Калибровка датчиков

Калибровка нужна, когда сырое число датчика ещё не отвечает на вопрос робота. Код 700 с датчика линии, почвы или света сам по себе ничего не значит, пока мы не сравнили его с известными условиями.

Коротко

Калибровка связывает сырые значения с понятной шкалой проекта: темно/светло, сухо/влажно, близко/далеко, линия/пол. Она не убирает шум, но помогает выбрать рабочие пороги и понять, где результат уже недостоверен.

Зачем это нужно

Одинаковые LDR-модули могут давать разные коды под одной лампой. Датчик влажности почвы зависит от земли и соли. Массив QTR на белом пластике и на серой фанере видит разные диапазоны. Поэтому значения из чужого проекта нельзя просто перенести в свой робот.

Примеры датчиков

Датчик	Что калибруем	Типичные эталоны	Главный риск
LDR-модуль	код света	тень, рабочая лампа, окно	другой источник света меняет результат
QTR-8A	отражение линии	белое поле, чёрная линия, край	высота и поверхность меняют шкалу
Ёмкостный датчик почвы	влажность грунта	сухой грунт, влажный грунт	нет универсальных процентов
HC-SR04	расстояние	линейка на нескольких точках	угол и материал объекта дают выбросы

Главный вопрос: какие реальные условия считаются минимумом и максимумом именно для этого робота? Без ответа map() только красиво растягивает случайные числа.

Главная идея

Калибровка отделяет три задачи:

Задача	Вопрос	Пример
Проверка диапазона	какие сырые значения возможны?	raw меняется от 180 до 840
Привязка шкалы	что считать 0% и 100%?	сухая и влажная почва
Проверка решения	работает ли правило на новых данных?	робот едет по другому участку трассы

Фильтр уменьшает разброс, но не исправляет неверный масштаб. Если сухая почва и влажная почва дают почти одинаковый код, сначала ищут физическую причину: питание, контакт, глубину, тип грунта или неисправный датчик.

Пошаговая процедура

1. Определить, какое решение принимает робот: включить насос, повернуть по линии, остановиться перед стеной.
2. Выбрать эталоны: сухо/влажно, белое/чёрное, 10 см/50 см.
3. Записать сырые значения без фильтра.
4. Повторить измерения несколько раз и посмотреть разброс.
5. Выбрать рабочий диапазон и пороги с запасом.
6. Проверить результат на данных, которые не использовались при подборе.
7. Сохранить параметры вместе с условиями опыта.

Калибровка значений на Arduino

Сначала полезно вывести сырые значения в Serial Monitor. Так видно, меняется ли датчик в ожидаемую сторону и какой реальный диапазон получается на вашей схеме.

const int SENSOR_PIN = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(SENSOR_PIN);

  Serial.print("raw=");
  Serial.println(raw);

  delay(200);
}

После опыта выбирают границы. Допустим, на вашей трассе датчик линии даёт около 180 над чёрной линией и около 840 над белым полем. Эти числа лучше оформить константами, чтобы было понятно, откуда взялась шкала.

const int SENSOR_PIN = A0;

const int RAW_MIN = 180;
const int RAW_MAX = 840;
const int OUTPUT_MIN = 0;
const int OUTPUT_MAX = 100;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(SENSOR_PIN);
  int clipped = constrain(raw, RAW_MIN, RAW_MAX);
  int percent = map(clipped, RAW_MIN, RAW_MAX, OUTPUT_MIN, OUTPUT_MAX);

  Serial.print("raw=");
  Serial.print(raw);
  Serial.print(" clipped=");
  Serial.print(clipped);
  Serial.print(" percent=");
  Serial.println(percent);

  delay(200);
}

constrain() обрезает выбросы за пределами выбранного диапазона. map() переводит ограниченное значение в рабочую шкалу 0...100. Для датчика, у которого большее сырое значение означает меньше физической величины, границы выхода можно поменять местами: OUTPUT_MAX, OUTPUT_MIN.

Важно: RAW_MIN и RAW_MAX нельзя оставлять «примерными навсегда». Их подбирают на своём датчике, своём питании и своей механике.

Калибровка, настройка и фильтрация

Действие	Меняет	Пример
Настройка	поведение модуля	потенциометр порога на TCRT5000
Калибровка	связь сырых чисел с задачей	сухая и влажная почва
Фильтрация	разброс последовательных отсчётов	среднее из нескольких измерений

Сначала проверяют физику и диапазон, потом калибруют шкалу, и только после этого выбирают фильтр. Иначе можно сгладить ошибку так, что она станет красивой, но всё равно неправильной.

Что запомнить про калибровку

• Сырое значение датчика не равно физической величине.
• Границы нужно измерять на своём экземпляре и в своих условиях.
• constrain() защищает рабочую шкалу от выбросов за выбранный диапазон.
• map() удобен для простой линейной шкалы, но не делает датчик точным.
• Фильтрация не заменяет калибровку.

Практика

1. Выведите сырые значения любого аналогового датчика в Serial Monitor.
2. Найдите минимальное и максимальное рабочее значение для своей задачи.
3. Добавьте constrain() и map(), затем проверьте результат на промежуточных условиях.
4. Запишите в тетрадь модель датчика, питание, дату и условия калибровки.

Проверьте себя

1. Почему нельзя взять порог датчика линии из чужого проекта?
2. Чем настройка потенциометра отличается от калибровки в программе?
3. Зачем печатать одновременно raw, clipped и percent?
4. Что произойдёт, если RAW_MIN и RAW_MAX поменять местами?

Ориентиры для самопроверки

Сначала ответьте без подсказки. Ответ можно считать полным, если вы:

• формулируете основную мысль своими словами;
• называете важные условия, ограничения или меры безопасности;
• для схемы, кода или расчёта показываете ход решения и ожидаемый результат.

Если один из пунктов объяснить не получается, найдите соответствующую главу статьи, перечитайте её и повторите ответ.

Словарь статьи

• Сырое значение — число, полученное напрямую от датчика или АЦП.
• Эталон — известное состояние, с которым сравнивают датчик.
• Калибровка — подбор связи между сырым значением и рабочей шкалой.
• Выброс — отдельное значение, резко отличающееся от ожидаемого.
• Порог — граница принятия решения.

Связанные темы

• АЦП — откуда берётся сырое значение аналогового входа.
• Датчики линии — как калибровка влияет на движение по трассе.
• Фильтрация данных с датчиков — что делать с шумом после калибровки.

Источники

• Arduino Documentation. analogRead().
• Arduino Documentation. constrain().
• Arduino Documentation. map().