Международные состязания роботов — Правила — Примеры роботов — Робот для траектории на основе LEGO EV3. Движение по линии с двумя датчиками освещенности Движение по траектории ev3

До сих пор в статьях о алгоритмах, использующихся при движении вдоль линии, рассматривался такой способ, когда датчик освещенности как бы следил за левой или правой ее границей: чуть робот съедет на белую часть поля - регулятор возвращал робота на границу, начнет датчик перемещаться вглубь черной линии - регулятор выправлял его обратно.
Не смотря на то, что картинка выше приведена для релейного регулятора, общий принцип движения пропорционального (П-регулятора) будет такой-же. Как уже говорилось, средняя скорость такого перемещения не очень высокая и было сделано несколько попыток увеличить ее за счет незначительного усложнения алгоритма: в одном случае использовалось "мягкое" торможение, в другом, помимо поворотов, вводилось движение вперед.
Для того, чтобы позволить роботу на некоторых участках двигаться вперед, в диапазоне значений выдаваемых датчиком освещенности выделялся узкий участок, который условно можно было назвать "датчик находится на границе линии".
У данного подхода есть небольшой недостаток - если робот "следит" за левой границей линии, то на правых поворотах он как бы не сразу определяет искривления траектории и, как следствие, тратит большее время на поиск линии и поворот. Причем, можно с уверенностью сказать, что чем, круче поворот, тем дольше по времени происходит этот поиск.
На следующем рисунке видно, что если бы датчик находился не с левой стороны от границы, а с правой, то он уже обнаружил искривление траектории и начал бы совершать маневры по повороту.

• левый датчик, также как и правый - над светлой поверхностью
• левый датчик над светлой поверхностью, правый датчик над темной
• левый датчик над темной поверхностью, правый датчик над светлой
• оба датчика находятся над темной поверхностью

Если оба датчика над белой поверхностью, то это нормальная ситуация, в которой линия находится между датчиками, поэтому робот должен ехать прямо.Если левый датчик еще над светлой поверхностью, а правый датчик уже над темной, значит, робот заехал своей правой частью на линию, а значить ему нужно поворачивать направо, чтобы линия опять оказалась между датчиками.Если левый датчик оказался над темной поверхностью, а правый еще над светлой, то для выравнивания роботу нужно поворачивать налево.Если оба датчика над темной поверхностью, то в общем случае, робот опять продолжает двигаться прямо.

По размещению датчиков на роботе тоже следует сказать несколько отдельных слов. Очевидно, что по расположению этих двух датчиков относительно колес будут действовать те же самые рекомендации, что и для одного датчика, только за вершину треугольника при этом берется середина отрезка соединяющий два датчика. Само же расстояние между датчика тоже должно выбираться из характеристик трассы: чем ближе датчики будут расположены друг к другу, тем чаще робот будет выравниваться (выполнять относительно медленные развороты), но если разнести датчики достаточно широко, то есть риск вылета с трассы, поэтому придется выполнять более "жесткие" повороты и уменьшать скорость передвижения на прямых участках.

Для того, чтобы заставить робота двигаться плавно по черной линии, нужно заставить его самому считать скорость движения.

Человек видит черную линию и ее четкую границу. Датчик освещенности работает несколько иначе.

Именно это свойство датчика освещенности – невозможность четко различить границу белого и черного – мы и будем использовать для расчета скорости движения.

Во-первых, введем понятие “Идеальная точка траектории”.

Показания датчика освещенности колеблются в диапазоне от 20 до 80, чаще всего на белом цвете показания равны примерно 65, на черном порядка 40.

Идеальная точка – условная точка примерно посередине белого и черного цветов, следуя которой робот будет перемещаться вдоль черной линии.

Здесь принципиально расположение точки – между белым и черным. Задать ее точно на белом или черном не получится по математическим причинам, почему – будет ясно позднее.

Эмпирическим путем мы вычислили, что идеальную точку можно высчитать по следующей формуле:

Робот должен двигаться строго по идеальной точке. Если случается отклонение в какую-либо сторону, робот должен вернуться к этой точке.

Составим математическое описание задачи.

Исходные данные.

Идеальная точка.

Текущие показания датчика освещенности.

Результат.

Мощность вращения мотора В.

Мощность вращения мотора С.

Решение.

Рассмотрим две ситуации. Первая: робот отклонился от черной линии в сторону белого.

В этом случае робот должен увеличить мощность вращение мотора В и уменьшить мощность мотора С.

В ситуации, когда робот заезжает на черную линию, все наоборот.

Чем сильнее робот отклоняется от идеальной точки, тем быстрее ему надо к ней вернуться.

Но создание такого регулятора – задача довольно непростая, да и не всегда он требуется в целом виде.

Поэтому мы решили ограничиться только П-регулятором, адекватно реагирующем на отклонение от черной линии.

На языке математики это будет записано так:

где Hb и Hc – итоговые мощности моторов B и C соответственно,

Hбазовая – некая базовая мощность моторов, определяющая скорость движения робота. Подбирается экспериментально, в зависимости от конструкции робота и резкости поворотов.

Iтек – текущие показания датчика освещенности.

I ид – рассчитанная идеальная точка.

k – коэффициент пропорциональности, подбирается экспериментально.

В третьей части рассмотрим, как это запрограммировать в среде NXT-G.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Конструктор Lego Mindstorms EV3

Подготовительный этап

Создание и калибровка программы

Заключение

Литература

1.Введение.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно - технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.

За последние годы успехи в робототехнике и автоматизированных системах изменили личную и деловую сферы нашей жизни. Роботы широко используются в транспорте, в исследованиях Земли и космоса, в хирургии, в военной промышленности, при проведении лабораторных исследований, в сфере безопасности, в массовом производстве промышленных товаров и товаров народного потребления. Многие устройства, принимающие решения на основе полученных от сенсоров данных, тоже можно считать роботами — таковы, например, лифты, без которых уже немыслима наша жизнь.

Конструктор Mindstorms EV3 приглашает нас войти в увлекательный мир роботов, погрузиться в сложную среду информационных технологий.

Цель: Научится программировать движение робота по прямой линии.

Познакомится с конструктором Mindstorms EV3 и его средой программирования.

Написать программы движения робота по прямой на 30 см, 1 м 30 см и 2 м 17 см.

Конструктор Mindstorms EV3.

Детали конструктора - 601 шт., серводвигатель - 3 шт., датчик цвета, сенсорный датчик движения, инфракрасный датчик и датчик касания. Микропроцессорный блок EV3, является мозгом конструктора LEGO Mindstorms.

За движение робота отвечает большой сервомотор, который подключается к микрокомпьютеру EV3 и заставляет робота двигаться: ехать вперед и назад, поворачиваться и проезжать по заданной траектории. Данный сервомотор имеет встроенный датчик вращения, который позволяет очень точно контролировать перемещение робота и его скорость.

Заставить робота выполнять действие можно с помощью компьютерной программы EV3. Программа состоит из различных блоков управления. Мы будем работать с блоком движения.

Блок движение управляет двигателями робота, включает, выключает, заставляет работать, соответствующее поставленным задачам. Можно запрограммировать движение на определенное количество оборотов, или градусов.

Подготовительный этап.

Создание технического поля.

На поле работы робота нанесем разметку, с помощью изоленты и линейки создадим три линии длиной 30 см - зелёная линия, 1 м 15 см - красная и 2 м 17 см - чёрная линии.

Необходимые расчеты:

Диаметр колеса робота - 5 см 7 мм = 5,7 см.

Один оборот колеса робота равен длине окружности с диаметром 5,7 см. Длину окружности находим по формуле

Где r - радиус колеса, d - диаметр, π = 3,14

l = 5,7 * 3,14 = 17,898 = 17,9.

Т.е. за один оборот колеса робот проезжает 17,9 см.

Рассчитаем количество оборотов необходимых, что бы проехать:

N = 30: 17,9 = 1,68.

1 м 30 см = 130 см

N = 130: 17,9 = 7,26.

2 м 17 см = 217 см.

N = 217: 17,9 = 12,12.

Создание и калибровка программы.

Создавать программу будем по следующему алгоритму:

Алгоритм:

Выбрать блок движения в программе Mindstorms EV3.

Включить оба мотора в заданном направлении.

Ожидать изменение показания датчика поворота одного из моторов до заданного значения.

Выключить моторы.

Готовую программу загружаем в блок управления робота. Ставим робота на поле и нажимаем кнопку пуска. EV3 едет по полю и останавливается в конце заданной линии. Но для того, что бы добиться точного финиша приходится производить калибровку, так как на движение влияют внешние факторы.

Поле установлено на ученические парты, поэтому возможен небольшой прогиб поверхности.

Поверхность поля гладкая, поэтому не исключено плохое сцепление колес робота с полем.

В расчетах количества оборотов нам приходилось округлять числа, и поэтому, изменив сотые доли в оборотах, мы достигли требуемого результата.

5.Заключение.

Умение программировать движение робота по прямой линии пригодится для создания более сложных программ. Как правило, в технических заданиях соревнований по робототехнике указаны все размеры передвижения. Они необходимы, что бы программа не была перезагружена логическими условиями, циклами и другими сложными блоками управления.

На следующем этапе знакомства с роботом Lego Mindstorms EV3 предстоит научиться программировать повороты на определенный угол, движение по кругу, спирали.

Работать с конструктором очень интересно. Узнавая больше о его возможностях, можно решать любые технические задачи. А в будущем, возможно, создавать свои интересные модели робота Lego Mindstorms EV3.

Литература.

Копосов Д. Г. «Первый шаг в робототехнику для 5-6 классов». - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012 - 286 с.

Филиппов С. А. «Робототехника для детей и родителей» - «Наука» 2010г.

Интернет - ресурсы

http://lego. rkc-74.ru/

http://www.9151394.ru/projects/lego/lego6/beliovskaya/

http://www. lego. com/education/

Так видит линию человек:

Так видит её робот:

Вот эту особенность мы и будем использовать при конструировании и программировании робота для категории соревнований «Траектория».

Есть много способов научить робота видеть линию и передвигаться по ней. Есть сложные программы и совсем простые.

Я хочу рассказать о способе программирования, который освоят даже дети 2-3 классов. В этом возрасте им гораздо легче дается сборка конструкций по инструкциям, а программирование робота - для них сложная задача. Но этот способ позволит ребенку запрограммировать робота на любой маршрут трассы за 15-30 минут (с учетом поэтапной проверки и подгонки некоторых особенностей траектории).

Данный способ был проверен на муниципальных и региональных соревнованиях по робототехнике в Сургутском районе и ХМАО-Югре и принес нашей школе первые места. Там же я убедился, что эта тема весьма актуальна для многих команд.

Ну, приступим.

При подготовке к этому виду соревнований программирование является лишь частью решения поставленной задачи. Начинать нужно с конструирования робота для определенной трассы. В следующей статье я расскажу, как это сделать. Ну, а так как движение по линии встречается очень часто, то начну именно с программирования.

Рассмотрим вариант робота с двумя датчиками света, так как он более понятен ученикам младших классов.

Датчики освещенности подключены ко 2 и 3 портам. Моторы к портам В и С.
Датчики выставлены по краям линии (попробуйте поэкспериментировать, располагая датчики на разном расстоянии друг от друга и на разной высоте).
Важный момент. Для лучшей работы такой схемы пару датчиков желательно подобрать по параметрам. Иначе, необходимо будет вводить блок корректировки значений датчиков.
Установка датчиков на шасси по классической схеме (треугольник), примерно, как на рисунке.

Программа будет состоять из небольшого количества блоков:

1. Два блока датчика освещенности;
2. Четыре блока «Математики»;
3. Двух блоков моторов.

Для управления роботом используется два мотора. Мощность каждого 100 единиц. Для нашей схемы мы возьмем среднее значение мощности мотора равным 50. То есть, средняя скорость при движении по прямой, будет равна 50 единицам. При отклонении от прямолинейного движения мощность моторов будет пропорционально увеличиваться или уменьшаться, в зависимости от угла отклонения.

Теперь разберёмся, как соединить все блоки, настроить программу и что будет в ней происходить.
Выставим два датчика освещенности и назначим им порты 2 и 3.
Берем блок математики и выберем «Вычитание».
Подключим датчики освещенности с выходов «Интенсивность» шинами к блоку математики ко входам «А» и «В».
Если датчики робота установлены симметрично от центра линии трассы, то значения обоих датчиков будет равными. После вычитания мы получим значение – 0.
Следующий блок математики будет использован в качестве коэффициента и в нем нужно выставить «Умножение».
Для вычисления коэффициента вам необходимо измерить с помощью блока NXT уровень «белого» и «черного».
Предположим: белый -70, черный -50.
Далее считаем: 70-50=20 (разница между белым и черным), 50/20=2,5 (среднее значение мощности при движении по прямой в блоках математики мы выставили в 50. Это значение плюс добавленная мощность при корректировки движения должна быть равна 100)
Попробуйте выставить значение 2,5 по входу «А», а потом подберете более точно.
Ко входу «В» блока математики «Умножение» подключите выход «Результат» предыдущего блока математики «Вычитание».
Далее идет пара – блок математики (Сложение) и мотор В.
Настройка блока математики:
По входу «А» выставлено значение 50 (половина мощности мотора).
Выход блока «Результат» соединен шиной с входом «Мощность» мотора В.
Следом пара – блок математики (Вычитание) и мотор С.
Настройка блока математики:
По входу «А» выставлено значение 50.
Вход «В» соединен шиной с выходом «Результат» блока математики «Умножение».
Выход блока «Результат» соединен шиной с входом «Мощность» мотора С.

В результате всех этих действий вы получите такую программу:

Так как это все будет работать в цикле, то добавляем «Цикл», выделяем и переносим это все в «Цикл».

Теперь давайте попробуем разобраться, как будет работать программа и как ее настроить.

Пока робот едет по прямой линии значения датчиков совпадают, значит, на выходе блока «Вычитание» будет значение 0. Выход блока «Умножение» дает тоже значение 0. Это значение подается параллельно на пару управления моторами. Так как в этих блоках выставлено значение 50, то прибавление или вычитание 0 не влияет на мощность моторов. Оба мотора работают с одинаковой мощностью 50, и робот катит по прямой.

Предположим, что трасса делает поворот или робот отклоняется от прямой. Что будет происходить?

По рисунку видно, что освещенность датчика, подключенного к порту 2 (далее по тексту –датчики 2 и 3) увеличивается, так как он съезжает на белое поле, а освещенность датчика 3 уменьшается. Предположим, значения этих датчиков становятся: датчик 2 – 55 единиц, а датчик 3 – 45 единиц.
Блок «Вычитания» определит разницу между значениями двух датчиков (10) и подаст его в блок коррекции (умножение на коэффициент(10*2,5=25)) и далее в блоки управления
моторами.
В блоке математики (Сложение) управления мотором В к значению средней скорости 50
добавится 25 и значение мощности 75 будет подано на мотор В.
В блоке математики (Вычитание) управления мотором С от значения средней скорости 50 будет вычтено 25 и значение мощности 25 будет подано на мотор С.
Таким образом, будет скорректировано отклонение от прямой линии.

Если трасса резко поворачивает в сторону и датчик 2, оказывается на белом, а датчик 3 на черном. Значения освещенности этих датчиков становятся: датчик 2 – 70 единиц, а датчик 3 – 50 единиц.
Блок «Вычитания» определит разницу между значениями двух датчиков (20) и подаст ее в блок коррекции (20*2,5=50) и далее в блоки управления моторами.
Теперь в блоке математики (Сложение) управления мотором В значение мощности 50 +50 =100 будет подано на мотор В.
В блоке математики (Вычитание) управления мотором С значение мощности 50 – 50 = 0 будет подано на мотор С.
И робот выполнит крутой разворот.

На белом и черных полях робот должен ехать по прямой. Если это не происходит, попробуйте подобрать датчики с одинаковыми значениями.

Теперь создадим новый блок и будем его использовать для движения робота по любой трассе.
Выделим цикл, далее в меню «Правка» выберем команду «Создать мой блок».

В диалоговом окне «Конструктор блоков» дадим название нашему блоку, например, «Go», выберем иконку для блока и нажмем «ГОТОВО».

Теперь у нас есть блок, который можно использовать в случаях, когда нам понадобиться движение по линии.

Одним из базовых движений в легоконструировании является следование по черной линии.

Общая теория и конкретные примеры создания программы описаны на сайте wroboto.ru

Опишу, каким образом мы это реализуем в среде EV3, поскольку есть отличия.

Первое, что необходимо знать роботу – значение “идеальной точки”, расположенной на границе черного и белого.

Расположение красной точки на рисунке как раз соответствует этой позиции.

Идеальный вариант расчета – измерить значение черного и белого и взять среднее арифметическое.

Сделать это можно вручную. Но минусы видны сразу: в течении даже небольшого времени освещенность может поменяться, и высчитанное значение окажется неверным.

Значит, можно заставить это делать робота.

В ходе экспериментов мы выяснили, что измерять и черное, и белое необязательно. Можно измерить только белое. А значение идеальной точки рассчитывается как значение белого, деленное на 1,2 (1,15), в зависимости от ширины черной линии и скорости движения робота.

Рассчитанное значение нужно записать в переменную, чтобы потом обращаться к нему.

Расчет “идеальной точки”

Следующий параметр, участвующий в движении – коэффициент поворота. Чем он больше, тем резче робот реагирует на изменение освещенности. Но слишком большое значение приведет к “вилянию” робота. Значение подбирается экспериментально индивидуально для каждой конструкции робота.

Последний параметр – базовая мощность моторов. Она влияет на скорость движения робота. Увеличение скорости движения приводит к увеличению времени реагирования робота на изменение освещенности, что может привести к вылету с траектории. Значение тоже подбирается экспериментально.

Для удобства, эти параметры тоже можно записать в переменные.

Коэффициент поворота и базовая мощность

Логика движения по черной линии такова: измеряется отклонение от идеальной точки. Чем оно больше, тем сильнее робот должен стремиться вернуться к ней.

Для этого высчитываем два числа – значение мощности каждого из моторов В и С по отдельности.

В виде формул это выглядит так:

Где Isens – значение показаний датчика освещенности.

Наконец, реализация в EV3. Удобнее всего оформить в виде отдельного блока.

Реализация алгоритма

Именно такой алгоритм был реализован в роботе для средней категории WRO 2015