Программируем ev3 движение по линии. Международные состязания роботов — Правила — Примеры роботов — Робот для траектории на основе LEGO 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.
Теперь необходимо определить, как такое изменение конструкции скажется на программе. Для простоты опять следует начать с простейшего релейного регулятора и поэтому, в первую очередь, интересуют возможные положения датчиков относительно линии:
На самом деле, можно выделить еще одно допустимое состояние - на сложных трассах это будет пересечение перекрестка или какого-то утолщения на пути.
Другие положения датчиков рассматриваться не будут, потому что либо являются производными от показанных выше, либо это такие положения робота, когда он сошел с линии и уже не сможет вернуть себя на нее используя информацию с датчиков. В итоге, все перечисленные положения можно свести к следующей классификации:
- 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.
На схеме выше сразу же показано, как конкретно в программе должно меняться поведение моторов.Теперь, написание программы не должно составить большого труда.Начать стоит с того, чтобы выбрать какой датчик будет опрашиваться первым. Это не имеет большого значения, поэтому пусть будет левый. Необходимо определить, над светлой или над темной он поверхностью:
Это действие еще не позволяет сказать в какую сторону роботу надо ехать. Но оно разделит состояния, перечисленные выше, на две группы: (I, II) для верхней ветви и (III, IV) для нижней. В каждой из групп теперь по два состояния, поэтому необходимо выбрать какое-то из них. Если внимательно посмотреть на первые два состояния I и II, то они отличаются положением правого датчика - в одном случае он над светлой поверхностью, в другом - над темной. Именно это и определит выбор, какое действие предпринять:
Теперь можно вставить блоки, определяющие поведение моторов согласно таблицам выше: верхняя ветвь вложенного условия определяет комбинацию "оба датчика на светлом", верхняя - "левый на светлом, правый на темном":
Нижняя ветка основного условия отвечает за другую группу состояний III и IV. Эти два состояния также отличаются друг от друга уровнем освещенности, который улавливает правый датчик. Значит, он будет определять выбор каждого из них:
Получившиеся две ветви наполняются блоками движения. Верхняя ветвь отвечает за за состояние "левый на темном, правый на светлом", а нижняя - за "оба датчика на темном".
Следует отметить, что данная конструкция всего лишь определяет, как включить моторы в зависимости от показаний сенсоров в определенном месте поля, естественно через мгновение программа должна проверить не изменились ли показания, чтобы соответствующим образом подправить поведение моторов, а через мгновение еще раз, еще и т.д. Поэтому она должна быть помещена в цикл, который будет обеспечивать такую повторяющуюся проверку:
Такая довольно простая программа будет обеспечивать довольно высокую скорость передвижения робота вдоль линии без вылета за ее пределы, если правильным образом настроить максимальную скорость при движении в состояниях I и IV, а также задать оптимальный способ торможения в состояниях II и III - чем круче повороты на трассе, тем "жестче" должно быть торможение - скорость должна сбрасываться быстрее, и наоборот - при плавных поворотах вполне можно применять торможение через выключение энергии или даже вообще через незначительный сброс скорости.
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.
Рассмотрим простейший алгоритм движения по черной линии на одном датчике цвета на EV3.
Данный алгоритм является самым медленным, но самым стабильным.
Робот будет двигаться не строго по черной линии, а по ее границе, подворачивая то влево, то вправо и постепенно перемещаясь вперед.
Алгоритм очень простой: если датчик видит черный цвет, то робот поворачивает в одну сторону, если белый - в другую.
Реализация в среде Lego Mindstorms EV3
В обоих блоках движения выбираем режим «включить». Переключатель настраиваем на датчик цвета - измерение - цвет. В нижней части не забудьте изменить «нет цвета» на белый. Также, необходимо правильно указать все порты.
Не забудьте добавить цикл, без него робот никуда не поедет.
Проверьте. Для достижения лучшего результата попробуйте изменить значения рулевого управления и мощности.
Движение с двумя датчиками:
Вы уже знаете алгоритм движения робота по черной линии с использованием одного датчика. Сегодня рассмотрим движение по линии с использованием двух датчиков цвета.
Датчики нужно установить таким образом, чтобы черная линия проходила между ними.
Алгоритм будет следующий:
Если оба датчика видят белый цвет – двигаемся вперед;
Если один из датчиков видит белый, а другой черный – поворачиваем в сторону черного;
Если оба датчика видят черный цвет – мы на перекрестке (например, остановимся).
Для реализации алгоритма нам потребуется отслеживать показания обоих датчиков, и только после этого задавать движение роботу. Для этого будем использовать переключатели, вложенные в другой переключатель. Таким образом, мы опросим сначала первый датчик, а потом, независимо от показаний первого, опросим второй датчик, после чего зададим действие.
Подключим левый датчик к порту №1, правый – к порту №4.
Программа с комментариями:
Не забывайте, что моторы запускаем в режиме «Включить», чтобы они работали столько, сколько необходимо исходя из показаний датчиков. Также, часто забывают о необходимости цикла - без него программа сразу завершится.
http://studrobots.ru/
Эта же программа для модели NXT:
Изучить программу движения. Запрограммировать робота. Переслать видео тестирования модели
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.
На этом уроке мы продолжим изучать использование датчика цвета. Материал, изложенный ниже, очень важен для дальнейшего изучения курса робототехники. После того, как мы научимся использовать все датчики конструктора Lego mindstorms EV3, при решении множества практических задач, будем опираться на знания, полученные на этом занятии.
6.1. Датчик цвета - режим "Яркость отраженного света"
Итак, мы приступаем к изучению следующего режима работы датчика цвета, который называется "Яркость отраженного света" . В этом режиме датчик цвета направляет поток красного света на близкорасположенный предмет или поверхность и измеряет количество отраженного света. Более темные предметы будут поглощать световой поток, поэтому датчик будет показывать меньшее значение, по сравнению с более светлыми поверхностями. Диапазон значений датчика измеряется от 0 (очень темный) до 100 (очень яркий). Данный режим работы датчика цвета используется во множестве задач по робототехнике, например, для организации движения робота по заданному маршруту вдоль черной линии, нанесенной на белое покрытие. При использовании этого режима рекомендуется располагать датчик таким образом, чтобы расстояние от него до исследуемой поверхности составляло примерно 1 см (Рис. 1) .
Рис. 1
Перейдем к практическим занятиям: датчик цвета уже установлен на нашем роботе и направлен вниз к поверхности покрытия, по которому будет передвигаться наш робот. Расстояние между датчиком и полом соответствует рекомендуемому. Датчик цвета уже подключен к порту "2" модуля EV3. Давайте загрузим среду программирования, подключим робота к среде и для проведения замеров воспользуемся полем с цветными полосами, изготовленным нами для выполнения заданий Раздела 5.4 Урока №5 . Установим робота, таким образом, чтобы датчик цвета расположился над белой поверхностью. "Страницу аппаратных средств" среды программирования переключим в режим "Просмотр портов" (Рис. 2 поз. 1) . В этом режиме мы можем наблюдать все выполненные нами подключения. На Рис. 2 отображено подключение к портам "B" и "C" двух больших моторов, а к порту "2" - датчика цвета.
Рис. 2
Для выбора варианта отображения показаний датчиков необходимо нажать на изображение датчика и выбрать нужный режим (Рис. 3)
Рис. 3
На Рис. 2 поз. 2 мы видим, что значение показания датчика цвета над белой поверхностью равно 84 . В вашем случае может получиться другое значение, ведь оно зависит от материала поверхности и освещения внутри помещения: часть освещения, отражаясь от поверхности, попадает на датчик и влияет на его показания. Установив робота таким образом, чтобы датчик цвета расположился над черной полосой, зафиксируем его показания (Рис. 4) . Попробуйте измерить самостоятельно значения отраженного света над оставшимися цветными полосами. Какие значения у вас получились? Напишите ответ в комментарии к этому уроку.
Рис. 4
Давайте теперь порешаем практические задачи.
Задача №11: необходимо написать программу движения робота, останавливающегося при достижении черной линии.
Решение:
Проведенный эксперимент показал нам, что при пересечении черной линии, значение датчика цвета в режиме "Яркость отраженного света" равняется 6 . Значит, для выполнения Задачи №11 наш робот должен двигаться прямолинейно, пока искомое значение датчика цвета не станет меньше 7 . Воспользуемся уже знакомым нам программным блоком "Ожидание" Оранжевой палитры. Выберем требуемый условию задачи режим работы программного блока "Ожидание" (Рис. 5).
Рис. 5
Необходимо также настроить параметры программного блока "Ожидание" . Параметр "Тип сравнения" (Рис. 6 поз. 1) может принимать следующие значения: "Равно" =0, "Не равно" =1, "Больше" =2, "Больше или равно" =3, "Меньше" =4, "Меньше или равно" =5. В нашем случае установим "Тип сравнения" в значение "Меньше" . Параметр "Пороговое значение" установим равным 7 (Рис.6 поз. 2) .
Рис. 6
Как только установится значение датчика цвета меньше 7 , что случится, когда датчик цвета окажется расположенным над черной линией, нам необходимо будет выключить моторы, остановив робота. Задача решена (Рис. 7) .
Рис. 7
Для продолжения занятий нам понадобится изготовить новое поле, представляющее собой черную окружность диаметром примерно 1 метр, нанесенную на белое поле. Толщина линии окружности равняется 2 - 2,5 см. Для основы поля можно взять один лист бумаги размером A0 (841x1189 мм), склеить вместе два листа бумаги размером A1 (594x841 мм). На этом поле разметить линию окружности и закрасить её черной тушью. Можете также скачать макет поля, выполненный в формате Adobe Illustrator, а затем заказать его печать на баннерной ткани в типографии. Размер макета равен 1250x1250 мм. (Просмотреть скачанный ниже макет можно, открыв его в программе Adobe Acrobat Reader)
Данное поле пригодится нам для решения нескольких классических задач курса робототехники.
Задача №12: необходимо написать программу для робота, передвигающегося внутри круга, окантованного черной окружностью по следующему правилу:
- робот движется вперед прямолинейно;
- достигнув черной линии, робот останавливается;
- робот отъезжает назад на два оборота моторов;
- робот поворачивает вправо на 90 градусов;
- движение робота повторяется.
Знания, полученные на предыдущих уроках, помогут вам самостоятельно создать программу, решающую Задачу №12.
Решение задачи №12
- Начать прямолинейное движение вперед (Рис. 8 поз. 1) ;
- Ожидать пересечения черной линии датчиком цвета (Рис. 8 поз. 2) ;
- Двигаться назад на 2 оборота (Рис. 8 поз. 3) ;
- Повернуть направо на 90 градусов (Рис. 8 поз. 4) ; значение угла поворота расчитано для робота, собранного по инструкции small-robot-45544 (Рис. 8 поз. 5) ;
- Повторять команды 1 - 4 в бесконечном цикле (Рис. 8 поз. 6) .
Рис. 8
К работе датчика цвета в режиме "Яркость отраженного света" мы еще неоднократно вернемся, когда будем рассматривать алгоритмы движения вдоль черной линии. А пока разберем третий режим работы датчика цвета.
6.2. Датчик цвета - режим "Яркость внешнего освещения"
Режим работы датчика цвета "Яркость внешнего освещения" очень похож на режим "Яркость отраженного света" , только в этом случае датчик не излучает освещение, а измеряет естественное световое освещение окружающей среды. Визуально данный режим работы датчика можно определить по слабо светящемуся синему светодиоду. Показания датчика изменяются от 0 (отсутствие света) до 100 (самый яркий свет). При решении практических задач, требующих измерения внешнего освещения, рекомендуется располагать датчик, так, чтобы датчик оставался максимально открытым и не загораживался другими деталями и конструкциями.
Давайте закрепим датчик цвета на нашем роботе так же, как мы крепили датчик касания в Уроке №4 (Рис. 9) . Подключим датчик цвета кабелем к порту "2" модуля EV3. Перейдем к решению практических задач.
Рис. 9
Задача №13: необходимо написать программу, изменяющую скорость движения нашего робота в зависимости от интенсивности внешнего освещения.
Чтобы решить эту задачу, нам надо узнать, как получать текущее значение датчика. А поможет нам в этом Желтая палитра программных блоков, которая называется "Датчики" .
6.3. Желтая палитра - "Датчики"
Желтая палитра среды программирования Lego mindstorms EV3 содержит программные блоки, позволяющие получать текущие показания датчиков для дальнейшей обработки в программе. В отличие, например, от программного блока "Ожидание" Оранжевой палитры, программные блоки Желтой палитры сразу же передают управление к следующим за ними программным блокам.
Количество программных блоков Желтой палитры отличается в домашней и образовательной версии среды программирования. В домашней версии среды программирования отсутствуют программные блоки для датчиков, не входящих в домашнюю версию конструктора. Но, при необходимости, их можно самостоятельно подключить .
Образовательная версия среды программирования содержит программные блоки для всех датчиков, которые можно использовать с конструктором Lego mindstorms EV3.
Вернемся же к решению Задачи №13 и посмотрим, как можно получать и обрабатывать показания датчика цвета. Как мы уже знаем: диапазон значений датчика цвета в режиме "Яркость внешнего освещения" находится в пределах от 0 до 100 . Такой же диапазон у параметра, регулирующего мощность моторов. Попробуем показанием датчика цвета регулировать мощность моторов в программном блоке "Рулевое управление" .
Решение:
Рис. 10
Давайте загрузим получившуюся программу в робота и запустим её на выполнение. Робот поехал медленно? Включим светодиодный фонарик и попробуем подносить его к датчику цвета на разном расстоянии. Что происходит с роботом? Закроем датчик цвета ладонью - что случилось в этом случае? Напишите ответы на эти вопросы в комментарии к уроку.
Задача - Bonus
Загрузите в робота и запустите на выполнение задачу, изображенную на рисунке ниже. Повторите эксперименты со светодиодным фонариком. Поделитесь впечатлениями в комментариях к уроку.
Эта задача является классической, идейно простая, она может решаться много раз, и каждый раз вы будете открывать для себя что-то новое.
Существует множество подходов для решения задачи следования по линии. Выбор одного из них зависит от конкретной конструкции робота, от количества сенсоров, их расположения относительно колёс и друг друга.
В нашем примере будет разобрано три примера робота на основе основной учебной модели Robot Educator.
Для начала, собираем базовую модель учебного робота Robot Educator, для этого можно использовать инструкцию в программном обеспечении MINDSTORMS EV3.
Так же, для примеров нам понадобятся, датчики света-цвета EV3. Эти датчики света, как никакие другие, наилучшим образом подходят для нашей задачи, при работе с ними, нам не придётся забоится о интенсивности окружающего света. Для этого датчика, в программах мы будем использовать режим отражённого света, при котором оценивается количество отражённого света красной подсветки датчика. Границы показаний датчика 0 - 100 единиц, для «отсутствия отражения» и «полного отражения» соответственно.
Для примера мы разберём 3 примера программ для движения по чёрной траектории изображённой на ровном, светлом фоне:
· Один датчик, с П регулятором.
· Один датчик, с ПK регулятором.
· Два датчика.
Пример 1. Один датчик, с П регулятором.
Конструкция
Датчик света устанавливается на балку, удобно расположенную на модели.
Алгоритм
Действие алгоритма основано на том, что в зависимости от степени перекрытия, пучка подсветки датчика чёрной линией, возвращаемые датчиком показания градиентно варьируются. Робот сохраняет положение датчика света на границе чёрной линии. Преобразовывая входные данные от датчика света, система управления формирует значение скорости поворота робота.
Так как на реальной траектории датчик формирует значения во всём своём рабочем диапазоне (0-100), то значением к которому стремиться робот, выбрано 50. В этом случае значения передаваемые функции поворота формируются в диапазоне -50 - 50, но этих значений недостаточно для крутого поворота траектории. По этому следует расширить диапазон в полтора раза до -75 - 75.
В итоге, в программе, функция калькулятора является простым пропорциональным регулятором. Функция которого ((a-50)*1.5 ) в рабочем диапазоне датчика света формирует значения поворота в соответствии с графиком:
Пример работы алгоритма
Пример 2. Один датчик, с ПK регулятором.
Этот пример составлен на той же конструкции.
Вы наверно заметили, что в прошлом примере робот излишне раскачивался, что не давало ему достаточно разогнаться. Сейчас мы постараемся немного улучшить эту ситуацию.
К нашему пропорциональному регулятору мы добавляем ещё и простой кубический регулятор, который добавит изгиб в функции регулятора. Это позволит уменьшить раскачивание робота рядом нужной границей траектории, а так же совершать более сильные рывки при сильном удалении от неё
