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R2 - RoboRoma 
La prima comunità romana
di sviluppo di progetti elettronici
basati su piattaforma Arduino.
Progetto 3
Robot Line Follower
 

Un line follower è un robot che segue una linea, sia essa bianca o nera.   La realizzazione di un Line Follower è alla portata di un principiante. Infatti il line follower è forse il robot più semplice da realizzare e   per portarlo a termine sono necessari pochissimi componenti:

-           Sensori   a raggi infrarossi che sappiano distinguere le differenze di colore (bianco e nero)

-           Due motori (servomotori o motoriduttori)

-           Un Arduino per pilotare i motori e implementare la logica di controllo

-           Batterie per far funzionare il tutto

Nel caso in cui si utilizzino i motoriduttori è necessario utilizzare anche un circuito di alimentazione e pilotaggio dei motori.

I SENSORI

I sensori che si utilizzano nei line follower sono a infrarossi e sono formati da due componenti: un emettitore e un ricevitore di luce.


 

Quando l’emettitore emette luce, questa viene riflessa dal pavimento. Se la linea è ad esempio bianca e il sensore si trova proprio sopra la linea bianca, questa rifletterà tutta la luce, permettendo di capire che si è proprio sopra la linea. Invece se il sensore si trova sopra la superficie nera, la luce riflessa sarà molto poca.

Sapendo sotto quale sensore è la linea, si può capire se il robot la sta seguendo correttamente oppure se sta derivando a destra o a sinistra. Per poter capire di quanto il robot deriva è meglio utilizzare più sensori. Nella figura sopra riportata vi sono 5 sensori, tuttavia non è inusuale trovarne 8 o anche di più. Il minimo sindacale sono 3 sensori.  

 

IL CONTROLLO

Il robot, soprattutto se la linea che si deve seguire non è dritta, tenderà a derivare rispetto ad essa. E’ pertanto importante istruire il robot affinchè cerchi di mantenersi sempre sopra alla linea. Per far questo solitamente si utilizza un regolatore PID (proporzionale-integrale-derivativo) che cercherà di compensare l’errore, cioè la deriva del robot rispetto al centro della linea da seguire. Qualche dettaglio sui PID sulla solita wikipedia.

Questa immagine spiega quale è il criterio utilizzato per il controllo:

 

Sostanzialmente viene utilizzata l’azione combinata dei sensori per comprendere se la correzione del controllo deve essere più o meno lieve.

IL ROBOT LINE FOLLOWER

Il robot presentato all’Arduino day è costituito da un sensore da 8 celle IR della Pololu ( link) dal costo contenuto (circa 14 euro). E’ corredato di una libreria per Arduino già resa disponibile da Pololu che risolve tutti i problemi di interfacciamento.

 

La base del robot è costituita da un modulo a basso costo della DFRobot (meno di 30 euro) che offre anche i motori, le staffe dei motori e le ruote:

Questo è il link a DFRobot.

Il driver che pilota i motori è un driver della sparkfun a bassissimo costo (8 euro) che pilota motori fino a 1.2 ampere. Supporta due motori in contemporanea e permette il controllo PWM della velocità.

Per comodità ho montato il driver dei motori su una breadboard shield, tuttavia è sufficiente una normalissima breadboard. I restanti componenti (parte superiore del telaio, ruotino, supporto per il sensore, batterie) sono auto costruiti o comprati da Leroy Marlin.

Ecco il robottino:

 


 

 
Ecco un breve video che mostra il robottino in azione:

http://www.youtube.com/watch?v=GCxc6LML5wo

 

  

Ecco il sw che pilota il robot line follower:

#include <PololuQTRSensors.h>  

// motor driver pin
#define out_STBY 6
#define out_B_PWM 9
#define out_A_PWM 3
#define out_A_IN2 4
#define out_A_IN1 5
#define out_B_IN1 7
#define out_B_IN2 8
#define motor_A 0
#define motor_B 1
#define motor_AB 2
 

#define NUM_SENSORS    8      // number of sensors used - numero di sensori usati
#define TIMEOUT        2500   // waits for 2500 us for sensor outputs to go low - aspetta 2500 us prima di mandare low i sensori

  //define QTR pololu sensor
PololuQTRSensorsRC qtrrc((unsigned char[]) {2, 12, 11, 10, 17, 16, 15, 14} , NUM_SENSORS, TIMEOUT, 255);
unsigned int sensors[NUM_SENSORS];

  void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  // define motor drive output pin - definisci i pin di output del motore
  pinMode(out_STBY,OUTPUT);
  pinMode(out_A_PWM,OUTPUT);
  pinMode(out_A_IN1,OUTPUT);
  pinMode(out_A_IN2,OUTPUT);
  pinMode(out_B_PWM,OUTPUT);
  pinMode(out_B_IN1,OUTPUT);
  pinMode(out_B_IN2,OUTPUT);   
 
motor_standby(false);// motor stand-by off and stop - togli i motori dallo stand-by e fermali
  stopMotors();
  delay(2000);  

  SensorCalibration(); // sensor calibration - calibra i sensori
  delay(2000);
}

  

void loop()
{
  follow_segment(); // follow the black line - segui la linea nera
}   

// PID parameters
int Kp=120;
int Ki=100;
int Kd=100;   

// follow the black line - segui la linea nera  

void follow_segment()
{
  int last_proportional = 0;
  long integral=0;
  int primo=0;
  int posizione = qtrrc.readLine(sensors); // read the IR sensors - leggi i sensori IR   
 
long int proportional = posizione;
  int P = proportional * Kp/1000; // Proportional parameter  
  long int derivative = proportional - last_proportional; //Derivative parameter
 
if (primo==0) // firt cycle set derivative to zero - al primo giro imposta il derivativo a zero
     {
      primo=1;
      derivative=0;
    }
  int D=derivative*Kd/1000;
  integral += proportional;
  int I=integral*Ki/1000; //integral parameter  
  // Remember the last position - ricorda l'ultima posizione

  last_proportional = proportional;

  int PID =P + I + D; //calculate the PID  

  // print some values on the serial port - scrivi qualche valore sulla seriale
  unsigned char zz;
   for (zz = 0; zz < NUM_SENSORS; zz++)
    {
      Serial.print(sensors[zz]);
      Serial.print(' ');
    }
    Serial.print("   position: ");
    Serial.print(posizione);
    Serial.print("   P:");
    Serial.print(P);
    Serial.print("   I:");
    Serial.print(I);
    Serial.print("   D:");
    Serial.print(D);
    Serial.print("   PID:");
    Serial.print(PID);  

  // set the values for the motors based on the PID gain - setta i valori del motore basati sul PID
    const int maximum = 40; // the maximum speed
     if (PID > 0){
       if (PID > maximum) PID=maximum;
       motor_speed2(motor_B,maximum);
       motor_speed2(motor_A,maximum-PID);
      Serial.print("   Motore_B:");     Serial.print(maximum);
    Serial.print("   Motore_A:");      Serial.print(maximum-PID);  
      }
      else {
       if (PID < -maximum) PID=-maximum;
       motor_speed2(motor_B,maximum+PID);
        motor_speed2(motor_A,maximum);
      Serial.print("   Motore_B:");     Serial.print(maximum+PID);
    Serial.print("   Motore_A:");      Serial.print(maximum);  
     
}

      Serial.println("");   

}   

// ------------------ stop the robot - ferma il robottino   -----------------------  
void stopMotors(){
  motor_brake(motor_A);
  motor_brake(motor_B);
}

// ------------------ Motor driver mgmt routines - routine per gestire i motori   -----------------------  

void motor_speed2(boolean motor, char speed) { //speed from 0 to 100
  if (motor == motor_A)
   speed = -speed;
  byte PWMvalue=0;
  PWMvalue = map(abs(speed),0,100,50,255); //anything below 50 is very weak
  if (speed > 0)
    motor_speed(motor,0,PWMvalue);
  else if (speed < 0)
    motor_speed(motor,1,PWMvalue);
  else {
    motor_coast(motor);
  }
}
void motor_speed(boolean motor, boolean direction, byte speed) { //speed from 0 to 255
  if (motor == motor_A) {
    if (direction == 0) {
      digitalWrite(out_A_IN1,HIGH);
      digitalWrite(out_A_IN2,LOW);
    } else {
      digitalWrite(out_A_IN1,LOW);
      digitalWrite(out_A_IN2,HIGH);
    }
    analogWrite(out_A_PWM,speed);
  } else {
    if (direction == 0) {
      digitalWrite(out_B_IN1,HIGH);
      digitalWrite(out_B_IN2,LOW);
    } else {
       digitalWrite(out_B_IN1,LOW);
      digitalWrite(out_B_IN2,HIGH);
    }
    analogWrite(out_B_PWM,speed);
  }
}  
// stand-by motor
void motor_standby(boolean state) { //low power mode
  if (state == true)
    digitalWrite(out_STBY,LOW);
  else
    digitalWrite(out_STBY,HIGH);
}  

// stop the motors
void motor_brake(boolean motor) {
  if (motor == motor_A) {
    digitalWrite(out_A_IN1,HIGH);
    digitalWrite(out_A_IN2,HIGH);
  } else {
    digitalWrite(out_B_IN1,HIGH);
    digitalWrite(out_B_IN2,HIGH);
  }
}  

// motors coast - fai girare i motori in folle
void motor_coast(boolean motor) {
  if (motor == motor_A) {
    digitalWrite(out_A_IN1,LOW);
    digitalWrite(out_A_IN2,LOW);
    digitalWrite(out_A_PWM,HIGH);
  } else {
    digitalWrite(out_B_IN1,LOW);
     digitalWrite(out_B_IN2,LOW);
    digitalWrite(out_B_PWM,HIGH);
  }
}

// IR sensor calibration  
void SensorCalibration() {
  int counter, i;
  for (counter=0; counter<40; counter++)
  {
    if (counter < 10 || counter >= 30) {
      motor_speed2(motor_A,10);
      motor_speed2(motor_B,-10);
    }
    else   {
      motor_speed2(motor_A,-10);
      motor_speed2(motor_B,10);
    }
    qtrrc.calibrate();      
   
// Since our counter runs to 80, the total delay will be
   
// 80*20 = 1600 ms.
    delay(20);
  }

     // print the calibration minimum values measured when emitters were on

    for (i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)
  {
    Serial.print(qtrrc.calibratedMinimumOn[i]);
    Serial.print(' ');
  }
  Serial.println();

    // print the calibration maximum values measured when emitters were on
  for (i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)
  {
    Serial.print(qtrrc.calibratedMaximumOn[i]);
    Serial.print(' ');
  }
  Serial.println();
  Serial.println();
  stopMotors();
 
delay(2000);

}


Creato da AleGiaco  (2011)


Ultimo aggiornamento: 26 aprile 2011



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