Робот обхода препятствий: датчик, сканирование и поворот

Робот для обхода препятствий — естественный следующий проект после робота, следующего по линии. Робот, следующий по линии, следует: он отслеживает нарисованную для него линию. Этот робот принимает решения: без траектории и карты он исследует пространство вокруг и выбирает, куда ехать. Именно это отличие — реакция на мир вместо следования по нему — впервые даёт почувствовать автономность, и при этом система остаётся достаточно простой для полного понимания.

Основа — короткий повторяющийся контур: обнаружение–сканирование–решение–поворот. Ультразвуковой датчик HC-SR04 посылает сигнал вперёд и по времени эха оценивает расстояние; когда впереди оказывается объект ближе безопасного порога, робот останавливается, поворачивает датчик влево и вправо с помощью сервопривода SG90 и поворачивает к самому открытому азимуту. Этот порог не случаен: он задаёт безопасное расстояние, рассчитанное из текущей скорости, задержки в контуре обнаружения–решения–исполнения, тормозного пути (который растёт пропорционально квадрату скорости), радиуса робота и запаса; все эти составляющие видны на кривой тормозного пути в симуляторе.

Вы добавляете компоненты, необходимые мобильному роботу, и изучаете назначение каждого: Arduino Uno с простой логикой 5 V, ультразвуковой датчик и его слепую зону (минимальное расстояние, ниже которого он не может выдать результат), сервопривод, который даёт лучу вторую точку обзора, H-мост L298N, переключающий ток двигателей, который не могут обеспечить логические выводы, два редукторных двигателя TT, где редуктор обменивает скорость на полезный момент, шасси 2WD с опорным роликом для дифференциального управления и аккумулятор, который должен питать двигатели и логику по разным шинам. Дерево проекта также проведёт вас через два плана обучения — управление двигателями и реактивную навигацию, — поэтому знакомые по роботу, следующему по линии, идеи PWM, одометрии и фильтрации вернутся здесь в контексте навигации.

Затем — до затрат и риска ошибки подключения — настройте поведение обхода в браузерном симуляторе, пока робот не начнёт уверенно обходить загромождённое пространство. Рабочая область там двумерная, с мгновенными лучами без шума; настоящий ультразвуковой луч расходится примерно на 15°, перекрывается корпусом самого робота и искажается мягкими или наклонными поверхностями. Поэтому при работе на оборудовании нужно фильтровать показания, добавить медианный фильтр и короткую задержку после поворота сервопривода, и только затем доверять измерению расстояния. Выбор безопасного тормозного пути и правила выбора свободного направления в симуляторе устраняет большую часть догадок до первого движения робота.

И только после этого подключите настоящего робота — сигналы trigger и echo подключите к соответствующим цифровым выводам, питание — к правильному напряжению, сигнал сервопривода — к выводу с поддержкой PWM, PWM и направление двигателей — к драйверу, аккумулятор двигателей — только к выводу VM драйвера, все «земли» соединены вместе — и дайте ему перемещаться по полу с коробками или стульями. Те же принципы обнаружения и фильтрации прямо ведут к роботу Micromouse для прохождения лабиринта, если позже понадобится построение карты, или к навигации ROS 2, если добавить Raspberry Pi.

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 $30–40.

Два концевых выключателя — лучшие сорок центов в роботе, и именно их чаще всего не добавляют при сборке. У любого дальномерного датчика есть поверхности, которых он не видит: сонар не замечает шторы и стены под крутым углом, — поэтому робот без датчиков касания будет толкать штору, пока что-нибудь не поддастся. Два выключателя за изогнутым бампером превращают «обычно избегает препятствий» в «никогда не застревает на том, чего не смог увидеть».

Как всё соединено

Следите за конфликтом таймеров: библиотека Servo перехватывает Timer 1, который на Uno управляет PWM на выводах 9 и 10. Подайте PWM двигателей на 3, 5, 6 или 11, а сервопривод — на любой другой вывод, и проблема не возникнет. Если включить двигатель на выводе 9, управление его скоростью молча перестанет работать сразу после подключения сервопривода.

Тормозной путь, рассчитанный, а не прикинутый на глаз

Порог остановки — важнейшее число в этом проекте, и оно не случайно. Это сумма четырёх расстояний:

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

Пример расчёта для робота со скоростью 0.3 m/s, задержкой 80 ms и замедлением 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

Получается около 21 cm. Теперь удвоим скорость до 0.6 m/s:

= 0.048 + 0.18 + 0.09 + 0.05 = 0.37 m

Порог не удвоился — он вырос на 76%, потому что тормозное слагаемое изменяется как квадрат скорости. Именно поэтому робот, который надёжно обходит препятствия со скоростью пешехода, начинает натыкаться на них при ускорении, а исправление состоит в зависимости порога от скорости, а не в одном большом фиксированном значении, которое заставит робот везде вести себя робко.

Сборка по этапам

Этап 10 отличает полноценного робота от демонстрации. Подушка полностью поглощает ультразвуковой импульс, поэтому датчик сообщает о свободном пространстве, и робот на полной скорости въезжает в неё. Без концевого выключателя он затем толкает её, пока двигатели не заблокируются.

Диагностика неисправностей

Куда двигаться дальше

Добавьте движение вдоль стены. Робот, поддерживающий фиксированное расстояние от стены с одной стороны, детерминированно обходит комнату вместо бесцельного движения; это первое поведение, которое начинает выглядеть как план. Изменение кода небольшое, а концептуальное — значительное.

Добавьте второй тип датчика. VL53L0X не работает почти на тех же поверхностях, что и сонар, но практически на противоположных: тёмных матовых и зеркальных, а не мягких и наклонных. Вместе они охватывают гораздо большую часть комнаты, чем каждый по отдельности.

Примите это ограничение и двигайтесь дальше. Реактивному роботу нельзя направить в произвольное место, нельзя гарантировать покрытие пола, и в подковообразной комнате он может бесконечно двигаться по кругу. Это свойства отсутствия карты, а не ошибки. Когда они начинают мешать, робот Micromouse добавляет построение карты и планирование, а робот для покрытия помещения напрямую решает вопрос «я везде побывал?».