Занятие 24. Балансирующий робот-сигвей.

Конструкция робота-сигвея

Конструкция робота изображена на рисунке: вертикально расположенный контроллер, близко посаженные колеса и датчик освещенности, направленный вниз.

Принцип работы

Принцип стабилизации сигвея в положении равновесия состоит в следующем. Если работ наклоняется вперед, показания на датчике освещенности повышаются за счет отраженного света. В ответ на это вырабатывается управляющее воздействие, заставляющее робота ехать вперед и тем самым снова принимать вертикальное положение.

При отклонении назад показания датчика понижаются и робот начинает движение назад.За все это отвечает пропорциональная составляющая. На роль интегральной и дифференциальной составляющих отводится страховка от перерегулирования.

Алгоритм в Robolab

Большую часть алгоритма занимает инициализация переменных. Следуя принципу движения по линии, в качестве установки используем переменную grey - средние показания датчика освещенности в положении равновесия. Новый параметр scale задает масштабирование управляющего воздействия. По сути, это ослабляющий коэффициент, поскольку вырабатываемое регуляторами значение слишком высоко для моторов NXT.

С приведенными коэффициентами робот хорошо стабилизируется на однотонном светлом линолеуме или парте. Т.е. ему не требуется белый цвет поверхности. Для запуска нужно достаточно точно установить сигвея в положении равновесия. Если робот стартует при некотором наклоне вперед или назад, то сразу начинает движение в направлении наклона.

Занятие 23. Танец в круге (кегельринг).

Танец в круге

Робот живет внутри круга, за пределы которого нельзя выходить. Для выполнения этой задачи надо собрать стандартную трехколесную тележку: два передних колеса ведущие, одно заднее подвижное на шарнире. Спереди по центру расположен датчик освещенности, направленный строго вниз и находящийся на расстоянии 5-10 мм от пола.

Робот ставится в центре и при старте должен двигаться внутри круга, не выходя за его пределы.

Алгоритм действий "Танец в круге" таков:

1. ехать вперед, пока показания датчика не понизятся на 5 пунктов (лучше 10);
2. отъехать немного назад (полсекунды);
3. развернуться примерно на 120-150 градусов (тоже по времени);
4. повторять пункты 1-3 бесконечно.

Параметры, указанные в модификаторах, подберите самостоятельно: степень понижения освещенности на черной линии, время отъезда назад и время поворота.

Вытолкнуть все банки
Несколько пластиковых стаканчиков или пустых жестяных банок расставлены вниури круга, за черной линией на расстоянии 12-15 см от нее - это мусор, от которого необходимо очистить круг за кратчайшее время. Первые попытки запуска робота покажут несколько недостатков:

1. стаканчики попадают под колеса, падают и плохо выталкиваются;
2. даже вытолкнутые стаканчики остаются частично внитри круга, поскольку, увидев край, робот сразу устремляется назад;
3. робот ведет себя как слон в посудной лавке;
4. робот делает много движений впустую.

Избавимся от первого недостатка. Для этого построим бампер шириной 20-25 см рядом с датчиком освещенности.

Второй и третий недостатки устраняются программно. Пусть увидев край, тележка еще немного двигается вперед, выталкивая стаканчик, и только после этого объезжает внутрь круга.

Самый надежный способ заехать точно на пределы черной линии - это дождаться значения белого на датчике освещенности. Поэтому время можно заменить на "ожидание белого". Для экономии места стоит сгруппировать команды управления моторами, а также использовать "реверс" при смене направления на работающих моторах.

Теперь стоит поработать над точностью движения, по возможности не теряя скорости.
В зависимости от конструкции робота, при резкой смене направления он может потерять равновесие или просто "встать на дыбы" на передние колеса. Поэтому последние несколько сантиметров можно проехать на торможении по инерции, то есть полностью освободив моторы.
И второе. Точность поворота будет зависеть от того, какие команды подаются на моторы и по какому принцип рассчитываются длительности поворота. К сожалению, таймер - не надежный помощник. По инерции на малых промежутках времени робот может поворачиваться не различные углы.
Мы можем пожертвовать реверсом в последней команде управления моторам В, для того чтобы достичь неторопливого движения обоими моторами. Длительность поворота при этом немного возрастет.

Для точности управления моторами необходимо использовать другой тип команд: с контролируемым вращением. Эти команды находятся в разделе "Advanced Output Control"  и позволяют задавать мощность моторов от -100 до 100. В новом примере для компактности разместим все числовые параметры сверху, а модификаторы портов снизу.

Не делать лишних движений
Желание проконтролировать движение робота приводит к необходимости изменить траекторию движения таким образом, чтобы каждый раз, доехав до края, он возвращался в центр круга.
Севомоторы NXT имеют встроенный датчик оборотов, этим непременно надо воспользоваться. Для этого нужно обнулять показания датчика оборотов, когда робот окажется в центре. Отсчет времени невозможно повернуть вспять, чтобы снова придти в нулевую точку, а моторы можно. По замыслу робот проезжает некоторое количество оборотов вперед, после чего следует назад, пока датчик оборотов снова не будет ноль.
В Robolab для этого следует использовать специфический блок, который не обнуляет показания датчиков оборотов  при вызове (с буквой А на пиктограмме). Кроме того, в примере добавлены модификаторы "Encoder C" из палитры "NXT Commander" для ясности различия между командами управления мотором и датчиками.

Результат уже значительно лучше, но робот все равно иногда промахивается мимо кеглей. Конечно, ведь он поворачивается вслепую. Надо бы оснастить его зрением. для этого подойдет датчик расстояния. Датчик надо поставить так, чтобы правый (со стороны разъема) датчик был первым по ходу движения.  Тогда в процессе вращения больше вероятность, что отраженный сигнал будет уловлен принимающим глазком, идущим следом.

Итак, вращение осуществляется до тех пор, пока на датчик расстояния не поступит сигнал, например, "ближе 45". Т.е. обнаружен объект на расстоянии ближе 45 см. Надо иметь ввиду, что на стаканчики, которые робот вытолкнул за линию, он не должен обращать внимания. Поэтому указанное расстояние не следует делать больше радиуса круга.

В зависимости от конструкции робота, в приведенном алгоритме может быть один недостаток. Вернувшись в центр круга, робот начинает вращение до появления кегли. Однако, в силу неточности ультразвукового датчика, он может среагировать сразу на уже вытолкнутую кеглю. Поэтому имеет смысл, во-первых, выталкивать их подальше за пределы круга, во-вторых, начинать поворот вслепую, а в в-третьих, все действия поначалу выполнять в замедленном темпе.

Занятие 20. Пропорционально-дифференциальный регулятор.

Конструкция робота для движения вдоль стенки
На базовую тележку надо прикрепить датчик расстояния и подключить его на 1 порт.
Датчик расстояния слегка выносится вперед:

Ориентацию датчика можно варьировать:

Движение вдоль стенки
Решим такую задачу. Робот должен двигаться вдоль стенки на заданном расстоянии L. Предположим, что левое колесо робота управляется мотором B, правое - мотором С, а датчик расстояния, подключенный к порту 1, закреплен несколько впереди корпуса тележки (это важно!) и направлен на стену справа по ходу движения.

Расстояние до стенки в настоящий момент времени, которое показывает датчик, обозначим S1. Измеряется она в сантиметрах.
Моторы двигаются со средней скоростью 50% от максимума,  но при отклонении от заданного курса на них осуществляется управляющее воздействие u (на мотор В 50+u, на мотор С 50-u):
u=k*(S1-L),
где k - некий усиливающий коэффициент, определяющий воздействие регулятора на систему.
Таким образом, при S1=L робот не меняет курса и едет прямо. В случае отклонения его курс корректируется. Для робота NXT средних размеров коэффициент k может колебаться от  1 до 10 в зависимости от многих факторов. Подберите его самостоятельно.

 

В данном случае П-регулятор будет эффектно работать только при малых углах отклонения. Кроме то, движение практически всегда будет происходить по волнообразной траектории. Сделать регулирование более точным позволит введение новых принципов, учитывающих отклонение робота от курса. 

Пропорционально-дифференциальный регулятор

В некоторых случаях П-регулятор может вывести систему из устойчивого состояния.

Например, если робот направлен от стенки,  но находится по отношения к ней ближе заданного расстояния, на моторы поступит команда еще сильнее повернуть от стенки, в результате чего с ней может быть утерян контакт (датчик расстояния получает отраженный сигнал практически только от перпендикулярной поверхности).

Для защиты от подобных ситуаций добавим в регулятор дифференциальную составляющую, которая будет следить за направлением движения робота. 

u=k1*(S -L)+k2*(s1-Sold),

где Sold - расстояние на предыдущем шаге.

Необходимо подобрать подходящие значения коэффициентов k1 и k2. Обычно подбор начинается с пропорционального коэффициента (k1) при нулевом дифференциальном (k2=0). Когда достигнута некоторая стабильность на небольших отклонениях, добавляется дифференциальная составляющая.

Конструкция робота с датчиком расстояния, расположенным под углом

Описанный выше робот может объезжать стены только при малых отклонениях от прямой линии. Рассмотрим вариант, при котором на пути движения будут возникать серьезные повороты, вплоть до прямых углом. Потребуется внести модификации и в конструкцию, и в программу.

Во-первых,  робот  должен  будет  смотреть  не  только  направо,  но  и  вперед.  Ставить  второй дальномер довольно затратно. Однако можно воспользоваться эффектом того, что ультразвуковой датчик  имеет  расширяющуюся  область  видимости . 

Это  напоминает  угловое  зрение человека:  кое-что  он  может  увидеть  краем  глаза.  Стоит  воспользоваться  таким  свойством  и разместить датчик расстояния не перпендикулярно курсу движения, а под острым углом . Так можно убить сразу двух зайцев. Во-первых, робот будет видеть препятствия спереди, во-вторых, более стабильно будет придерживаться курса вдоль стены, постоянно находясь на грани видимости. Таким образом, без добавления новых устройств будет получено более  эффективное использование возможностей дальномера. 

Важное  замечание. При старте робота его надо будет направлять датчиком строго на стену, чтобы процесс считывания начального значения прошел без помех.
Крепление для датчика размещается на левой стороне:

Как и впервой конструкции, датчик располагается вертикально:

Увеличенное за счет корпуса робота расстояние до стены способствует расширению области обзора:

Очевидно, что изменение конструкции влечет изменение коэффициентов регулятора k1 и k2. Обычно подбор начинается с пропорционального коэффициента при нулевом дифференциальном. Когда  достигнута  некоторая  стабильность  на  небольших  отклонениях,  добавляется дифференциальная составляющая.