Construa um robô com desvio de obstáculos

Um robô com desvio de obstáculos é a próxima construção natural depois de um robô seguidor de linha. Um robô seguidor de linha segue — acompanha uma linha que alguém desenhou para ele. Este robô decide: sem traçado nem mapa, ele detecta o espaço ao redor e escolhe para onde ir. Essa única diferença — reagir ao ambiente em vez de seguir um traçado — é o primeiro contato real com a autonomia, e ainda é simples o bastante para ser compreendido por completo.

O núcleo é um laço curto e repetitivo: detectar–varrer–decidir–virar. O sensor ultrassônico HC-SR04 emite um pulso à frente e mede o tempo do eco para estimar a distância; quando algo fica mais próximo do que um limite de segurança, o robô para, varre o sensor para a esquerda e para a direita com um servo SG90 e vira para a direção mais livre. Esse limite não é arbitrário — é uma distância de segurança calculada a partir da velocidade atual, da latência entre detecção, decisão e atuação, da distância de frenagem (que cresce com o quadrado da velocidade), do raio do robô e de uma margem, todos visíveis na curva de distância de parada do simulador.

Você acrescenta a um robô móvel os componentes de que ele precisa e aprende o que cada um faz: um Arduino Uno com lógica de 5 V que tolera erros de fiação, o sensor ultrassônico e sua zona cega (a distância mínima abaixo da qual ele não consegue informar), o servo que dá ao feixe um segundo ponto de vista, a ponte H L298N que comuta a corrente dos motores que os pinos lógicos não conseguem fornecer, dois motoresredutores TT em que o redutor troca velocidade por torque utilizável, um chassi 2WD com rodízio para direção diferencial e um pacote de bateria que precisa alimentar motores e lógica em trilhos separados. A árvore tecnológica também percorre dois caminhos de aprendizagem, controle de motores e navegação reativa; então as mesmas ideias de PWM, odometria e filtragem que você conheceu no robô seguidor de linha retornam aqui em um contexto de navegação.

Depois, antes de gastar dinheiro ou arriscar uma fiação errada, ajuste o comportamento de desvio no simulador do navegador até que o robô desvie com segurança em um ambiente obstruído. A área de trabalho lá é vista de cima e é bidimensional, com raios instantâneos e sem ruído; um feixe ultrassônico real se espalha por cerca de 15°, é bloqueado pelo próprio corpo do robô e é perturbado por superfícies moles ou inclinadas, então filtre as leituras com um filtro de mediana e adicione um pequeno atraso de estabilização depois que o servo se move antes de confiar em uma distância na montagem real. Encontrar uma distância de parada segura e uma regra que escolha a direção mais livre na simulação elimina a maior parte das suposições antes de o robô se mover.

Só então você conecta o robô real — trigger e echo na tensão correta, sinal do servo em um pino com capacidade PWM, PWM e direção dos motores no driver, bateria dos motores somente no terminal VM do driver e todos os terras unidos — e deixa o robô percorrer um piso com caixas ou cadeiras. As mesmas lições de medição e filtragem levam diretamente ao Micromouse em labirinto com paredes, caso você queira aprender mapeamento depois, ou à navegação ROS 2 se adicionar um Raspberry Pi.

Siga a árvore tecnológica abaixo de cima para baixo. Cada nó é liberado quando seus pré-requisitos são concluídos, e seu progresso é salvo neste dispositivo, para que você possa construir o robô durante um fim de semana sem perder o ponto.

Lista de materiais

Total: aproximadamente US$ 30–40.

Os dois sensores de batida são os melhores quarenta centavos do robô, e são a parte que a maioria das construções deixa de fora. Todo sensor de distância tem superfícies que não consegue detectar: um sonar não detecta cortinas nem paredes vistas em ângulo muito inclinado. E um robô sem detecção de contato empurrará uma cortina até algo ceder. Dois sensores atrás de um para-choque envolvente transformam “geralmente evita as coisas” em “nunca fica preso em algo que não pôde detectar”.

Como tudo se conecta

Preste atenção ao conflito de temporizador: a biblioteca Servo assume o Timer 1, que no Uno gera PWM nos pinos 9 e 10. Coloque o PWM dos motores em 3, 5, 6 ou 11 e o servo em qualquer pino, e o problema nunca acontece. Coloque a habilitação de um motor no pino 9 e seu controle de velocidade parará silenciosamente de funcionar no momento em que você conectar um servo.

A distância de parada, calculada em vez de adivinhada

O limite de parada é o número mais importante deste projeto, e ele não é arbitrário. É a soma de quatro distâncias:

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

Calculado para um robô a 0,3 m/s com 80 ms de latência e desaceleração de 1,0 m/s²:

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

Então cerca de 21 cm. Agora aumente a velocidade para 0,6 m/s:

= 0.048 + 0.18 + 0.09 + 0.05 = 0.37 m

O limite não dobrou — ele cresceu 76%, porque o termo de desaceleração acompanha o quadrado da velocidade. É por isso que um robô que evita obstáculos com confiabilidade mesmo em baixa velocidade começa a bater nas coisas quando você acelera, e por isso a solução é um limite dependente da velocidade, e não um único número fixo grande que deixa o robô tímido em todo lugar.

Construa em marcos

O marco 10 é o que separa uma demonstração de um robô. Uma almofada absorve completamente o pulso ultrassônico, então o sensor informa espaço aberto e o robô entra nela em velocidade máxima. Sem uma chave de batida, ele empurra até os motores travarem.

Solução de problemas

Para onde seguir

Adicione seguimento de parede. Um robô que mantém uma distância fixa de uma parede em um lado atravessa uma sala de forma determinística, em vez de vagar, e é o primeiro comportamento que começa a parecer um plano. É uma pequena mudança de código e uma grande mudança conceitual.

Adicione um segundo tipo de sensor. Um VL53L0X falha em superfícies quase exatamente opostas às problemáticas para o sonar — foscas escuras e espelhos, em vez de macias e inclinadas. Juntos, eles cobrem muito mais da sala do que qualquer um sozinho.

Aceite o limite e siga em frente. Um robô reativo não pode ser enviado a um destino, não pode garantir que cobriu o piso e pode percorrer indefinidamente um contorno em uma sala em forma de ferradura. Essas propriedades decorrem da ausência de mapa, não são bugs. Quando começarem a importar, o micromouse acrescenta mapeamento e planejamento, e o robô de cobertura enfrenta diretamente a pergunta “eu já passei por todo lugar?”.