Робот, который едет по линии

Такой робот сам едет по чёрной линии на белом полу и проходит её изгибы. Два инфракрасных (ИК) датчика линии под передней частью машины смотрят на пол, по одному с каждой стороны от линии. Когда линия смещается под один из датчиков, робот поворачивает в эту сторону. Вы узнаете, как ИК-датчик отличает чёрное от белого, как его компаратор выдаёт чёткий сигнал HIGH или LOW и как четыре простых случая управляют роботом. Это проект средней сложности, на него уйдёт около 90 минут.

#Что понадобится

Это машина из проекта «Первый заезд» без HC-SR04, но с двумя модулями ИК-датчиков линии. Посмотрите в Маркете дополнительный набор для езды по линии. Для трассы нужны белая поверхность и чёрная лента шириной около 2 см, например чёрная изолента. Хорошо подойдёт большой лист белого картона или гладкий светлый пол. Ещё понадобится маленькая отвёртка, чтобы настроить датчики.

#Как это работает

#Как датчик видит линию

На каждом модуле рядом стоят инфракрасный светодиод и ИК-приёмник, и оба смотрят вниз. Светодиод светит на пол инфракрасным светом. Вы этот свет не видите, а приёмник видит. Белый пол отражает большую его часть обратно в приёмник. Чёрная линия поглощает большую часть света, поэтому назад его возвращается мало.

Приёмник превращает свет в напряжение, которое зависит от того, сколько света вернулось. Микросхема-компаратор на модуле (часто это LM393) сравнивает это напряжение с порогом. Порог задаёт маленький потенциометр на модуле. В результате на пине OUT получается чёткий цифровой сигнал:

Поворот потенциометра сдвигает точку, в которой переключается OUT. Так датчик настраивают под ваш пол, вашу линию и высоту, на которой он стоит. На большинстве модулей есть ещё маленький светодиод, который показывает состояние OUT, поэтому настраивать их можно без компьютера.

#Где стоят датчики

Два датчика стоят под передней частью машины, примерно в 5 мм над полом (TCRT5000 видит пол на расстоянии примерно от 0,2 до 15 мм), по одному с каждой стороны от линии. Промежуток между ними чуть шире линии. Поэтому, когда линия проходит точно посередине под роботом, оба датчика видят белое. Левый и правый — это левая и правая стороны самого робота, если смотреть на него сзади. OUT левого датчика подключается к D2, а OUT правого — к D3.

#Четыре случая

Почему робот поворачивает к тому датчику, который видит чёрное? Если линия под левым датчиком, значит, робот сместился вправо от линии или линия поворачивает влево. Поворот налево возвращает линию в промежуток между датчиками. В повороте внешнее колесо крутится вперёд со скоростью 170, а внутреннее медленно крутится назад со скоростью 70. Поэтому робот поворачивает круто.

В loop() нет delay(). Функция опрашивает оба датчика тысячи раз в секунду, поэтому робот реагирует, как только линия сдвигается.

#Сборка

#1. Начните с машины

Начните с Obstacle avoider, машины, которая есть в игре с самого начала, или со своей машины из проекта «Первый заезд». В «Сборке» снимите HC-SR04 и добавьте два модуля ИК-датчика линии; следующие шаги показывают, куда их поставить и как подключить. Потом вставьте скетч LineFollower в «Код» и нажмите «Загрузить». На трассе по линии A робот стартует прямо на линии.

В реальной сборке: возьмите свою машину из проекта «Первый заезд». HC-SR04 этому роботу не нужен.

#2. Установите датчики

Закрепите оба модуля под передней частью машины так, чтобы датчики смотрели вниз и находились примерно в 5 мм над полом.

В реальной сборке: нижняя пластина (ярус) находится примерно в 4 см над полом, поэтому модулям нужны проставки или небольшой кронштейн, чтобы опуститься примерно до 5 мм. Сделайте промежуток между датчиками чуть шире линии: для линии шириной 2 см — примерно 3–4 см. На машине в симуляторе датчики стоят в 3,6 см друг от друга, по одному с каждой стороны от шаровой опоры. Если датчики стоят слишком близко друг к другу, на прямых участках оба видят чёрное. Если слишком далеко, робот успевает сильно отклониться от линии, прежде чем её заметит один из датчиков.

#3. Подключите датчики

У каждого модуля три пина: VCC подключается к 5 В (или к 3,3 В), GND — к GND, а OUT — к Uno. OUT левого датчика идёт на D2, а OUT правого — на D3. Подключение моторов остаётся таким же, как в проекте «Первый заезд».

В реальной сборке: на некоторых модулях OUT подписан как DO. Если на вашем модуле есть ещё пин AO, оставьте его свободным: в этом проекте используется только цифровой выход. В таблице подключения показано, от каких точек 5 В и GND питается каждый датчик: в клемме +5V драйвера L298N уже два провода, поэтому правый датчик питается от пина 3.3V платы Uno. Модуль работает от 3,3 до 5 В.

#4. Сделайте трассу

Наклейте чёрную ленту шириной около 2 см на белую поверхность. Начните с большого овала: плавные повороты проходить легче, чем острые углы. Прижмите ленту ровно, без складок и зазоров. Там, где робот должен останавливаться, наклейте короткую поперечную линию.

#5. Настройте датчики

В реальной сборке: выньте батарейки, чтобы колёса не могли крутиться. Подключите USB-кабель: теперь Uno и датчики питаются от компьютера. Поставьте машину на трассу и настраивайте датчики по одному:

1. Наведите датчик на белый пол и посмотрите на его светодиод.
2. Сдвиньте машину так, чтобы датчик оказался над чёрной линией. Светодиод должен переключиться.
3. Если он не переключается, немного поверните потенциометр отвёрткой и попробуйте снова.
4. Проверьте датчик в нескольких местах трассы и добейтесь, чтобы светодиод переключался каждый раз.

#6. Загрузите и запустите

Загрузите скетч. Затем отключите USB-кабель, вставьте батарейки, придерживая машину, и поставьте её так, чтобы линия оказалась между двумя датчиками. Робот сразу поедет. Понаблюдайте за первым поворотом. Если робот его проходит, попробуйте поворот покруче. Если он съезжает с линии, загляните в советы ниже.

#Код

#Пины и скорости

const byte LEFT_EYE = 2, RIGHT_EYE = 3;

const int FAST = 170;          // speed on a straight line
const int SLOW = 70;           // the inner wheel in a turn, driven backwards

В скетче датчики названы «глазами» (EYE). FAST — скорость на прямой линии. SLOW — скорость внутреннего колеса в повороте; это колесо крутится назад.

#setup()

Шесть пинов моторов становятся выходами, как в любом скетче для машины. Два пина датчиков становятся входами с помощью pinMode(LEFT_EYE, INPUT) и pinMode(RIGHT_EYE, INPUT). Модули сами выставляют на OUT уровень HIGH или LOW, поэтому подтягивающий резистор не нужен.

#Опрос датчиков

  bool leftOnLine = digitalRead(LEFT_EYE) == HIGH;
  bool rightOnLine = digitalRead(RIGHT_EYE) == HIGH;

digitalRead() возвращает HIGH или LOW. Если сравнить результат с HIGH, получится bool — true (истина) или false (ложь). Поэтому leftOnLine равно true, когда левый датчик видит чёрное. С такими понятными именами остальной код loop() легко читать.

#Четыре случая

  if (!leftOnLine && !rightOnLine) {
    drive(FAST, FAST);           // the line is between the sensors: straight on
  } else if (leftOnLine && !rightOnLine) {
    drive(-SLOW, FAST);          // the line went left: turn left
  } else if (!leftOnLine && rightOnLine) {
    drive(FAST, -SLOW);          // the line went right: turn right
  } else {
    drive(0, 0);                 // both see black: a cross line or the end, stop
  }

! означает «не», а && — «и». Четыре ветки соответствуют четырём строкам таблицы выше. Последняя, else, срабатывает в единственном оставшемся случае: когда оба датчика над чёрным. setMotor() и drive() такие же, как в проекте «Первый заезд»: положительная скорость крутит колесо вперёд, а отрицательная — назад.

#Если что-то не работает

• Робот проезжает прямо через линию. Датчики её не видят. Проверьте, что светодиод каждого модуля переключается между белым и чёрным, и подстройте потенциометр. Проверьте высоту (около 5 мм, не больше 1 см) и то, что OUT подключены к D2 и D3.
• Робот поворачивает от линии, а не к ней. Левый и правый датчики перепутаны. Поменяйте местами два провода OUT на D2 и D3.
• Робот всё время останавливается. Оба датчика видят «чёрное». Возможно, для вашей линии они стоят слишком близко друг к другу или слишком высоко над полом: с большой высоты возвращается слишком мало света, и это выглядит как чёрное. Или порог настроен так, что белое тоже читается как чёрное. Заново настройте потенциометры.
• На крутых поворотах робот съезжает с линии. Он едет слишком быстро и не успевает среагировать. Уменьшите FAST или увеличьте SLOW, чтобы робот поворачивал круче.
• На прямых участках робот сильно виляет. Повороты слишком резкие. Немного уменьшите SLOW или уменьшите FAST.
• В одной комнате робот работает, а в другой — нет. Солнце и некоторые лампы тоже дают инфракрасный свет, и он может ослепить датчики. Проверяйте робота вдали от прямых солнечных лучей и заново настраивайте потенциометры на каждом новом полу.
• Датчик не видит вашу чёрную линию. Некоторые чёрные ленты и чернила отражают инфракрасный свет, хотя нам они кажутся чёрными. Блестящая лента тоже может отражать свет прямо назад. Попробуйте матовую чёрную ленту или линию, напечатанную на бумаге лазерным принтером.
• Колесо крутится не в ту сторону или робот перезагружается. Посмотрите советы в проекте «Первый заезд» и в статье о том, почему роботы перезагружаются.

#Что дальше

Дайте роботу вторую задачу: верните на место HC-SR04 и научите робота останавливаться, когда что-то перегораживает линию. Датчики линии занимают D2 и D3, а HC-SR04 — D9 и D10, так что пины друг другу не мешают. Проект «Робот, объезжающий препятствия» показывает, как измерять расстояние, не останавливая loop(). А урок про millis() и состояния поможет совместить несколько задач в одном скетче.

Этот робот знает только «на линии» или «вне линии». Датчики с аналоговым выходом, которые читают через analogRead(), могут показать ещё и то, насколько далеко робот от линии. Тогда П-регулятор, как в проекте «Робот, который держит дистанцию», сможет рулить плавно.