Рычажный микропереключатель

Что это такое

Рычажный микропереключатель — миниатюрный переключатель с мгновенным переключением — представляет собой механический контакт в небольшом пластиковом корпусе с выступающим металлическим рычагом. Нажмите на рычаг, и внутренняя пружина мгновенно замкнёт контакт; отпустите — пружина вернёт его обратно. Это один из старейших компонентов в данной библиотеке и один из самых полезных на роботе.

Именно мгновенное переключение делает микропереключатель компонентом робототехники. При нажатии контакт замыкается не постепенно, а скачком, в повторяемой точке и с характерным щелчком. Механизм, на который воздействует движущийся робот, при этом даёт определённый ответ «да или нет» — именно в такой ситуации плавный аналоговый датчик выдаёт бессмысленные значения.

Как это работает

Три вывода: COM (общий), NO (нормально разомкнутый) и NC (нормально замкнутый). Без нажатия COM соединён с NC. При нажатии контакт мгновенно переключается на NO. Используют два из трёх выводов, а третий оставляют неподключённым.

Для бампера робота подключите COM к земле, а NO ко входу, включив внутреннюю подтяжку вывода вверх:

pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);              // idle HIGH
bool pressed = digitalRead(BUMP_L) == LOW;  // LOW means the bumper moved

Такое подключение обеспечивает безопасный отказ: при обрыве провода бампера вывод считывает HIGH, то есть отсутствие нажатия. При обратном подключении обрыв убедит робот в постоянном столкновении. Для аварийной остановки используйте NC: в этом случае обрыв должен остановить машину.

Рычаг меняет силу на ход. Штоку без рычага нужно около 1 N на пути примерно 1 mm; рычаг увеличивает перемещение, поэтому оболочка бампера может переместиться на 3–5 mm и сработать при значительно меньшем усилии. Ролик на конце уменьшает трение, когда по нему скользят, а не нажимают перпендикулярно.

Когда его следует использовать

Используйте такой переключатель везде, где робот должен знать, что он уже вступил в контакт: бамперы, концевые упоры руки или каретки, датчики крышки или ящика, а также детектор стыковки. Это последний резервный способ обнаружения, и это его достоинство: он находит чёрную ножку стула, стеклянную панель и препятствие на неподходящей высоте, которые пропускают все оптические и акустические датчики.

Это также единственный датчик, необходимый роботу покрытия со случайными отскоками. Два таких переключателя и генератор случайных чисел позволят обойти всю комнату — удивительный объём поведения для двух подвижных деталей.

Выбирайте другое решение, если столкновение нужно предотвращать, а не обнаруживать: для этого предназначен ультразвуковой датчик или датчик времени пролёта. Используйте оба: дальномер обходит большинство препятствий, а переключатель ловит те, которых он не видит.

Распространённые ошибки

• Одно нажатие — девять фронтов. Устраните дребезг и никогда не подключайте прерывание, которое подсчитывает события: допустимо лишь прерывание, устанавливающее флаг или сохраняющее метку времени.
• Корпус переключателя не является несущей деталью. Установите на оболочке бампера жёсткий упор, принимающий удар. Корпуса трескаются, и именно это убивает их намного раньше износа контактов.
• Собственная пружина не вернёт бампер. Микропереключатель возвращает усилие 50–100 g. Для возврата используйте резиновые кольца или лёгкие пружины сжатия, оставив переключателю только функцию датчика.
• Плоский бампер пропускает скользящие удары. Оберните оболочку хотя бы на 45° с каждой стороны и установите переключатель за каждой половиной, чтобы код знал, в какую сторону поворачивать.
• Длинные провода собирают шум двигателя. Прокладывайте короткую трассу, скручивайте пару и полагайтесь на низкоомный путь через подтягивающий резистор при замыкании.
• Номинальные контактные параметры рассчитаны на сеть, а не на логику. От переключателя с параметрами 5 A при 125 V AC здесь требуется пропустить микроамперы; номинал ничего полезного не говорит о ресурсе в этой задаче. Полезны предварительный ход и усилие срабатывания.

Подключение

Используются два из трёх выводов, и выбор между ними определяет поведение робота при неисправности.

Различие важно. Бампер, подключённый к NO, безопасно считывает «столкновения нет», и это правильно: робот с повреждённым проводом бампера должен продолжать движение, а не замирать. Аварийная остановка, подключённая к NC, безопасно считывает «остановлено», что по противоположной причине также правильно.

Используйте внутреннюю подтяжку. Она ничего не стоит, не требует компонентов и задаёт определённое состояние покоя. Вывод, оставленный как INPUT с подключённым переключателем, при разомкнутом контакте находится в плавающем состоянии и считывает любой посторонний электрический шум, которого на роботе с двигателями очень много.

Устранение дребезга

Одно нажатие вызывает примерно девять переходов за около 4.7 ms, пока контакты замыкаются и отскакивают. Наивное чтение вывода в программном обеспечении воспринимает девять нажатий.

const int BUMP_L = 2, BUMP_R = 3;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 8;      // longer than the ~5 ms bounce

struct Bumper {
  uint8_t pin;
  bool stable;            // the debounced state
  bool lastRead;
  unsigned long changedAt;
};

Bumper left  = {BUMP_L, true, true, 0};
Bumper right = {BUMP_R, true, true, 0};

// Returns true on the frame the bumper newly closes.
bool update(Bumper &b) {
  bool now = digitalRead(b.pin);          // HIGH = open, with INPUT_PULLUP
  if (now != b.lastRead) {
    b.lastRead = now;
    b.changedAt = millis();               // restart the timer on any edge
    return false;
  }
  if (millis() - b.changedAt >= DEBOUNCE_MS && b.stable != now) {
    b.stable = now;
    return (now == LOW);                  // newly pressed
  }
  return false;
}

void setup() {
  pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUMP_R, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  if (update(left))  { backUp(); turnRight(); }
  if (update(right)) { backUp(); turnLeft(); }
}

Важная структурная особенность — таймер перезапускается на каждом фронте, а не выполняет одно чтение и ожидание. Фиксированный подход «прочитать и подождать» может попасть внутрь дребезга и зафиксировать неверное значение; перезапуск окна принимает состояние только после того, как вывод оставался неизменным в течение всего интервала.

Почему не прерывание

Прерывания от бамперного переключателя — ловушка, причём вполне определённая:

• Никогда не подключайте прерывание, которое подсчитывает события. Девять фронтов превращаются в девять отсчётов, а устранение дребезга внутри ISR требует millis(), которые на AVR внутри ISR не увеличиваются.
• Прерывание, устанавливающее флаг, допустимо, если дребезг устраняется в главном цикле. Но опрос переключателя с частотой 100 Hz ничего не стоит, а цикл робота уже выполняется.
• Оставьте D2 и D3 для энкодеров на Uno. Это единственные два вывода внешних прерываний, и энкодерам они действительно нужны. Бамперу — нет.

Единственный случай, оправдывающий прерывание, — жёсткая аварийная остановка, которая должна отключить двигатели даже при зависании главного цикла. Лучше подключить переключатель к разрешающему выводу драйвера двигателя, чтобы остановка работала вообще без программного обеспечения.

Крепление: именно оно определяет работоспособность

Всё описанное выше — решённые задачи. Механическая конструкция определяет, будут ли бамперы работать.

Удар принимает оболочка, а не переключатель. Корпус микропереключателя тонкий пластиковый и трескается при прямом ударе. Создайте поворачивающуюся или сдвижную оболочку бампера, установите жёсткий упор, принимающий усилие, и поручите переключателю фиксировать небольшое перемещение в конце хода.

Оберните оболочку. Плоский передний бампер пропускает всё, что ударяется под углом, а робот, навигирующий по дальномерам, чаще всего сталкивается именно под углом: препятствия прямо перед ним уже обнаружены. Оберните оболочку хотя бы на 45° с каждой стороны.

Два переключателя, а не один. Слева и справа, за двумя половинами оболочки. Один переключатель сообщает, что произошло столкновение; два — в какую сторону поворачивать. Разница в поведении огромна, а дополнительная стоимость составляет около двадцати центов.

Возвращайте бампер собственной пружиной. Внутренняя пружина микропереключателя создаёт лишь усилие 50–100 g, недостаточное для надёжного возврата оболочки с трением в оси. Используйте резиновые кольца или лёгкие пружины сжатия, оставив переключателю только датчик.

Установите предварительный ход так, чтобы оболочка двигалась до конечного положения переключателя. Переключатель срабатывает после 1–3 mm и имеет небольшой дополнительный ход сверх этого. Жёсткий упор оболочки должен наступать в пределах этого дополнительного хода, иначе удар примет внутренний механизм переключателя.

Как выбрать

Номинальные контактные параметры здесь несущественны. От переключателя с параметрами 5 A при 125 V AC требуется пропустить несколько микроамперов в подтягивающий резистор. Важна механическая спецификация: усилие срабатывания, предварительный ход и номинальный механический ресурс (10⁵–10⁷ переключений). Робот, совершающий по сто бамперных ударов за заезд, достигает 10⁵ переключений после тысячи заездов, поэтому механический ресурс фактически неограничен: переключатель раньше погибнет от треснувшего корпуса.

Диагностика

Почему эта дешёвая деталь заслуживает места

У любого другого датчика робота есть поверхности, которых он не видит. Ультразвуковой датчик не замечает шторы и стены под крутым углом. VL53L0X не видит чёрные матовые поверхности, зеркала и другие предметы при ярком солнечном свете. Камере нужен свет.

У микропереключателя такого списка нет. Если что-то касается бампера, контакт замыкается. Это делает его последним резервным способом обнаружения, а на роботе, который должен долго работать без присмотра, — самой дешёвой доступной мерой надёжности: два переключателя, два вывода и около сорока центов.

Удивительно, но его также достаточно самостоятельно. Робот с двумя бамперными переключателями и случайным поворотом при контакте за достаточное время обойдёт всю комнату — именно так работали первые поколения роботов-пылесосов, и это стоит понять до перехода к чему-либо более сложному.