Robot śledzący linię¶

Wstęp¶

Robot śledzący trasę (,,line following robot’’ albo ,,line follower’’) jest to samobieżny pojazd autonomiczny, który potrafi rozpoznać wyznaczoną trasę i poruszać się wzdłuż niej. Trasa może istnieć fizycznie (w najprostszym wariancie linia wymalowana na podłodze, bardziej skomplikowane - wiele przecinających się różnokolorowych linii) lub być wyznaczona wirtualnie, np. z pomocą markerów magnetycznych lub laserowych.

Niektóre roboty potrafią również reagować na przeszkody. W przypadku zablokowania trasy robot rozpoznaje przeszkodę, omija ją, znajduje dalszy ciąg trasy i kontynuuje jazdę.

Roboty śledzące trasę są powszechnie używane w przemyśle (dostarczanie materiałów do stanowiska montażowego w hali produkcyjnej), logistyce (zautomatyzowane magazyny), służbie zdrowia (np. transport chorych w szpitalu, dostarczanie leków do łóżka pacjenta) a nawet usługach (automatyczne wózki zakupowe czy wózki do przewozu dzieci w centrach handlowych).

Parametry modelu¶

W modelu regulatora stanem układu x jest położenie robota względem linii. Sygnałem wyjściowym y jest odczyt czujnika koloru (w trybie rozpoznawania intensywności światła odbitego). Sygnałem wymuszającym r jest położenie równowagi względem linii. Sygnałem wejściowym u jest moc silników (prędkości kół). Uchybem e \((e=r-y)\) będzie odchylenie od położenia równowagi.

Rozpoznawanie linii¶

Śledzenie linii oznacza w praktyce, że robot śledzi granicę między linią a tłem. Położenie równowagi będzie wtedy, gdy pole obserwacji czujnika będzie obejmowało w połowie linię a w połowie tło. Tak więc wartość sygnału wymuszającego r powinna być średnią arytmetyczną pomiędzy odczytem tła a odczytem linii.

Poniższy pseudokod przedstawia algorytm funkcji kalibrującej położenie równowagi:

function CALIBRATE
  print "WHITE?"
  Wait for user input
  white = Read Light_Sensor

  print "BLACK?"
  Wait for user input
  black = Read Light_Sensor
  r = (white + black)/2
done function

Regulatory dwustawny i proporcjonalny¶

Regulator dwustawny (dwustanowy) realizuje następujący algorytm:

Algorytm głównej pętli programu dla regulatora dwustawnego (on-off) wygląda następująco:

repeat
  y = read Light_Sensor
  e = r - y
  if e < 0 then
    motor_angle = alfa
  else
    motor_angle = -alfa
  done if
done repeat

W przypadku regulatora proporcjonalnego algorytm jest jeszcze prostszy:

repeat
  y = read Light_Sensor
  e = r - y
  motor_angle = k * e
done repeat

Regulator PID¶

Regulator PID oprócz członu proporcjonalnego P (kompensującego bieżącą wartość uchybu) zawiera również człon całkujący I (kompensujący akumulację uchybów z przeszłości) oraz człon różniczkujący D (kompensujący z wyprzedzeniem przewidywane uchyby w przyszłości):

Procedura optymalizacji parametrów regulatora PID¶

Istnieje wiele metod optymalizacji (dostrajania) parametrów \(K_p\), \(K_i\) i \(K_d\) regulatora PID. Jedną z najprostszych jest metoda ręczna (heurystyczna):

• Ustawiamy niską wartość \(K_p\) oraz \(K_i=K_d=0\)

• Zwiększamy stopniowo wartość \(K_p\) aż do pojawienia się oscylacji.

• Zmniejszamy (mniej-więcej dwukrotnie) wartość \(K_p\), zwiększamy stopniowo \(K_i\) aż do osiągnięcia ,,gładkiej’’ reakcji.

• Na końcu zwiększamy \(K_d\) aby przyśpieszyć reakcję.