Projekt ten jest przykładem prostego line followera, który może być wykorzystany do zajęć edukacyjnych. Program jest napisany w języku C z wykorzystaniem platformy Arduino.
- Podstawowy line follower do zajęć edukacyjnych
- Opis projektu
- Tabela zawartości
- Składanie platformy
- Uruchamianie programu
- Dodatkowe informacje o platformie
Szczegółowy opis składania platformy znajdziesz w pliku Mechanika.md.
Upewnij się, że masz zainstalowane środowisko uruchomieniowe Arduino. Jeśli nie, pobierz je ze strony Arduino.
Sprawdź, czy wszystkie piny są odpowiednio podłączone. Poniżej znajdziesz odpowiedni pinout:
| Nazwa pinu | Funkcja | Nazwa w kodzie | Wartość w kodzie |
|---|---|---|---|
| D15 | Czujnik lewy | IR_SENSOR_INPUT_LEFT | 15 |
| D14 | Czujnik prawy | IR_SENSOR_INPUT_RIGHT | 14 |
| D12 | Lewy silnik | LEFT_MOTOR_PIN | 12 |
| D13 | Prawy silnik | RIGHT_MOTOR_PIN | 13 |
| ⚡ Uwaga! |
|---|
| Przed załadowaniem programu na płytkę, wyjmij jedną baterię AA z obwodu zasilania silników. W przeciwnym razie, program nie zostanie załadowany na płytkę. |
W Arduino menu upewnij się, że:
- Wybrana jest odpowiednia płytka. W górnej zakładce wybierz z listy płytek odpowiednią nazwę -- w naszym przypadku jest to
ESP 32 WROOM DA. - Kolejnym krokiem jest upewnienie się, że wybrany jest odpowiedni port szeregowy. W menu
Toolswybierz odpowiedni port szeregowy, na którym jest podłączona płytka (Tools-->Port). - Skopiuj kod z pliku
follower.inodo edytoru programu Arduino. - Załaduj program na płytkę ESP 32 WROOM DA. W tym celu kliknij przycisk
Uploadw górnym lewym rogu okna programu Arduino. - Jeżeli wszystko przebiegło pomyślnie, program powinien zostać załadowany na płytkę ESP 32 WROOM DA i nie powinno być żadnych błędów w zakładce
Output. - Po załadowaniu programu, uruchom płytkę ESP 32 WROOM DA i sprawdź, czy działa poprawnie.
- Możesz sprawdzić, czy program działa poprawnie, przykładając do czujników linii jakiś kontrastowy materiał.
W przypadku poprawnego działania silniki powinny zacząć się obracać. Dodatkowo, jeżeli czujniki wykryją linię, to silniki powinny zacząć się obracać w kierunku wykrytej linii. Jako pomoc, możesz skorzystać z monitoru portu szeregowego, algorytm powinien wyświetlać informacje o aktualnym trybie jazdy (
Tools-->Serial Monitor).
Podstawowym algorytmem, który jest zaimplementowany w programie, jest algorytm wykrywania linii i sterowania silnikami.
Znajduje się on w funkcji drive w pliku follower.ino.
Podstawowy algorytm korzysta z dwóch czujników IR, które są umieszczone z przodu robota. Sensory IR działają na zasadzie odbicia światła od powierzchni -- fotoemiter emituje światło w zakresie podczerwonym (infrared -- IR), a fotoodbiornik mierzy ilość światła odbitego od powierzchni. Czarne powierzchnie odbijają mniej światła, a białe powierzchnie odbijają więcej światła, dzięki czemu jesteśmy w stanie rozróżnić czarną linię na jasnym tle. Jeżeli czujnik wykryje linię, to zwróci wartość 1, w przeciwnym razie zwróci wartość 0, jeśli jest czujnikiem cyfrowym. W przypadku czujników analogowych, wartość zwracana jest w zakresie od 0 do 4096. Czarna linia zwróci w przypadku takich czujników wartość bliską 4096.
Próg wykrycia linii jest kontrolowany przez zmienną LINE_THRESHOLD w kodzie. Jeżeli masz czujnik analogowy, to wartość LINE_THRESHOLD powinna być ustawiona na wartość, która jest bliska wartości zwracanej przez czujnik, gdy wykryje linię. W przypadku czujników cyfrowych, wartość LINE_THRESHOLD powinna być ustawiona
w przedziale [0, 4096], a jeżeli czujnik jest cyfrowy, to wartość LINE_THRESHOLD powinna być ustawiona w przedziale [0, 1].
Sterowanie silnikami jest realizowane poprzez zmianę stanu pinów, do których są podłączone silniki. W zależności od konfiguracji, silniki mogą być sterowane za pomocą sygnałów PWM lub sygnałów cyfrowych. W przypadku sygnałów PWM, wartość sygnału PWM jest ustawiana na wartość z zakresu [0, 255], gdzie 255 oznacza zatrzymanie silnika, a 0 oznacza maksymalną prędkość. Więcej informacji o PWM w Ardunio znajdziesz tutaj oraz tutaj.
| ⚡ Uwaga! |
|---|
| Kazdy silnik jest sterowany oddzielnym PWM. Dostępne są 2 kanały, ale korzystamy tylko, z tego który pozwala na obrót wprzód. Drugi kanał dla kadego silnika odpowiada za obrót w tył. Nie korzystamy z niego podczas naszych eskperymentów. |
Logika sterowania silnikami jest prosta. W zależności od wykrytej linii, silniki obracają się w odpowiednim kierunku.
W momencie, gdy oba czujniki wykryją linię, to oba silniki dostają wartość PWM równą HIGH_SPEED, czyli maksymalnej prędkości. Kiedy lewy sensor wykrywa linię, a prawy nie,
wtedy nalezy skręcić w lewo, czyli lewy silnik dostaje wartość LOW_SPEED, a prawy CRUISE_SPEED. W przeciwnym przypadku, skręcamy w prawo, czyli lewy silnik dostaje wartość CRUISE_SPEED, a prawy LOW_SPEED.
CRUISE_SPEED jest nieco niższa niż HIGH_SPEED, ale nieco wyższa niż LOW_SPEED, by robot mógł łagodniej skręcać.
Dla wygody oznaczyliśmy możliwe stany robota i silników w enum `state. Są to:
FORWARD-- robot jedzie prosto, oba czujniki wykrywają, linięHIGH_SPEEDna obu silnikachLEFT-- robot skręca w lewo, lewy silnik dostajeLOW_SPEED, a prawyCRUISE_SPEEDRIGHT-- robot skręca w prawo, lewy silnik dostajeCRUISE_SPEED, a prawyLOW_SPEEDSTOP-- robot zatrzymuje się. Zatrzymanie robota jest realizowane poprzez ustawienie wartości PWM na obu silnikach na 255.
| ⚡ Uwaga |
|---|
| Silniki mają strefę "martwą". Co to oznacza? Mniej więcej tyle, że każdy silnik wymaga minimalnej wartości PWM, aby ruszyć. Pamiętaj, mamy 2 niezależne servo silniki w każdym robocie, więc każdy z nich może mieć inną strefę martwą! Przykładowo, lewy silnik może potrzebować minimalnej wartości na pinie, aby ruszyć równej 129, a drugi 120. |
Spróbuj zmienić wartości i zobacz, jak zmienia się zachowanie robota:
LINE_THRESHOLDHIGH_SPEEDLOW_SPEEDCRUISE_SPEED
Mamy jeszcze jedną zmienną, która może być przydatna. Jest to bufLen i służy do kontroli powrotu na tor. Zamiast zatrzymywać się od razu w momencie, gdy robot traci linię na obu czujnikach, próbujemy powtórzyć ostatnie polecenie stan bufLen razy, próbując wrócić na tor. Jeżeli się to nie uda w bufLen próbach, to zatrzymujemy robota.
Przykład:
Robot skręca w prawo, ale nagle traci linię, bo nie wyrobił się na zakręcie. Zamiast od razu zatrzymać robota, próbujemy skręcić zadać silnikom stan skrętu w prawo bufLen razy, zanim ostatecznie zatrzymamy robota.
Jeżeli masz trochę więcej zacięcia, to możesz spróbować dostosować algorytm, by dalej upłynnić jazdę. Poniżej zamieszczamy kilka pomysłów, które możesz wykorzystać:
Załóżmy, że robot podjeżdża do zakrętu w prawo, stan RIGHT. W podstawowym przypadku naszego algorytmu, który omówiliśmy wcześniej, robot ustawi LOW_SPEED na prawym silniku, a CRUISE_SPEED na lewym.
Tor jazdy zostanie skorygowany, ale jest możliwe, że po jednym takim sygnale już oba czujniki wykryją linię, mimo że zakręt niekoniecznie się skończył. Oznacza to, że w takim przypadku oba silniki dostaną sygnał HIGH_SPEED, co może skutkować wypadnięciem z toru przy zbyt dużej prędkości, jeśli nadal nie wyszliśmy z zakrętu.
Możemy poprawić to w następujący sposób, poprzez wprowadzenie bufora kontroli wychodzenia z zakrętu. Gdy oba czujniki wykryją linię to, zamiast od razu ustawić HIGH_SPEED, możemy próbujemy najpierw niższą wartość TURN_SPEED na obu silnikach. Dopóki nie wykryjemy n razy z rzędu stanu FORWARD, będziemy używali mniejszej siły napędowej. Dopiero po wykryciu n razu linii przez oba czujniki pozwalamy robotowi jechać z pełną prędkością do przodu, HIGH_SPEED.
Wyzwaniem będzie nie tylko napisanie takie algorytmu, co nie jest trudne, ale dostrojenie wartości n i TURN_SPEED, tak, aby robot jak najefektywniej wychodził z zakrętów.
Podobnie jak w przypadku wyżej, możemy próbować regulować jak mocno robot będzie skręcał. Przykładowo, za pierwszym razem, kiedy któryś z czujników utraci linię, zamiast wartości CRUISE_SPEED i LOW_SPEED możemy ustawić mniejsze wartości, e.g. 0.2*CRUISE_SPEED oraz LOW_SPEED. Możemy stopniowo zwiększać wartości, aż do osiągnięcia wartości CRUISE_SPEED i LOW_SPEED, i wtedy zacząć skręcać z pełną siłą. Potem możemy stosować to samo co w punkcie 1, czyli bufor wychodzenia z zakrętu. Mnożnik 0.2 jest podany obrazowo, musisz go dostosować pamiętając o strefie martwej silników. Tak jak poprzednio, wyzwanie polega na dostrojeniu wartości mnożnika, minimalnej prędkości skrętu na obu silnikach oraz wartości n w buforze skręcania.
W naszym modelu korzystamy z obu silników, ale w kodzie zamieściliśmy przykład, pokazujący w jaki sposób można korzystać z tylko jednego czujnika, w funkcji drive_single. Spróbuj dostroić algorytm, który korzysta tylko z jednego czujnika -- nie musisz modyfikować mechaniki, po prostu w kodzie możesz przekazywać do funkcji drive_single tylko wartości z jednego czujnika (albo prawego albo lewego). Pamiętaj, że wtedy musisz dostosować wartości HIGH_SPEED, LOW_SPEED i CRUISE_SPEED do nowych warunków.
Projekt został napisany z wykorzystaniem platformy ESP 32 WROOM. Poniżej znajdziesz informacje o platformie: