sleduj caru - line following

sleduj caru - line following


Stránka stále ve výstavbě!!!


Sledování čáry (anglicky Line Following)

Jedná se jednoduchou a hojně rozšířenou robotickou disciplínu, zejména pro mladé a začínající zájemce o robotiku. Principem je pomocí modelu vozítka sledovat černou čáru na bílém podkladě (někdy to může být i naopak) a projet tak předem vytvořenou dráhu. Pořádají se v této disciplíně i různé soutěže. Nejčastěji se jezdí na čas. Úkolem je tedy navrhnout a sestavit takové vozítko, které projede dráhu v nejkratším čase. Není to tak jednoduché, jak se zdá, protože je nutné umět navrhnout vozítko optimálně po mechanické stránce, vybavit jej řídící elektronikou a v případě, že srdcem elektroniky je mikropočítač, tak jej optimálně naprogramovat. Stavba takového vozítka tedy rozvíjí celou řadu dovedností zájemců o robotiku.




Popis sledovače čáry (Line Followeru)

Pro začínající zájemce jsme připravili jednoduchou stavebnici Line Followeru, která ve své nejvyšší verzi obsahuje i plně osazenou, oživenou a seřízenou řídící elektroniku. Sestavení stavebnice je tak jen otázkou několika minut za pomoci základního nářadí. Není třeba nic pájet, vše je již hotovo. Nejedná se o žádný soutežní brus, ale o jednoduché a spolehlivé vozítko, které lze dále vylepšovat a naučit se na něm základy robotiky.

Line Follower ze stavebnice
Arduino Line Follower
Line Follower ze stavebnice
Arduino Line Follower

Line Follower ze stavebnice
Arduino Line Follower
Line Follower ze stavebnice
Arduino Line Follower


Tento náš Line Follower je jednoduché robotické vozítko určené pro sledování čáry vybavené populárním výukovým jednočipovým mikropočítačem Arduino ve verzi Pro Mini. Z mechanického hlediska se jedná o tříkolový diferenčně řízený podvozek se dvěma pohonnými koly vzadu a jedním balančním rejdovým kolem vepředu. Zatímco přední balanční kolo je zcela volně otočné, zadní kola mají každé svůj pohon elektromotorem. Řízení směru pohybu se řídí tak, že jeden z motorů se buď zcela vypne, či jen zpomalí. Pokud se točí oba motory, jede podvozek rovně. To je principem diferenčního řízení.

Řízení motorů má na svědomí řídící elektronika, jejímž srdcem je již zmíněné Arduino. Motory jsou spínány pomocí tzv. driveru typu L293 a je možné řídit jejich rychlost tzv. pulsně šířkovou modulací. Informaci o tom, zdali se pod vozítkem nachází čára a kde, získává Arduino ze tří optočidel – retroreflexních optozávor typu TCRT5000. Pochopitelně musí být v Arduinu předem vložen příslušný program (firmware), který řízení vozítka zajišťuje. Tolik jen ve stručnosti k popisu.




Sestavení stavebnice Arduino Lone Followeru

Většina styčných ploch je očíslována a při sestavování je třeba dbát na to, aby byla jednotlivá čísla vždy u sebe. Jinak sestavujte podle fotografií na webu. Všechny spoje jsou šroubové a jsou použity výhradně šroubky M3. Některé šroubky mají zápustnou hlavu, jiné válcovou. K sestavení je nutný malý křížový a plochý šroubováček a maticový klíč velikosti 5,5 (na matice M3). Šrouby dotahujte s citem!

Jelikož se jedná o prototypovou stavebnici, vyrobenou ručně "na koleně" s omezeným vybavením, prosíme omluvte její nedokonalé dílenské zpracování. Omluvte i to, že veškerá elektronika je osazena na univerzálních deskách plošných spojů. I přes snahu slícovat všechny díly se může stát, že nějaký otvor nebude pasovat. V tom případě se hodí ještě jehlový kulatý pilníček na případné "doladění" otvoru.

Stavbu začneme montáží držáků motorů (hliníkové úhelníky) na základovou desku. Použijeme šroubky se zápustnou hlavou, aby nepřekážely držáku baterií. Pod matice vkládáme podložky. Šrouby zatím zcela neutahujeme, aby bylo možné s držáky hýbat.

Line Follower ze stavebnice
Držáky motorů
Line Follower ze stavebnice
Držáky motorů


K držákům nyní přišroubujeme motory. Motory drží na jednom dlouhém šroubu M3 a pod hlavu šroubu i pod matici vkládáme podložku. Motory jsou upevněny podle obrázku. Kabelové vývody motorů směřují dovnitř k sobě. V držáku motoru je jeden nevyužitý otvor pr. 5 mm. Toho si nevšímejte. Je tam pouze pro situaci, kdy by bylo nutné motor namontovat obráceně (z druhé strany má výstupek), třeba z důvodu ulomení osičky. Před utažením všech šroubů motory srovnejte tak, aby byly rovnoběžně s hranami základové desky. Nyní všechny šrouby na držácích a motorech dotáhněte. Pokud by se někomu nezdálo, že motory drží jen na jednom šroubu, můžete k jejich fixaci použít kousek oboustraně lepící pásky vložený mezi motor a základovou desku. Ale není to nutné.

Line Follower ze stavebnice
Montáž motorů
Line Follower ze stavebnice
Montáž motorů


Dalším krokem je připevnění sloupků pro desku s čidly. Opět se použijí šroubky se zápustnou hlavou, aby nepřekážely držáku baterií a z druhé strany se našroubují distanční slouky délky 30 mm. Sloupky mají vnitřní závit. Šroubky s citem dotáhněte.

Line Follower ze stavebnice
sloupky čidel
Line Follower ze stavebnice
Sloupky čidel


Nyní můžeme namontovat držák baterií. Použijí se šroubky se zápustnou hlavou. Pokud nedokážete z druhé strany našroubovat matičky, zkuste malé kleštičky či pinzetu na přidržení matiček. V krajní situaci budete muset sundat motory z držáků a pak je opět namontovat. Ale místa je tam dost.

Line Follower ze stavebnice
Držák baterií
Line Follower ze stavebnice
Držák baterií


Následuje připevnění předního balančního kolečka. Použijí se šroubky se zápustnou hlavou, aby hlavy nepřekážely otáčení kolečka. Mezi kolečko a základovou desku je nutné vložit distanční destičku. Pod matice vkládáme podložky. U některých typů kol s velkými otvory vkládáme podložky i pod hlavy šroubů. Po dotažení všech 4 šroubků zkontrolujeme, jestli se kolečko volně otáčí i zatáčí. Nesmí nikde drhnout! Ložisko otáčení i zatáčení můžeme jemně namazat řídkým olejem (olej na šicí stroje, Silkal, WD-40, apod).

Line Follower ze stavebnice
Balanční kolečko
Line Follower ze stavebnice
Balanční kolečko


Dále do základové desky vložíme malé distanční sloupky, zespodu zajistíme matičkami a jemně dotáhneme.

Line Follower ze stavebnice
Sloupky řídící desky
Line Follower ze stavebnice
Sloupky řídící desky


Zespodu přišroubujeme na již namontované sloupky desku s optočidly. Čidla směřují ven (dolů k zemi) a dopředu. Hřebínek konektoru směřuje dozadu k motorům, viz. foto.

Line Follower ze stavebnice
Deska optočidel
Line Follower ze stavebnice
Deska optočidel


Na krátké distanční sloupky přišroubujeme desku s řídící elektronikou tak, aby modré svorkovnice motorů směřovaly dozadu k držáku baterií a hřebínek konektoru mikropočítače směřoval dopředu. Pokud nějaký otvor úplně nesedí, povolte distanční sloupky na základové desce a dotáhněte až po spasování s deskou elektroniky.

Line Follower ze stavebnice
Deska řídící elektroniky
Line Follower ze stavebnice
Deska řídící elektroniky


Kabel od držáku baterií vyveďte pod deskou elektroniky z jedné či druhé boční strany. Kablíky od motorů připojte do modrých svorkovnic. Levý motor do levé svorkovnice a pravý do pravé. V každém páru je jeden kablík vždy označený černým pruhem. Tento kablík je nutné připojit na tu stranu svorkovnice, která je označená černou tečkou, jinak by se motor točil obráceně! Před připojením kablíků je nutné svorkovnice povolit a ideálně špičatým předmětem (malým šroubováčkem) odehnout vnitřní plíšek dovnitř, aby tam kablík šel zlehka a až na konec. Poté svorkovnice jemně dotáhneme.

Line Follower ze stavebnice
Připojení motorů
Line Follower ze stavebnice
Připojení motorů

Line Follower ze stavebnice
Připojení motorů
Line Follower ze stavebnice
Připojení motorů


Je-li stavebnice vybavena IR dálkovým ovladačem, zasuneme do desky příslušný IR přijímač. Způsob připojení je na fotografii.

Line Follower ze stavebnice
Připojení IR přijímače
Line Follower ze stavebnice
Připojení IR přijímače

Line Follower ze stavebnice
Připojení IR přijímače
Line Follower ze stavebnice
Připojení IR přijímače


Nyní můžeme nasadit hnací kola na hřídelky převodovek. Hřídelky jsou zploštělé, stejně jako otvory v kolech, proto je nutné kolo vždy správně natočit! Kola musí zacvaknout až téměř k převodovce (cca 2 mm je tam mezera). Při namačkávání kol raději přidržujte motor z druhé strany.

Line Follower ze stavebnice
Montáž hnacích kol
Line Follower ze stavebnice
Montáž hnacích kol


Postavte podvozek na rovnou plochu a zkontrolujte jeho sestavení. Pojezdová kola musí být rovnoběžná (drobná odchylka nevadí). Balanční kolečko se musí ve všech směrech otáčet naprosto volně a nesmí na nic narážet. Optočidla musí směřovat dopředu a dolů a musí být cca 5 mm nad plochou. Zkontrolujte také správné připojení motorů k řídící desce.

Line Follower ze stavebnice
Kontrola podvozku
Line Follower ze stavebnice
Kontrola podvozku


Propojte desku optočidel s řídící deskou dodaným plochým kabelem. Kabel je opatřen konektory se zámkem. U desky čidel zámek není a je nutné kabel připojit tak, aby směřoval nahoru k základové desce. Konektor je dvouřadý, ale obě řady jsou propojeny. A bylo by tedy jedno, kterou řadu zvolíme. Aby konektor nevyčníval dospod, zvolte krajní řadu. Aby kabel nedrhnul o kola, protáhněte ho mezi distančními sloupky držící čidla, viz. foto.

Line Follower ze stavebnice
Propojení čidel a řídící desky
Line Follower ze stavebnice
Propojení čidel a řídící desky

Line Follower ze stavebnice
Propojení čidel a řídící desky
Line Follower ze stavebnice
Propojení čidel a řídící desky


Poslední operací je vložení baterií do držáku. Používají se výhradně tužkové baterie (typ AA) o napětí 1,5V ideálně alkalické. Napájecí napětí je tedy 4x1,5=6V. Pozor! Nepoužívat nabíjecí NiCd, či NiMH akumulátory s napětím 1,2V! Výsledných 4,8V na provoz vozítka nestačí! Pokub byste chtěli používat tyto nabíjecí články, musíte jich zapojit 5 (5x1,2=6V) a tedy použít jiný držák baterií.

Line Follower ze stavebnice
Vložení 4 baterií AA (alkalické)
Line Follower ze stavebnice
Vložení 4 baterií AA (alkalické)


Nyní opět zkontrolujeme celé sestavené vozítko a můžeme jej vyzkoušet:-)




Provoz vozítka

Zapnutí vozítka se provede zasunutím konektoru od baterií do hřebínku na řídící desce. Hřebínek je mezi modrými svorkovnicemi motorů. Zapojení konektoru je zdvojené symetrické a je jedno jak konektor připojíme. Důležité je pouze to, aby byly obsazeny všechny 4 kolíky hřebínku.

Line Follower ze stavebnice
Připojení napájení
Line Follower ze stavebnice
Připojení napájení


Na následujícím obrázku jsou popsány všechny přípojné a ovládací prvky, které na desce řídící elektroniky jsou. Pozor pouze na to, že u některých klonů Arduin mohou být trochu jinak umístěny LED napájení a LED mode. Ale vždy by měla být LED napájení vpředu a LED mode vzadu.

Ovládací a přípojné prvky na desce elektroniky
Ovládací a přípojné prvky na desce elektroniky


Po zapnutí se na destičce mikropočítače Arduino rozsvítí jedna LED vepředu (kontrolka napájení) a druhá LED vzadu. Zde mohou nastat dva stavy. Pokud zadní LED trvale svítí, není počítač zkalibrován na černou čáru a je nutné provést kalibraci, viz dále.

Line Follower ze stavebnice
Připraven k jízdě
Line Follower ze stavebnice
Připraven k jízdě

Pokud bude zadní LED blikat, je vozítko připraveno k jízdě. Položte vozítko na dráhu tvořenou černou čárou šíře 15-20 mm na bílém podkladě. Nejprve položte vozítko na bílý podklad. Všechny tři žluté LED nalevo od mikropočítače musí svítit. Nyní vozítko posunujte tak, aby černá čára byla pod některým z čidel. Příslušná žlutá LED odpovídající danému čidlu musí zhasnout. Tím ověříme, že vozítko čáru opravdu rozeznává. Nakonec vozítko umístěte na čáru tak, aby byla pod prostředním čidlem a odstartujte stisknutím tlačítka START (zadní tlačítko vlevo na desce). Vozítko se rozjede rovně a začne sledovat čáru.




Chceme-li jízdu ukončit, vozítko odchytíme a buď vysuneme napájecí konektor, nebo stiskneme malé tlačítko přímo na mikropočítači (RESET).

Základní verze ovládacího programu vozítka (tzv. firmware) je velice jednoduchá a nevyužívá všech možností mikropočítačového řízení. Používá se jednoduchý ON/OFF systém řízení a tomu odpovídá i pohyb stylem cik-cak:-) Vytvořit si dokonalejší program, třeba na bázi PID regulace, je tak ponecháno na vás. V základu to funguje tak, že pokud se čára nachází pod prostředním čidlem (je zateměné), jsou oba motory zapnuté na maximální rychlost (omezenou trimrem - viz. dále) a jedeme rovně. Pokud dojde k zatemění jednoho z krajních čidel, příslušný motor na straně zateměného čidla se zastaví a vozítko se tak srovná na čáru. Pokud z čáry úplně vyjedeme a žádné čidlo není zateměno, pokračujeme v předešlé akci (jízda rovně či točení), dokud čára není opět nalezena. Vozítko si také dokáže čáru samo najít. Stačí ho odstartovat na bílé ploše tak, aby směřovalo k čáře. Robot se rozjede rovně dokud čáru nenajde. Ale pokud čáru nenajde do několika sekund, zastaví se a blikáním všech tří žlutých LED signalizuje, že čáru nenašel. Je nutné ho pak znovu RESETovat.




Nastavení rychlosti

Pokud bude dráha příliš klikatá a vozítko příliš rychlé a z dráhy nám vyjede, můžeme omezit maximální rychlost pomocí trimru vpravo vedle mikropočítače. Po každé změně rychlosti je ale nutné stisknout RESET na mikropočítači, aby si počítač načetl novou hodnotu rychlosti. Rychlost nenastavujte příliš nízko, může se totiž stát, že při nízkých otáčkách se motory již neroztočí (buď oba, nebo jen jeden). Obecně platí, že pro dráhu s velkými poloměry zatáček je možné nastavit vyšší (nebo i maximální) rychlost. Pro členitou dráhu s malými poloměry zatáček je nutné rychlost snížit, aby vozík "stíhal" čáru sledovat. Rychlost je také nutné upravovat (přidávat) podle toho, jak se vybíjejí baterie. K nastavení trimru použijte malý plochý šroubováček.




Kontrola Baterií

Baterie je nutné vyměnit v případě, že jejich celkové napětí poklesne cca pod 5V naprázdno. K jejich kontrole je vhodný voltmetr. Ale obecně se dá říci, že baterie je nutné vyměnit vždy, když se motory nebudou ochotně rozbíhat při polovičním nastavení rychlosti, nebo když se vozítko bude chovat nestandardně (při nízkém napětí počítač prostě zblbne:-)). Pokud vozítko nepoužíváte, vždy baterie odpojte (vytažením napájecího konektoru).




Kalibrace

Pokud po zapnutí napájení nezačne blikat zadní LED na mikropočítači, je nutné provést kalibraci čidel. Tu je možné vyvolat i tak, že při zapínání či RESETu počítače podržíme tlačítko nárazníku (přední tlačítko vlevo na desce). Zadní LED na mikropočítači bude trvale svítit. Nyní položíme vozítko na čáru tak, aby čára byla pod prostředním čidlem a stiskneme tlačítko START (zadní tlačítko vlevo na desce). Počítač potvrdí uložení hodnoty bliknutím prostřední žluté LED. Pak položíme vozítko tak, aby pod prostředním čidlem byl bílý podklad dráhy a opět stiskneme START. Bliknutí prostřední LED opět potvrdí uložení hodnoty. Počítač si nyní z hodnot černá/bílá vypočítá prostřední rozhodovací úroveň a tu si uloží do vnitřní paměti EEPROM. V této paměti se hodnoty uchovávají i po vypnutí, takže pro stejný typ dráhy už se příště kalibrovat nemusí. Jakmile se rozbliká druhá LED na počítači, je vozítko připraveno k jízdě.




Provoz na dvě čidla

Firmware vozítka je vybaven možností provozu jen na dvě čidla. V tomto módu jsou sledována jen krajní čidla a prostřední je ignorováno (prostřední žlutá LED zůstane trvale svítit). Vozítko jede rovně vždy, když není zateměno žádné krajní čidlo. Jedná se jen o ukázku toho, jak se v tomto režimu vozítko chová, protože provoz na tři čidla je pochopitelně lepší a jízda jistější. Dvoučidlový mód se aktivuje tak, že na krajní levé dva piny vpravo dole pod mikropočítačem nasadíme tzv konfigurační propojku – JUMPER a zapneme, či zresetujeme mikropočítač. Od této chvíle se vyhodnocují jen dvě krajní čidla. Pro návrat k provozu na 3 čidla stačí odstranit jumper a zresetovat mikropočítač RESET tlačítkem.




Nárazník

Vozítko je vybaveno přípojkou na nárazník (ten ale není součístí stavebnice). Jako nárazník může sloužit libovolný spínač (mikrospínač), který se sepne nárazem na překážku. Po nárazu si vozítko kousek couvne a provede otočku o 180° během níž hledá čáru. Jakmile ji najde rozjede se po ní. Nárazník se připojí na dvoupinový hřebínek vedle předního tlačítka, které označujeme také jako nárazník. Toto tlačítko je totiž zároveň určeno k simulaci nárazníku. Stačí jej za jízdy stisknout a vozítko provede otočku.




Dálkové řízení vozítka

Je-li stavebnice vybavena dálkovým ovladačem, je možné vozítko provozovat jako dálkově ovládaný model. Do tohoto režimu se přepneme tak, že při zapínání či resetu podržíme tlačítko START. Nyní je možné řídit vozítko pomocí šipek na dálkovém ovladači. Červeným tlačítkem OK se vozítko zastavuje. Je nutné se uvědomit, že ovladač pracuje na optickém (infračerveném) principu a je tedy nutné při vysílání povelů neustále mířit na přijímací fototranzistor na vozítku! Režim není zcela doladěn, protože použitá knihovna pro obsluhu IR přijímače prostě není ideální, ale funguje to. Také je nutné si uvědomit, že vlivem nedokonalých převodových motorů se tyto netočí vždy úplně stejnou rychlostí a vozítko tak vždy nejede zcela rovně. Což při sledování čáry nevadí. Režim dálkového řízení bude doladěn v dalších verzích firmware pro mikropočítač Arduino.




Další možná vylepšení

Vozítko lze pochopitelně dále vylepšovat, ale vždy je nutné upravit program pro řídící mikropočítač. Je tak možné vyzkoušet sledování pomocí více čidel (5), připojit sonar či lidar k dálkové detekci překážky, připojit modul Bluetooth k dálkovému ovládání pomocí mobilu a tak dále. Vylepšovat je možné i stávající firmware a vyzkoušet třeba PID regulaci sledovače, průjezd křížením čar, volba optimální trasy apod. Možností je mnoho. A pokud vás omrzí vozítko jako takové, lze z desky vytáhnout samotné Arduino a použít je v jiných projektech, který jsou na internetu tisíce….




Dráha pro Line Following

Standardní firmware našeho vozítka je připraven pro sledování černé čáry na bílém podkladu. Čára by měla být široká cca 15-20 mm. Jak si takovou dráhu vytvořit? Základem je bílý povrch. Lze použít třeba bílou dřevotřískovou lamino desku. Nebo jakoukoli jinou desku, na kterou položíme (a třeba izolepou přilepíme bílý papír). Může to být čtvrtka, nebo klidně i papír z nástěnného kalendáře, který má obvykle zadní stranu bílou. Pro sestavení větší plochy k sobě slepíme více listů pomocí průhledné, nebo bílé lepící pásky. Na takto vytvořený podklad si nejprve obyčejnou tužkou načrtneme tvar dráhy. Dráha by měla být vždy alespoň 10 cm od okraje bílého podkladu, aby při výjezdu ze zatáčky vozík nezabloudil. Čára by se k sobě také neměla přibližovat na více jak 10 cm, jinak se může stát, že vozík "přeskočí" na druhou čáru. Vyvarovat se u standardního firmware také musíme křížení čar a "ostrým" zatáčkám. Máme-li dráhu načrtnutou, začneme vytvářet čáru pomocí lepící černé izolační pásky (z elektroobchodu). Pásku odvíjíme a prstem přitlačujeme na bílý povrch. Lze takto dělat i zatáčky.

Na následujících obrázcích jsou příklady jednoduché i členité dráhy zhotovené výše popsaným způsobem na čtvrtce formátu A1 (841x594 mm) z papírnictví. Obě dráhy jsou na jednom listu, z každé strany jedna. Přestože členitá dráha nesplňuje požadavek na 10 cm odstup čar, vozík z naší stavebnice ji po příslušném nastavení rychlosti bez problémů opakovaně projíždí.

Line Follower - pokusná dráha
Pokusná dráha 1
Line Follower - pokusná dráha
Pokusná dráha 2


Je možné si na jednotlivé listy vytvářet jen fragmenty dráhy a tím vytvářet jakési moduly, ze kterých se bude výsledná dráha sestavovat podobně, jako kdysi autodráhy.



Bude brzy aktualizováno:-)



Odladěno na MS IE 8.0 a Firefoxu při rozlišení min. 1024 x 768 pixelů
www.SLEDUJCARU.cz    2016  -  2017