores amostra a refletância na frente do robô. Cada sensor ativo contribui com sua posição relativa com sinal para uma média ponderada. O centro da barra corresponde a erro zero; leituras à esquerda ou à direita do centro produzem erro negativo ou positivo.

O controlador combina três termos:

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

A correção $u(t)$ acelera uma roda e desacelera a outra. O controle proporcional reage ao desvio atual, o integral corrige o viés persistente e o derivativo amortece mudanças rápidas.

Algoritmo

1. Amostre todos os sensores em intervalos fixos.
2. Calcule uma posição ponderada da linha e normalize-a em torno do centro.
3. Reutilize a última direção observada da linha quando todos os sensores perderem a pista.
4. Atualize os termos integral e derivativo usando o mesmo passo de tempo fixo.
5. Limite a correção, calcule os comandos dos motores esquerdo e direito e integre a pose do robô.

Ajuste o ganho proporcional até o robô acompanhar curvas suaves, aumente o ganho derivativo até a oscilação se estabilizar e introduza apenas ganho integral suficiente para remover um erro constante e reproduzível.

Código-fonte

O simulador no navegador e um microcontrolador usam a mesma forma de controle. Um laço compacto no estilo do Arduino parece assim:

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;
}

Mantenha o intervalo real de controle estável. Um atraso variável altera os termos derivativo e integral mesmo quando os ganhos não mudam.

Premissas e diferenças do hardware

Este é um modelo didático, não uma réplica do hardware. A pista é uma máscara binária plana e de alto contraste, sem variação de luz ambiente, portanto a barra de sensores vê preto e branco perfeitos — em fita real, iluminação da sala, brilho da superfície e altura dos sensores alteram as leituras e você precisa calibrar seguindo os passos das notas de fiação. A temporização é ideal: o controlador roda em intervalos fixos, sem variação do intervalo de execução causada por delay(), enquanto um laço físico de Arduino varia conforme outras tarefas, e essa variação altera a resposta do PID. O chassi é cinemático: as rodas nunca derrapam, os motores respondem instantaneamente e a bateria nunca perde tensão. Considere os ganhos encontrados aqui um ponto de partida próximo e reajuste no robô real depois da calibração.

Diagrama do circuito

Conecte as saídas dos sensores a entradas compatíveis com sinais analógicos, compartilhe o terra entre todos os módulos e acione os motores por uma ponte H, nunca diretamente pelos pinos do controlador.

Verifique a tensão nominal da alimentação dos motores e adicione desacoplamento local próximo ao controlador e ao driver. Nunca encaminhe a corrente dos motores pelo regulador lógico da placa de desenvolvimento.

Experimentos guiados

Cada um isola uma variável — o que é especialmente difícil no hardware real, onde tudo muda de uma vez.

1. Encontre o ganho crítico e depois divida-o por dois

Defina os ganhos integral e derivativo como zero e aumente o ganho proporcional até o robô oscilar de forma constante em um trecho reto — serpenteando com amplitude constante, em vez de crescer ou diminuir. Divida esse valor por dois.

Agora você tem um Kp inicial derivado de uma medição, e não de um palpite, e ele estará próximo. Aumente o ganho derivativo a partir daí até a oscilação ser amortecida.

2. Prove que os ganhos dependem da velocidade

Ajuste o robô até que ele acompanhe corretamente a uma velocidade base baixa. Agora aumente a velocidade pela metade e execute os mesmos ganhos sem mudar mais nada.

Ele vai oscilar, cortar cantos ou perder a linha. Nada mudou no controlador — mas a mesma correção de direção agora produz uma mudança maior de orientação por unidade de pista, portanto o ganho efetivo aumentou com a velocidade. Todo ajuste é um ajuste em uma velocidade específica, e é por isso que um robô de competição reduz a velocidade nos cantos em vez de usar o mesmo ganho em todo o percurso.

3. Veja a quantidade de sensores mudar o que é possível

Execute a mesma pista e os mesmos ganhos com três, cinco e oito sensores.

O resultado interessante é que mais sensores elevam o teto em vez de melhorar o piso. Em baixa velocidade, três sensores são suficientes. A resolução extra só começa a compensar nas velocidades em que o sinal de erro grosseiro se torna o fator limitante.

4. Quebre-o de propósito em um canto agudo

Aumente a velocidade até o robô perder a linha no canto mais fechado. Observe o que ele faz em seguida. Depois pense no que o robô real deveria fazer: seguir em frente é a pior opção, porque a linha estava se curvando para longe.

É esse o raciocínio por trás de manter o último erro quando a linha é perdida, em vez de zerá-lo — zero significa “centralizado”, o que comanda velocidade máxima em linha reta. Manter o último erro faz o robô continuar virando na direção em que já estava, que é para onde a linha foi.

O que observar

Aplicação em hardware

Os ganhos encontrados aqui são transferidos como um ponto de partida próximo, e o procedimento de ajuste é totalmente transferido. Espere reajustar na sua própria fita — e espere que a maior melhoria individual no hardware venha não dos ganhos, mas da frequência do controlador, pois uma primeira construção costuma rodar a 20–50 Hz e pode chegar a várias centenas de Hz apenas removendo chamadas bloqueantes. A construção completa está em construir um robô seguidor de linha.