Lego mindstorms ev3 движение по линии с одним датчиком

Обновлено: 05.05.2024

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.

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

Более устойчиво алгоритм работает, если использовать моторы с управлением скоростью –100. 100.

В этом случае есть возможность отрегулировать плавность поворота в соответствии с кривизной линии

Пропорциональный регулятор для движения по черной линии робота ev3

Для движения по черной линии робота ev3 эффективно использовать пропорциональный регулятор. Алгоритм линейного регулятора для ev3 заключается в том, что робот двигается вдоль границы черной линии, у которой среднее значение между абсолютной черной линией и абсолютно белым полем. Назовем это значение датчика средним. Если робот отклонился от границы, то чем сильнее отклонение в белую сторону, тем сильнее поворот направо. Чем сильнее отклонение в черную линию, тем сильнее поворот налево.

Формулы для линейного пропорционального регулятора для движения по черной линии робота ev3 на мощности моторов

Мощность правого мотора = Мощность вперед - отклонение датчика от среднего*коэффициент усиления
Мощность левого мотора = Мощность вперед + отклонение датчика от среднего*коэффициент усиления
Отклонение датчика от среднего = данные датчика цвета- среднее значение
Коэффициент усиления используется для регулировки силы поворота. Коэффициент усиления линейного регулятора при движении по линии и мощность движения подбирается в зависимости от схемы робота и кривизны траектории, таким образом чтобы робот двигался вдоль черной линии с максимальной скоростью и при этом не сходил с траектории.
Для реализации алгоритма линейного регулятора в программе используется ev3 блок математика с функцией дополнительно. Функция дополнительно в блоке математика ev3 позволяет записывать математические выражения с 4 параметрами. каждому слоту соответствует своя буква

Например, расчет среднего значения до переменных a и b осуществляется следующим образом

Введем переменную коэффициент усиления k, переменную для движения вперед v и переменную для среднего значения датчика sr. В бесконечном цикле будет производить расчет отклонения от среднего значения датчика с учетом коэффициента усиления, которое запишем в переменную otkl

Определим мощность левого и правого мотора ml, mpr
Мощность левого мотора определяется согласно формуле сумма мощности вперед и отклонение

Мощность правого мотора определяется согласно формуле от мощности вперед отнимаем отклонение

Согласно определенным мощностям движемся вперед определенное количество времени в цикле

Регулируя параметры: коэффициент усиления, скорость движения вперед , можно подобрать оптимальный режим прохождения траектории с черной линией робота ev3.

Вернуться к содержанию Перейти к теме Регулятор с двумя датчиками

Полезно почитать по теме линейный регулятор в ev3
Математические блоки в ev3

На этом уроке мы напишем программу для движения робота ev3 по черной линии с одним датчиком. Движение по черной линии используется на различных соревнованиях, таких как шортрек, евролинии, траектория и других. Мы познакомимся с различными алгоритмами движения по черной линии

Алгоритм движения робота вдоль черной линии с одним датчиком.

В конструкции робота впереди по центру устанавливается датчик освещенности. Робот будет двигаться следующим образом. Если он датчиком заезжает на черную линию, то сворачивает с нее одним мотором, если он датчиком не видит линию, то он сворачивает другим мотором на линию. Робот будет двигаться зигзагами вдоль черной линии

Программа для робота ev3 движение по черной линии с одним датчиком

Программа будет осуществляться бесконечно ,пока мы не выключим робота. Для этого используем бесконечный цикл. В бесконечный цикл, ставим переключатель, в переключателе выбираем датчик цвета, режим сравнение, яркость отраженного цвета.

В переключателе организовываем движение робота ev3 в циклах один мотор останавливаем, другой мотор включаем в режиме включить. Циклы работают определённое время. Чтобы робот не слетел, желательно время циклов выставлять небольшим.

Когда запускаем движение робота по черной линии, выставляем датчик цвета на линию. Чтобы регулировать скорость движения, меняем мощность моторов. Более надежное движение робота по черной линии реализуется с помощью двух датчиков цвета. Подробнее об алгоритме движения робота по черной линии с двумя датчиками

Вернуться к содержанию Перейти к уроку Движение по черной линии с двумя датчиками

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.

Вернуться к содержанию Перейти к уроку Движение по линии до перекрестка

Одним из часто встречающихся видов соревнований является соревнование “Движение робота вдоль черной линии”. В последнее время активно развивается робототехника, открывается множество кружков. Как следствие проводится множество соревнований и конкурсов по робототехнике различного уровня. Это направление называется соревновательная робототехника.

Это соревнование проводится в разных номинациях и категориях. Есть движение по широкой линии (5 см), по узкой линии (1,5 см), включают в движение по линии участки с прерывистой линией. Часто еще используется объезд роботом препятствий (например объезд кирпича) или преодоление препятствий (например, качающийся мост). После преодоления препятствий робот должен вернуться на линию и успешно финишировать.

Так как сейчас есть много типов робототехнических конструкторов, то соревнования также разделяют по категориям. Т.е. движение по линии Lego EV3, отдельно движение по линии Arduino и т.д. Побеждает робот, преодолевший дистанцию за минимальное время не потеряв трассу.

Алгоритмы движения робота

Есть несколько основных алгоритмов движения робота вдоль черной линии с использованием различных типов регуляторов:

Релейный регулятор
Пропорциональный регулятор
Пропорциональный дифференциальный регулятор
Кубический регулятор
Пропорциональный интегральный регулятор
Пропорциональный интегральный дифференциальный регулятор

Можно использовать эти алгоритмы с применением одного, двух, трех и даже четырех датчиков цвета. Количество применяемых датчиков зависит от сложности соревнований и каждый раз подбирается индивидуально..

Зрение робота EV3

Робот EV3 не обладает зрением и может воспринимать информацию о линии при помощи датчика цвета EV3.

Робот и человек по разному видят черную линию. У человека границы черного и белого четко различимы. Робот же видит размытую картину границы черного и белого. Для того, чтобы более точно определить линию, датчик робота должен быть расположен на границе черной линии и белого поля посередине.

При этом высота расположения датчика над линией должна быть около 1 см. Но это рекомендуемая высота. На соревнованиях встречаются различные варианты расположения датчика и подбираются они участниками индивидуально.

Калибровка датчика цвета

Для того, чтобы применить указанные алгоритмы нужно откалибровать датчик цвета на реальном поле. Есть два способа калибровки:

ручной способ — все вычисления проводятся самостоятельно
автоматическая калибровка — вычисления производятся при помощи блоков операций с данными

Датчик работает в режиме отраженного света. Суть метода состоит в том, что мы находим пороговое значение белого и черного цвета.

На практике нужно измерить значение белого цвета, затем черного цвета, суммировать их и разделить на два. Т.е. если обозначить пороговое значение буквой C, значение белого цвета буквой A и значение черного цвета буквой B, то формула будет выглядеть следующим образом:

С = ( A + B ) / 2

Измерить значение белого и черного цвета можно просто поочередно расположив датчик над белой и черной линией и записать значения.

Ручной режим калибровки датчика цвета EV3

В ручном режиме делается это просто, при помощи меню, расположенном на экране блока Lego EV3. Для этого нужно на экране блока EV3 зайти в третью вкладку и открыть первое приложение из пяти. Это приложение называется представление порта.

Здесь можно быстро посмотреть к какому порту присоединены датчики или сервомоторы. При помощи кнопок управления микроконтроллером EV3 нужно перейти к любому из занятых портов, и тогда можно посмотреть текущие показания, которые в данный момент получены с сенсоров или сервомоторов.

Для примера установлю датчик цвета в порт под номером 3 и сниму показания на белом поле.

На экране блока EV3 отобразилось показание в 43 условных единицы. Таким же образом определяем показания датчика на черной линии. Например показания будут 3 условных единицы. Подставляем эти значения в формулу.

С = ( A + B ) / 2 = (43 + 3) / 2 = 46 / 2 = 23

В результате получаем пороговое значение 23 условных единицы.

Автоматическая калибровка датчика цвета

Таким же точно образом измеряем пороговое значение (его еще называют значение серого) при автоматической калибровке, но на этот раз значение записывается в переменную. Назовем переменную, например, porog. В среде программирования Lego EV3 пишем программу для калибровки.

В первой части программы нужно расположить датчик над белым фоном. Датчик касания расположен в 1 порту. В программе используется блок ожидания действия с датчиком касания. В данном случае установлен параметр “щелчок” — цифра 2 в нижней части блока ожидания. Т.е. нужно нажать и отпустить кнопку датчика.

После этого датчик цвета в режиме отраженного света измеряет значение белого цвета и значение записывается в переменную A.

Во второй части программы нужно расположить датчик над черной линией и также нажать на кнопку датчика касания. Значения черного цвета записываются в переменную B.

В третьей части программы мы считываем значения датчиков из переменной A и B и передаем их значения в блок математики, который находится в режиме “Дополнения”. В этом блоке происходит вычисление по формуле С = ( A + B ) / 2 ирезультат вычисления записывается в переменную С.

Теперь значение переменной С можно использовать в качестве порогового значения серого для дальнейшего использования в алгоритмах движения по линии.

Движение по тонкой линии Arduino

Фрагмент соревнований по робототехнике «Движение по тонкой линии». Также это соревнование называют «Тонкий Триал». Этот очень быстрый робот в номинации роботов Arduino является победителем региональных соревнований.

По условиям соревнований робот Arduino должен совершить объезд кирпича и преодолеть качающийся мост. После преодоления препятствий робот должен вернуться на линию и финишировать не сойдя с трассы. Тонкий триал есть и в категории Lego EV3 роботов.

Читайте также: