Движение по черной линии Ev3
На данном уроке мы разберем движение робота Ev3 вдоль черной линии.
Напишем программу для движения робота по черной линии для Lego Ev3. Познакомимся с логическими операциями Ev3.
Для того, чтобы робот Ev3 двигался постоянно вдоль черной линии в программе используется бесконечный цикл в нем происходит считывание данных с датчиков цвета, освещенности, анализ данных датчиков и соответсвующие маневры робота. В нашем роботе левый датчик цвета подключен к порту 3, правый датчик подсоединен к порту 1. Левый мотор подключен к порту В, правый мотор к порту А.
На рисунке показан блок считывания данных с датчика освещенности.
Если значение меньше 5 (знак сравнения 4) , то значит датчиком мы заехали на черную линию.
Если значение больше 5 (знак сравнения 2), то заехали на белое поле
Алгоритм движения по черной линии для робота с двумя датчиками следующий.
Если робот заехал левым датчиком на черную линию, то робот сворачивает (съезжает с линии) налево. Если робот заехал правым датчиком на черную линию, то поворачивает направо. Если обоими датчиками видит белое поле, то робот едет вперёд. Если обоими датчиками он видит чёрную линию, то это перекрёсток, он едет вперёд и съезжает с перекрестка.
Чтобы обрабатывать одновременно данные с нескольких датчиков, необходимо использовать логические операции. Для того чтобы выполнялись оба условия, используется логическая операция И.
Напишем программу для движения вдоль черной линии для робота Ev3.
У нашего робота левый датчик освещенности подключен к порту 3, правый датчик освещенности подключен к порту 1.
1 действие. Считываем данные с датчиков освещенности заходим в яркость, отраженного света Записываем их в логический блок И ( Красный блок)
2 действие. Соединяем логический блок с переключателем, который выставлен в логическое значение.
3 действие. В условие ставим поворот налево. Смотри урок 1 Повороты Ev3
4 Действие. Повторяем считывание датчиков освещенности и логический блок
Значение датчика освещенности 1 становится меньше 5, а датчика с портом 3 больше 5. В этом случае чёрную линию видит правый датчик. Поворот делается направо, поэтому правый мотор (порт А) вращается назад , мощность со знаком минус, а левый мотор (порт B) вращается вперед. Осуществляется поворот направо. В цикле движения выставите не очень большое время порядка 0,1 секунды, чтобы робот реагировал быстрее на изменение траектории.
5 действие. Если оба датчика освещенности фиксируют белое поле, то робот движется вперед. Опять считываем данные с обоих датчиков. Ставим в считывании датчиков знак больше, мощность обоих моторов положительная.
6 действие. . Если оба датчика освещенности фиксируют чёрную линию, то движемся вперёд. Считывание датчиков, для обоих датчиков ставим меньше 5, для обоих моторов выставляем движение вперед
Для изменения скорости движения по черной линии необходимо поменять мощность моторов при движении вперед. Если траектория будет слишком крута и робот будет слетать с черной линии, необходимо уменьшить мощность при движении вперед и увеличить мощность при поворотах.
Источник
Алгоритмы и программы движения робота Lego Mindstorms EV3 по линии, Овсяницкая Л.Ю., Овсяницкий Д.Н., Овсяницкий А.Д., 2015
Алгоритмы и программы движения робота Lego Mindstorms EV3 по линии, Овсяницкая Л.Ю., Овсяницкий Д.Н., Овсяницкий А.Д., 2015.
В книге рассмотрены алгоритмы движения робота Lego Mindstorms EV3 по линии от простых до профессиональных, предназначенных для скоростного движения по сложным траекториям. Представлены варианты прохождения инверсии, перекрестков, штрих-кодов, прерывистой линии и объезда препятствий. Все алгоритмы сопровождаются подробным объяснением и программным кодом.
Книга будет полезна педагогам начального, среднего, высшего и дополнительного образования, учащимся, студентам и всем, интересующимся вопросами робототехники.
Калибровка датчиков.
Калибровка датчиков является первым шагом реализации алгоритма движения по линии.
Датчик цвета, работая в режиме измерения количества отраженного света, освещает светодиодом поверхность и фиксирует по 100-значной шкале количество отраженного от нее света. Если 100 % света, созданного датчиком, отразится, то датчик передает значение 100. Если от поверхности ничего не отразится, то значение датчика будет равно 0 (рис. 2.1.1).
Поскольку датчик цвета в указанном режиме фиксирует только процент отраженного света, то получаемые значения удобно сравнивать со шкалой градаций серого цвета. Можно сказать, что датчик различает 100 градаций серого цвета.
Перед началом реализации любого алгоритма следования по линии необходимо проводить калибровку датчиков. Она заключается в том, что мы должны найти то состояние, к которому будет стремиться датчик. Если мы хотим, чтобы робот двигался так, чтобы датчик цвета находился на границе черного и белого цвета, мы должны рассчитать числовое значение, соответствующее этому положению. Будем называть это состояние «среднее значение серого».
Оглавление.
ВВЕДЕНИЕ.
1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ РОБОТА ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ПО ЛИНИИ.
2. АЛГОРИТМЫ ДВИЖЕНИЯ ПО ЛИНИИ.
2.1. Калибровка датчиков.
2.2. Особенности использования датчиков цвета и освещенности NXT.
2.3. Дискретная система управления.
2.3.1. Алгоритм движения по линии «Зигзаг» с одним и двумя датчиками цвета.
2.3.2. Алгоритм «Волна».
2.3.3. Алгоритм автоматической калибровки. Создание блоков подпрограмм.
2.4. Пропорциональное управление.
2.4.1. Адаптация алгоритмов пропорционального управления к среде Lego Mindstorms EV3. Принцип работы блока рулевого управления.
2.4.2. Пропорциональный регулятор (П-регулятор).
2.4.3. Добавление кубической составляющей к П-регулятору.
2.4.4. Реализация П-регулятора на основе грех датчиков с дискретным изменением коэффициента н скорости.
2.4.5. Реализация П-регулятора на основе независимого управления моторами.
2.4.6. Встроенный режим калибровки (нормализации).
2.4.7. Пропорциональный интегральный регулятор (ПИ-регулятор).
Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России. Купить эту книгу
Источник
Движение по линии с двумя датчиками ev3. Продвинутый алгоритм движения по линии
Алгоритмы управления мобильным LEGO-роботом. Движение по линии с двумя датчиками освещенности
Педагог дополнительного образования
Казакова Любовь Александровна
- Два датчика освещения
- Пропорциональный регулятор (П-регулятор)
Алгоритм движения вдоль черной линии без пропорционального регулятора
- Оба мотора крутятся с одинаковой мощностью
- Если правый датчик освещенности попадает на черную линию, то мощность левого мотора (например В) снижается или происходит остановка
- Если левый датчик освещенности попадает на черную линию, то мощность другого из моторов (например С) снижается (осуществляется возврат на линию) снижается или происходит остановка
- Если оба датчика на белом или черном, то происходит прямолинейное движение
Движение организовано с помощью изменения мощности одно из моторов
Пример программы движения вдоль черной линии без П-регулятора
Движение организовано с помощью изменения угла поворота
- Пропорциональный регулятор (П-регулятор) позволяет регулировать поведение робота в зависимости от того, на сколько его поведение отличается от желаемого.
- Чем больше робот откланяется от цели, тем больше нужно приложить сил, что бы к ней вернуться.
- П-регулятор используется для удержания робота в определенном состоянии:
- Удержание положения манипулятора Движение по линии (датчик освещенности) Движение вдоль стены (датчик расстояния)
- Удержание положения манипулятора
- Движение по линии (датчик освещенности)
- Движение вдоль стены (датчик расстояния)
Движение по линии с одним датчиком
- Цель – движение по границе «белый-черный»
- Человек может различить границу белого и черного цвета. Робот не может.
- Цель для робота – находится на сером цвете
При использовании двух датчиков освещенности возможна организация движения по более сложным трассам
Алгоритм движения по трассе с перекрестками
- Оба датчика на белом – робот едет прямолинейно (оба мотора крутятся с одинаковой мощностью)
- Если правый датчик освещенности попадает на черную линию, а левый на белом то происходит поворот направо
- Если левый датчик освещенности попадает на черную линию, а правый на белом то происходит поворот на лево
- Если оба датчика на черном, то происходит прямолинейное движение. Можно вести подсчет перекрестков или выполнять какие либо действия
Принцип работы П-регулятора
Алгоритм движения вдоль черной линии с пропорциональным регулятором
- Ц — целевые значения (снять показания с датчика освещенности на белом и черном, рассчитать среднее)
- Т — текущее значение — получаем с датчика
- К — коэффициент чувствительности. Чем больше, тем выше чувствительность
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.
Эта же программа для модели NXT:
Изучить программу движения. Запрограммировать робота. Переслать видео тестирования модели
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.
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
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.
Текущие показания датчика освещенности.
Мощность вращения мотора В.
Мощность вращения мотора С.
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.
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 «
Источник