Анализ современных решений в исследуемой области

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 данном проекте будет собран робот на лёгкой платформе с двумя колёсами и двумя датчиками линии, расположенными на днище робота перед колёсами.

Для этого робота понадобятся следующие детали:

Arduino Uno;

Двухколёсная платформа miniQ;

Motor Shield;

Troyka Shield;

Пара датчиков линий Kingduino Line Hunting Sensor.

Данный датчик линии позволяет определять цвет поверхности около него. Выходом является простой бинарный цифровой сигнал: логический 0 или 1 в зависимости от цвета, который он видит перед собой. Единица — чёрный или пустота, ноль — не чёрный.

Основной фотоэлемент работает в инфракрасном спектре. Дополнительно на сенсоре установлен светодиод, который загорается, когда поверхность под датчиком светлая. Это удобно для диагностики и настройки.

Переменный резистор, установленный на сенсоре, позволит регулировать чувствительность сенсора в широких пределах. Это позволяет откалибровать датчик под вашу конструкцию, материал покрытия и различные условия внешнего освещения.

Сенсор может быть закреплён на днище мобильной платформы, чтобы заставить робота не выезжать за пределы территории обозначенной контуром, или чтобы он следовал за нарисованной линией.

Также его можно использовать в роли энкодера вращения: разместив на вращающемся объекте нарисованную чёрно-белую мишень, можно понять с какой угловой скоростью вращается объект и сколько оборотов он сделал.

Датчик подключается к управляющей электронике через 3 провода. При подключении к Arduino будет крайне удобно использовать Troyka Shield. Шлейф для подключения включён в комплект.

Если вам необходимы градации в измерении яркости цвета объекта, т. е. нужен аналоговый сигнал, обратите внимание на аналоговый датчик линии.

Характеристики.

• · Напряжение питания: 3−5 В
• · Потребляемый ток: менее 10 мА
• · Рабочая температура 0 °C ~ + 50°C
• · Интерфейс 3pin (Сигнальный, +5 В питание, GND Земля)
• · Выходной сигнал (Высокий уровень — белый цвет, низкий уровень — черный цвет)

Установка Оптимальное расстояние между датчиком и поверхностью 1−2 см.

Аналоги датчика:

· Датчик линии на базе TCRT5000L (аналоговый) Этот датчик испускает инфракрасный сигнал и затем ловит отражение этого инфракрасного сигнала от поверхности. В зависимости от типа и цвета поверхности меняется интенсивность отраженного сигнала. По этой интенсивности можно приблизительно судить об оттенках цвета поверхности, также может использоваться как датчик Холла, для определения скорости вращения. Состоит из светодиода, испускающего свет в инфракрасном диапазоне и фототранзистора. Рабочая дистанция 12 мм. Тип сенсора — рефлекторный.

• · Дистанция 12 мм
• · Длинна волны 950
• · Питание 5В
• · Метод зондирования: отражение
• · Рабочая температура от -25 до 85 градусов
• · Рефлекторный датчик QRE1113

QRE1113 это рефлекторный датчик, он часто используется в роботах, которые движутся по линии. В датчике установлен ИК светодиод, который светит на поверхность, и фототранзистор, который улавливает отраженный от поверхности свет. Темные цвета будут отражать меньше света, таким образом датчик может быть использован для разницы между белой и черной поверхностями. Несколько таких датчиков может использоваться в роботах для определения темных линий на земле, чтобы он мог следовать по ним. Но они также могут быть использованы для определения расстояния.

Существуют цифровые и аналоговые модели QRE1113. Аналоговая версия очень простая, она просто подает уровень аналогового напряжения на контактный сигнал в зависимости от того, сколько света отражается. Вы можете подумать, цифровая версия, часто называют датчик линии, просто выводит логическую 1, когда он видит линию, и логический 0, когда она отсутствует. Но это не так.

Цифровая версия предназначена для микроконтроллеров без аналогового входа, где нужно аналоговое считывание количества отраженного света. Он делает это, позволяя заряжать конденсатор на плате, а затем отсчитывать время, за которое он разрядится. Чем больше света отражается, тем меньше времени требуется, чтобы разрядить конденсатор. При тестировании, время колебалось в пределах от 10 микросекунд до 2,5 мс, так что это все делается очень быстро, а также не вносит большую задержку в вашем коде.

· QTR-3RC Reflectance Sensor Array.

Основное назначение модуля Pololu QTR-3RC — датчик линии, но он может использоваться как датчик приближения или датчик отражения. На этом модуле равномерно располагаются с промежутком в 9,5 мм восемь сенсоров-пар содержащих источник инфракрасного сигнала (светодиод) и приемника сигнала (фототранзистор). Этот массив хорошо работает в качестве минимального датчика линии следования робота на линии следования курса, как правило изготовленного из 19 мм черной изоленты. Средний датчик слегка смещен вперед относительно горизонтальной оси платы.

В каждой цепи фототранзистора используется разряд конденсатора, который позволяет цифровой линии ввода-вывода микроконтроллера считывать аналоговый отражённый инфракрасный сигнал путем измерения времени разряда конденсатора. Более короткое время разряда конденсатора является показателем большего отражения.

· Резистор ограничивает ток, проходящий через светодиод, до 17 мА при напряжении питания в 5 В, делая полное потребление платы чуть больше 50 мА. Принципиальная схема модуля представлена.

Спецификация:

• · Рабочее напряжение: 5 В
• · Потребляемый ток: 50 мА
• · Тип выходного сигнала: цифровой
• · Диапазон выходного напряжения: от 0 до подаваемого напряжения
• · Оптимальное расстояние обнаружения: 3 мм
• · Максимальное расстояние обнаружения: 6 мм
• · Размер (без штыревых разъёмов): 31,8×7,6×2,6 мм
• · Вес (без штыревых разъёмов): 0,6 гр

Использование:

• · У датчика Pololu QTR-3RC выходной сигнал измеряется цифровой линией ввода/вывода. Это обеспечивается за счёт измерения времени разряда конденсатора через фототранзистор. У такого измерения есть несколько преимуществ:
• · Нет необходимости в аналого-цифровом преобразователе (АЦП).
• · Улучшенная чувствительность, обусловленная делителем напряжения на аналоговом выходе.
• · Параллельное чтение данных нескольких датчиков доступно на большинстве микроконтроллеров.
• · Последовательность шагов считывания данных с датчика:
  • 1. Установите вывод микроконтроллера как выходной с высоким логическим уровнем.
  • 2. Подождите несколько микросекунд, чтобы дать конденсатору 2,2 нФ время для достижения 5 В.
  • 3. Установите вывод как входной (высокое сопротивление).
  • 4. Измерьте время разрядки конденсатора, оно будет равно времени ожидания установки низкого уровня на выводе.
• · Эти этапы обычно могут выполняться параллельно на нескольких линиях ввода/вывода.
• · На поверхности с сильной отражательной способностью, время разряда может быть всего лишь несколько десятков микросекунд, со слабой отражательной способностью — до нескольких миллисекунд. Точное время зависит характеристик вашего микроконтроллера. Стандартное время считывания равно 1 мс (т.е. не измеряются слабые различия между поверхностями с плохой отражательной способностью), что позволяет работать на частоте до 1 кГц всех 3 датчиков.
• · Датчик линии Pololu QTR-3RC является цифровым, также доступен датчик линии Pololu Pololu QTR-3A с аналоговым выходом.
• · Аналогично данному датчику может быть использован массив из нескольких одинарных датчиков отражения датчик отражения Pololu QTR-1RC или датчик отражения Pololu QTR-L-1RC. Есть так же модуль состоящий из массива восьми датчиков отражения: датчик линии Pololu QTR-8RC.
• · Библиотека Pololu AVR предоставляет функции, которые делают датчик простым в использовании с контроллерами роботов Pololu Orangutan; для более подробной информации смотрите раздел библиотеки команд датчики отражения QTR. Также есть библиотека Arduino для работы с этими датчиками.

Несколько соединительных проводов и болтов, и гаек для крепления датчиков и Arduino Uno;

Кабель питания от батарейки Крона и сама батарейка.