Движение линии с двумя датчиками ev3. Lego EV3
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.
Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint
на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации:
“Алгоритм движения по черной линии с одним датчиком цвета”Кружок по «Робототехнике»Педагог до Езидов Ахмед ЭлиевичПри МБУ ДО «Шелковской ЦТТ»
Для изучения алгоритма движения по черной линии, будет использоваться робот Lego Mindstorms EV3 с одним датчиком цвета
Датчик цветаДатчик цвета различает 7 цветов и может определить отсутствие цвета. Как и в NXT, он может работать как датчик освещенности.Поле для соревнований роботов "Линия S"Предлагаемый полигон с трассой в форме буквы "S" позволит вам провести еще одно интересное тестирование созданных роботов на скорость и реакцию.
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 впередАлгоритм очень простой: если датчик видит черный цвет, то робот поворачивает в одну сторону, если белый - в другую.
Движение по линии в режиме яркости отраженного светас двумя датчикамиИногда датчик цвета недостаточно эффективно может различить черный и белый цвета. Решение этой проблемы заключается в использовании датчика не в режиме определения цвета, а в режиме определения яркости отраженного света. В этом режиме мы, зная значения датчика на темной и светлой поверхности, самостоятельно можем говорить, что будет считаться белым, а что черным.
Теперь определим значения яркости на белой и черной поверхностях. Для этого в меню блока EV3 находим вкладку «Приложения модуля»Теперь вы находитесь в окне просмотра портов и можете увидеть показания всех датчиков на текущий момент.
наши датчики должны подсветиться красным, что означает, что они работают в режиме определения яркости отраженного света. Если же они светят синим – в окне просмотра портов на нужном порте нажимаем центральную кнопку и выбираем режим COL-REFLECT.Теперь поставим робота так, чтобы оба датчика располагались над белой поверхностью. Смотрим на цифры в портах 1 и 4.В нашем случае, значения 66 и 71 соответственно. Это и будут значения белого у датчиков.
Теперь поставим робота так, чтобы датчики располагались над черной поверхностью. Снова посмотрим значения портов 1 и 4.У нас 5 и 6 соответственно. Это – значения черного.
Дальше, мы изменим предыдущую программу. А именно – изменим настройки переключателей. Пока у них установлено Датчик цвета -> Измерение -> Цвет.
Нам же требуется установить Датчик цвета -> Сравнение -> Яркость отраженного светаТеперь мы должны установить «тип сравнения» и «пороговое значение». Пороговое значение – это значение некоторого «серого», значения меньше которого мы будем считать черным, а больше – белым. Для первого приближения удобно использовать среднее значение между белым и черным каждого датчика.
Таким образом, пороговое значение первого датчика (порт №1) будет (66+5)/2=35.5. Округлим до 35.Пороговое значение второго датчика (порт №4): (71+6)/2 = 38.5. Округлим до 38.Теперь выставляем эти значения в каждом переключателе соответственно.Вот и все, блоки с движениями остаются на своих местах без изменений, так как, если мы ставим в «типе сравнения» знак «<», то все, что сверху (под галочкой) будет считаться черным, а снизу (под крестиком) – белым, как и было в предыдущей программе.Старайтесь ставить датчики так, чтобы разница между белым и черным была как можно больше. Если разница меньше 30 - ставьте датчики ниже.
Это было краткое руководство по программированию робота Lego ev3, для движения по черной линии, с одним и двумя датчиками цвета
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 в определенный момент времени программа на роботе обнаруживает одно и из этих положений, она должна будет среагировать соответствующим образом:
- 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.
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.
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
