Робот, следующий по линии: от симулятора к реальной трассе

Робот, следующий по линии, — лучший первый проект: он обнаруживает, принимает решения и движется, но каждая его часть достаточно проста для полного понимания. Это пошаговое руководство рассматривает проект именно как последовательность шагов. Вместо списка компонентов и схемы подключения, которую нужно просто повторить, вы последовательно открываете узлы и перед сборкой каждого узла изучаете соответствующий механизм.

Сначала вы понимаете, как ряд инфракрасных (IR) датчиков превращается в единую ошибку рулевого управления и как контур ПИД-регулятора превращает эту ошибку в плавное движение. Пять датчиков — оптимальный вариант для первой сборки: трёх достаточно на низкой скорости, но они дают грубое положение; восемь дают более высокое разрешение на большой скорости, но усложняют подключение и калибровку. Взвешенное среднее, сводящее эти показания в одно знаковое число — отрицательное, когда линия слева, и положительное, когда справа, — является единственным сигналом, который когда-либо видит контур рулевого управления, поэтому правильное получение этого числа важнее выбора конкретной платы.

Затем этот сигнал должен превратиться в две разные скорости колёс. Дифференциальный привод означает, что робот управляется вращением колёс с разной скоростью, а дерево проекта проведёт вас от исходного драйвера двигателей через широтно-импульсную модуляцию (PWM) и кинематику, превращающую одну поправку в команды левому и правому колесу. Вы также увидите место одометрии: подсчёт вращения колёс сообщает пройденное расстояние и объясняет, почему без внешнего эталона оценка накапливает ошибку, — тема, которая возвращается в каждом роботе для прохождения лабиринта.

До затрат и риска ошибки подключения вы настраиваете поведение в браузерном симуляторе: рисуете трассу, меняете число и расстояние между датчиками и перетаскиваете коэффициенты пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих, наблюдая за ошибкой, временем круга и долей времени на трассе. Симулятор — учебная модель, а не оборудование: он предполагает плоскую контрастную бинарную трассу, идеальную калибровку, неизменное освещение и строго периодический контур без проскальзывания колёс. Найденные здесь коэффициенты дают близкую отправную точку, но реальный массив всё равно потребуется откалибровать и настроить на собственной ленте.

Только после этого подключите настоящего робота: выходы отражательных датчиков — на выводы с поддержкой аналогового сигнала, PWM и направление — на L298N (логические выводы не могут питать двигатели — вместо этого двойной H-мост переключает реальный ток), отдельное питание двигателей по собственной шине и общая «земля», соединяющая все модули. Последний узел — сборка и итерации на настоящей трассе из ленты, где переносятся коэффициенты из симулятора и выполняется коррекция с учётом поверхности, напряжения аккумулятора и времени работы контура. Такая же структура позднее появится в решателе лабиринта по линии — поверх этого робота добавляется слой принятия решений, — поэтому прочная база сэкономит время дважды.

Пройдите дерево проекта сверху вниз. Каждый узел открывается после выполнения его предварительных требований, а прогресс сохраняется на этом устройстве, поэтому робот можно собрать за выходные, не потеряв место.

Перечень компонентов

Итого: примерно $30–45. Самая полезная модернизация в этом списке — двигатели с энкодерами. Они не нужны для этого проекта, но робот, следующий по линии, почти всегда превращается в решателя лабиринта по линии, а ему они необходимы.

Для трассы нужны матовая чёрная лента на матовом светлом полу. Глянцевая лента отражает свет как белая под неверным углом, и на глянцевом полу происходит то же самое, поэтому робот работает на одной поверхности, но не на другой по причинам, которые выглядят как программные.

Как всё соединено

Две неисправности вызывают большинство проблем при первом запуске, и ни одна не выдаёт сообщение об ошибке. Отсутствие общей «земли» означает, что у сигналов направления нет опорного потенциала, поэтому ничего не движется, хотя всё выглядит правильно подключённым. Ток двигателей через Arduino вызывает просадку шины 5 V, перезагрузку платы и выглядит как программный сбой.

Сборка по этапам

Не подключайте всего робота и только потом приступайте к отладке. У каждого этапа ниже есть проверка, а непройденный этап скроется внутри следующего.

Этап 6 часто пропускают, хотя этого делать не следует. Если сигнал положения скачет при пересечении линией промежутка между двумя датчиками, контур регулирования настроить невозможно: разрыв выглядит как внезапная огромная ошибка, и робот будет дёргаться именно в этой точке на каждом круге. Скачок означает, что массив не откалиброван по каждому каналу либо порог одного канала исключает его слишком рано.

Как выглядит хороший результат

Частота контура заслуживает внимания, потому что она незаметно ограничивает всё остальное. Контур, работающий с частотой 50 Hz, видит линию каждые 20 ms, а при скорости 0.5 m/s между решениями робот проходит 10 mm. Удаление каждого вызова delay() из контура и чтение только используемых датчиков обычно повышают частоту первой сборки с 50 Hz до нескольких сотен, и качество отслеживания улучшается без изменения коэффициентов.

Диагностика неисправностей

Куда двигаться дальше

Робот, следующий по линии, намеренно служит фундаментом, и три направления непосредственно продолжают эту разработку.

Добавьте обнаружение развилок, и робот превратится в решателя лабиринта по линии — под тем же контуром ПИД-регулятора, но с тонким слоем принятия решений, который классифицирует ветви и запоминает маршрут. Это лучший следующий проект, потому что он повторно использует всё изученное и добавляет одну действительно новую идею.

Добавьте энкодеры, и вместо заданной скважности можно будет поддерживать заданную скорость, полностью устранив проблему ухудшения работы по мере разряда аккумулятора и сделав настройку стабильной на всём заезде.

Увеличьте скорость. Это сложнее, чем звучит, и даёт больше всего знаний. Скорость обнажает каждое приближение: частоту контура становится ограничивающим фактором, массив требуется вынести вперёд для запаса по времени, скорость перед поворотами нужно снижать до их появления, а не после, и колёса начинают проскальзывать. Именно последнее становится главным препятствием; см. раздел о проскальзывании колёс и сцеплении.