Симулятор следования по линии: настройка в браузере

Управление

Используйте пресеты трасс, чтобы задать базовый режим, или приостановите запуск и рисуйте прямо на трассе. Скорость робота определяет, насколько далеко шасси продвигается за обновление. Количество датчиков и расстояние между ними изменяют поле зрения. Элементы P, I и D меняют отклик руления; Шаг выполняет одно детерминированное обновление на паузе.

Начните с умеренной скорости, пяти датчиков и коэффициентов по умолчанию. Изменяйте одну переменную за раз и сравнивайте ошибку, время круга и показатели времени на трассе.

Теория

Линейка датчиков измеряет отражение перед роботом. Каждый активный датчик добавляет свою знаковую позицию к взвешенному среднему. Центр планки соответствует нулевой ошибке; показания слева или справа от центра дают отрицательную или положительную ошибку.

Регулятор объединяет три слагаемых:

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

Коррекция $u(t)$ ускоряет одно колесо и замедляет другое. Пропорциональное управление реагирует на текущее отклонение, интегральная составляющая устраняет постоянное смещение, а производная составляющая демпфирует быстрые изменения.

Алгоритм

1. Считывайте все датчики через фиксированный интервал.
2. Вычисляйте взвешенное положение линии и нормализуйте его относительно центра.
3. Используйте последнее наблюдавшееся направление линии, когда её теряют все датчики.
4. Обновляйте интегральную и производную составляющие с тем же фиксированным шагом времени.
5. Ограничивайте коррекцию, вычисляйте команды левого и правого двигателей и интегрируйте позу робота.

Настройте пропорциональный коэффициент до прохождения плавных поворотов, добавляйте производную до затухания колебаний и вводите только минимальную интегральную составляющую, необходимую для устранения повторяющегося смещения.

Исходный код

Браузерный симулятор и микроконтроллер используют одинаковую структуру управления. Компактный цикл в стиле Arduino выглядит так:

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;
}

Поддерживайте стабильный реальный интервал управления. Переменная задержка меняет производную и интегральную составляющие, даже если коэффициенты остаются прежними.

Допущения и отличия от реального оборудования

Это учебная модель, а не копия реальной конструкции. Трасса — плоская двухцветная полоса с высоким контрастом, без изменений окружающего освещения, поэтому линейка датчиков видит идеальные чёрный и белый цвета; на реальной ленте, при комнатном освещении, бликах поверхности и изменении высоты датчиков показания меняются, и их нужно калибровать по инструкции по соединениям. Хронометраж идеален: регулятор работает с фиксированным интервалом без дрожания delay(), тогда как физический цикл Arduino меняется из-за другой работы, и это дрожание меняет отклик ПИД-регулятора. Шасси кинематическое: колёса не проскальзывают, двигатели реагируют мгновенно, а напряжение аккумулятора не проседает. Считайте найденные здесь коэффициенты близкой отправной точкой, а после калибровки заново настройте их на реальном роботе.

Схема соединений

Подключите выходы датчиков к аналоговым входам, соедините общие провода всех модулей и управляйте двигателями через H-мост, а не непосредственно выводами контроллера.

Проверьте номинал источника питания двигателей и установите локальную развязку рядом с контроллером и драйвером. Никогда не направляйте ток двигателей через логический стабилизатор отладочной платы.

Управляемые эксперименты

Каждый из них изолирует одну переменную — именно это по-настоящему трудно сделать на реальной аппаратуре, где всё меняется одновременно.

1. Найдите критический коэффициент усиления, затем уменьшите его вдвое

Установите интегральную и производную составляющие в ноль и увеличивайте пропорциональный коэффициент, пока робот не начнёт устойчиво колебаться на прямом участке — перемещаясь с постоянной амплитудой, а не растущей или уменьшающейся. Уменьшите полученное значение вдвое.

Теперь у вас есть отправная точка Kp, полученная из измерения, а не догадки, и она будет близкой. Добавляйте производную, пока колебания не затухнут.

2. Докажите, что коэффициенты зависят от скорости

Настройте робота так, чтобы он чисто проходил трассу при низкой базовой скорости. Теперь увеличьте скорость вдвое и прогоните с теми же коэффициентами, ничего не меняя.

Он начнёт перемещаться зигзагом, срезать углы или терять линию. Регулятор не изменился, но та же коррекция руления теперь даёт большее изменение курса на единицу пути, поэтому эффективный коэффициент вырос вместе со скоростью. Каждая настройка относится к определённой скорости, поэтому соревновательный робот замедляется перед поворотами, а не использует один коэффициент везде.

3. Посмотрите, как количество датчиков меняет возможности

Пройдите одну и ту же трассу с теми же коэффициентами и тремя, пятью и восемью датчиками.

Интересный результат: больше датчиков повышает верхнюю границу, а не улучшает нижнюю. На низкой скорости трёх датчиков достаточно. Дополнительное разрешение начинает окупаться только на скоростях, где грубый сигнал ошибки становится ограничивающим фактором.

4. Намеренно сломайте робота на резком углу

Увеличивайте скорость, пока робот не потеряет линию на самом крутом углу. Посмотрите, что он сделает дальше. Затем подумайте, что должен делать настоящий робот: движение прямо — худший вариант, потому что линия уходила в сторону.

Именно поэтому при потере линии удерживают последнюю ошибку, а не обнуляют: ноль означает «центрирование» и командует полной скоростью прямо. Удержание последней ошибки заставляет робота поворачивать в ту сторону, в которую он уже поворачивал, то есть туда, куда ушла линия.

Что следует наблюдать

Переход к реальному оборудованию

Найденные здесь коэффициенты переносятся как близкая отправная точка, а процедура настройки переносится полностью. Ожидайте повторной настройки на своей ленте и ожидайте, что главное улучшение на реальном роботе придёт не от коэффициентов, а от частоты контура: первая конструкция часто работает на 20–50 Hz и может достичь нескольких сотен, просто убрав блокирующие вызовы. Полная сборка приведена в сборке робота для следования по линии.