Описание алгоритма для датчика линии

Следующей целью была разработка программного обеспечения для движения по линии, используя датчики линии. В данном проекте в качестве датчиков линии были использованы датчики света.

Были разработаны и реализованы алгоритмы движения по линии, используя датчики освещенности для определения положения черной или белой линии на контрастной поверхности относительно расположения сенсоров, установленных на корпусе роботизированной системы.

Датчик линии — аналоговый датчик, позволяющий отслеживать движение робота по линии. Основным рабочим органом датчика является инфракрасный фотоэлемент. В паре с ним работает светодиод, который включается и подсвечивает поверхность.

Первый вариант алгоритма использует для обнаружения линии два датчика света. Алгоритм действий при работе с датчиками линии заключается в считывании информации с двух датчиков, расположенных на нижней стороне корпуса системы. Было использовано два датчика для ускорения определения направления изменения линии, поскольку в отличии от использования в качестве датчика линии камеры, при выходе за пределы зоны обнаружения линии датчики просто перестают подавать сигнал линии, тогда как камера детектирует отклонение от центра изображения, и есть возможность изменять траекторию движения роботизированной системы по ходу движения. В алгоритме движения при отклонении линии от прямой в достаточной степени, отклонение детектируется одним из датчиков.

Суть этого алгоритма заключается в том, что в начале выполнения роботизированная система начинает движение с определенной скоростью в прямом направлении с целью обнаружения линии. В случае, если линия была обнаружена, роботизированная система начинает поворачивать в сторону датчика, зафиксировавшего линию, изменять в большую сторону скорость поворота и уменьшать значение прямолинейной составляющей скорости для уменьшения вероятности потери линии. После обнаружения линии и выполнения определенных действий снова происходит опрос датчиков, и в случае, если линия все еще находится в поле видимости, то скорость поворота возрастает, а скорость движения вперед — уменьшается. Если линия снова обнаружена, то алгоритм выполняется заново, если нет, то продолжается движение вперед. Далее существует два варианта при потере линии из зоны обнаружения датчиков. Первый вариант — после поворота линия оказалась между датчиками. В этом случае роботизированная система продолжит ехать по линии, уменьшая прямолинейную скорость и увеличивая скорость поворота на поворотах, и наоборот, увеличивая прямолинейную скорость и уменьшая скорость поворота на прямых участках линии до тех пор, пока не закончится линия или на пути движения не встретится участок линии со слишком резким поворотом. Второй вариант — после поворота линия оказалась за пределами области обнаружения датчиков и не между ними. В таком случае робот со временем перестает поворачивать и поедет вперед, до тех пор пока не встретит линию снова.

Второй вариант использует только один датчик света в режиме датчика линии с использованием релейного регулятора. Движение на релейном регуляторе отличается большей резкостью в смене направлений в сравнении с пропорциональным и пропорционально-дифференциальным регулятором. Однако, он проще в реализации и в исполнении команд контроллером, а также в связи с некоторыми особенностями работы с датчиками линии его невозможно использовать в заданных условиях.

В ходе работы этого алгоритма происходит поиск линии путем движения вперед. Далее, при обнаружении линии, роботизированная система начинает поворачивать до тех пор, пока не потеряет линию из зоны детектирования. Затем начинает плавно изменять направление поворота пока заново не обнаружит и не пересечет линию и снова начнет изменять направление поворота. В случае, если линия имеет разрывы и зона обнаружения линии пройдет между концом одной линии и началом следующей, то есть попадет в разрыв, то робот повернет на 180° и поедет по линии в обратном направлении.

Основным недостатком такого алгоритма является необходимость постоянного виляния из стороны в сторону. Кроме того, данный алгоритм крайне восприимчив к разрывам в линии, по которой происходит движении.

Первый вариант является более предпочтительным, так как происходит более плавное движение и короткие прерывания линии, по которой едет роботизированная система, не влияют на работу алгоритма. Второй вариант алгоритма используется в качестве неосновного. Использование второго алгоритма возможно при недостатке бюджета или отсутствии возможности приобретения нового датчика света.

Оба алгоритма движения по линии запускаются с удаленного Android-устройства и их выполнение может быть прервано пользователем при нажатии на джойстик или кнопкой завершения работы программы. При использовании этих алгоритмов датчик касания и инфракрасный датчик продолжают работать, что предотвращает возможность столкновения роботизированной системы с препятствиями и может привести к выходу ее отдельных модулей или системы в целом в неисправное состояние.

Данные алгоритмы могут использоваться в сочетании друг с другом для увеличения надежности системы. При выходе из строя или потере соединения с одним из датчиков предусмотрена возможность использования другого алгоритма для одного датчика линии.

Все расчеты и действия, связанные с датчиками линии, выполняются в отдельном потоке, который создается в начале выполнения программы. Однако, при включении движения по линии отключаются некоторые другие функции, такие как дистанционное управление со смартфона или использование других алгоритмов движения по линии, но сохраняется функционал датчика касания и инфракрасного датчика расстояния.

Программа является расширяемой, благодаря ее модульной структуре и использованию объектно-ориентированного языка программирования JavaScript.