Двухсенсорный робот, следующий по линии

Вы соберёте робота, который следует по чёрной изоленте на белом поле. Два модуля TCRT5000 смотрят вниз: по отражённому инфракрасному свету они различают чёрную линию и белый фон. Arduino сравнивает их сигналы и меняет скорость левого и правого моторов.

Фотографии реальной сборки: Circuit Digest — Arduino Line Follower Robot. В этой инструкции применён L298N и приведена согласованная с кодом распиновка.

Какой результат ожидается

Робот рассчитан на:

• матовое белое поле;
• чёрную матовую ленту шириной 20–25 мм;
• плавные повороты радиусом от 20 см;
• скорость для первого запуска около 55–65 %;
• два датчика, установленные поперёк линии.

Это не скоростная соревновательная модель. Два цифровых датчика дают только четыре сочетания сигналов, но такую конструкцию легко собрать и отладить самостоятельно.

Детали

Деталь	Количество	Точная конфигурация
Arduino Uno R3	1	ATmega328P
L298N	1	модуль двухканального драйвера
Модуль TCRT5000	2	с выводами VCC, GND, DO и подстроечником
2WD-шасси	1	два TT-мотора 3–6 В, колёса и шаровая опора
NiMH AA 1,2 В	6	одинаковые заряженные аккумуляторы
Держатель 6×AA с выключателем	1	около 7,2 В
LM2596	1	настроить на 5,0 В
Макетная плата, провода, стойки, стяжки	1 набор	для монтажа
Чёрная матовая изолента	3–5 м	ширина 20–25 мм
Белый пенокартон или ватман	несколько листов	испытательная трасса

Нужны отвёртка, мультиметр, линейка и небольшой кусок белого и чёрного материала для настройки датчиков.

Питание

Снимите с L298N перемычки ENA, ENB и 5V-EN. Аккумуляторы питают моторную часть напрямую, а LM2596 создаёт 5 В для логики.

6×AA NiMH -> выключатель -> L298N +12V
                         -> LM2596 IN

LM2596 5,0 В -> Arduino 5V
              -> L298N 5V
              -> VCC обоих TCRT5000

Все земли соединены вместе.

Перед подключением плат настройте LM2596 мультиметром ровно на 5,0 В. Не используйте батарейку PP3 9 В и не питайте моторы от Arduino.

Сборка

1. Соберите шасси и закрепите батарейный отсек снизу.
2. Установите платы сверху, провода уберите от колёс.
3. Закрепите датчики спереди снизу симметрично относительно продольной оси.
4. Начальная высота чувствительной поверхности над полем — 6–8 мм.
5. Расстояние между центрами датчиков — 12–16 мм. На прямом участке чёрная лента шириной 20–25 мм должна находиться сразу под обоими датчиками.
6. Датчики не должны выступать так далеко, чтобы цеплять неровности трассы.
7. Колёса должны свободно вращаться, а шасси — стоять без перекоса.

Схема соединений

Откуда	Куда
Arduino D5	L298N ENA
Arduino D7	L298N IN1
Arduino D8	L298N IN2
Arduino D9	L298N IN3
Arduino D10	L298N IN4
Arduino D6	L298N ENB
L298N OUT1 и OUT2	левый мотор
L298N OUT3 и OUT4	правый мотор
левый TCRT5000 DO	Arduino A0
правый TCRT5000 DO	Arduino A1
оба TCRT5000 VCC	стабилизированные 5 В
оба TCRT5000 GND	общая земля

Аналоговые выводы A0 и A1 здесь используются как обычные цифровые входы. Вывод AO модулей не подключается.

Калибровка датчиков

Сначала не подключайте моторное питание. Загрузите тест:

const byte SENSOR_LEFT = A0;
const byte SENSOR_RIGHT = A1;

void setup() {
  pinMode(SENSOR_LEFT, INPUT);
  pinMode(SENSOR_RIGHT, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.print("L=");
  Serial.print(digitalRead(SENSOR_LEFT));
  Serial.print(" R=");
  Serial.println(digitalRead(SENSOR_RIGHT));
  delay(100);
}

Для каждого датчика:

1. удерживайте его на рабочей высоте над белым полем;
2. медленно вращайте подстроечник до устойчивого переключения индикатора;
3. перенесите датчик на чёрную ленту — сигнал должен измениться;
4. десять раз переместите его между белым и чёрным и убедитесь, что результат повторяется;
5. настройте второй модуль тем же способом.

У большинства модулей цифровой сигнал над чёрной линией равен LOW. Если у ваших модулей наоборот, в основной программе замените LINE_LEVEL на HIGH.

Программа

Когда оба датчика видят линию, робот едет прямо. Если линию видит только левый датчик, робот корректирует путь влево; если правый — вправо. Если оба потеряли линию, робот медленно поворачивается в сторону последней коррекции.

const byte SENSOR_LEFT = A0;
const byte SENSOR_RIGHT = A1;
const byte LINE_LEVEL = LOW;

const byte EN_LEFT = 5;
const byte EN_RIGHT = 6;
const byte IN1 = 7;
const byte IN2 = 8;
const byte IN3 = 9;
const byte IN4 = 10;

const int BASE_SPEED = 155;
const int SLOW_SPEED = 65;
const int SEARCH_SPEED = 105;
int lastTurn = 1;

void setMotor(byte pin1, byte pin2, byte enablePin, int power) {
  power = constrain(power, -255, 255);
  digitalWrite(pin1, power > 0 ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(pin2, power < 0 ? HIGH : LOW);
  analogWrite(enablePin, abs(power));
}

void drive(int leftPower, int rightPower) {
  setMotor(IN1, IN2, EN_LEFT, leftPower);
  setMotor(IN3, IN4, EN_RIGHT, rightPower);
}

bool seesLine(byte pin) {
  return digitalRead(pin) == LINE_LEVEL;
}

void setup() {
  pinMode(SENSOR_LEFT, INPUT);
  pinMode(SENSOR_RIGHT, INPUT);
  pinMode(EN_LEFT, OUTPUT);
  pinMode(EN_RIGHT, OUTPUT);
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
  pinMode(IN3, OUTPUT);
  pinMode(IN4, OUTPUT);
  drive(0, 0);
  delay(1000);
}

void loop() {
  bool left = seesLine(SENSOR_LEFT);
  bool right = seesLine(SENSOR_RIGHT);

  if (left && right) {
    drive(BASE_SPEED, BASE_SPEED);
  } else if (left && !right) {
    drive(SLOW_SPEED, BASE_SPEED);
    lastTurn = -1;
  } else if (!left && right) {
    drive(BASE_SPEED, SLOW_SPEED);
    lastTurn = 1;
  } else if (lastTurn < 0) {
    drive(-SEARCH_SPEED, SEARCH_SPEED);
  } else {
    drive(SEARCH_SPEED, -SEARCH_SPEED);
  }

  delay(5);
}

Первый запуск

1. Поставьте робота на коробку и включите питание.
2. Поднесите под оба датчика чёрную полоску. Оба колеса должны крутиться вперёд.
3. Оставьте чёрное только под левым датчиком: левое колесо должно замедлиться.
4. Оставьте чёрное только под правым: должно замедлиться правое колесо.
5. Если «вперёд» для одного колеса оказался движением назад, выключите питание и поменяйте провода этого мотора.
6. Сделайте прямую трассу длиной около 1 м и запустите робота с BASE_SPEED, равной 120.
7. Увеличивайте BASE_SPEED по 10. После каждого изменения проверяйте прямую и один плавный поворот.

Настройка трассы

• Лента должна быть матовой: глянцевая поверхность создаёт блики.
• Стыки ленты наклеивайте без щелей и ступенек.
• Первый поворот сделайте радиусом не меньше 30 см.
• Освещение должно быть постоянным; прямой солнечный свет может мешать инфракрасным датчикам.
• Если робот часто теряет линию, сначала уменьшите скорость, затем проверьте высоту и расстояние между датчиками.

Диагностика

Симптом	Что исправить
Сигнал не меняется над белым и чёрным	высоту датчика, питание, подстроечник, подключение DO
Робот поворачивает от линии	поменяйте местами SENSOR_LEFT и SENSOR_RIGHT либо датчики физически
На прямой робот раскачивается	уменьшите BASE_SPEED или увеличьте SLOW_SPEED
На повороте робот вылетает	уменьшите скорость, сделайте поворот плавнее, сдвиньте датчики немного вперёд
После потери линии крутится не туда	поменяйте знаки lastTurn в двух ветвях
Arduino перезапускается	проверьте 5 В LM2596, заряд и силовые контакты

Практика

1. Для высот 4, 7 и 12 мм проверьте по десять распознаваний белого и чёрного.
2. Найдите максимальную BASE_SPEED для трассы с прямой, левым и правым поворотом.
3. Сравните матовую изоленту и глянцевую ленту при комнатном и солнечном освещении.

Проверьте себя

• Почему TCRT5000 различает чёрную и белую поверхность?
• Что означают четыре сочетания двух цифровых сигналов?
• Почему датчики калибруют на той же высоте, на которой они будут работать?
• Что сначала менять при сходе с линии: скорость, программу или механику?
• Для чего программа хранит lastTurn?

Словарь статьи

• TCRT5000 — отражательный инфракрасный датчик со светодиодом и фототранзистором.
• DO — цифровой выход модуля.
• Калибровка — настройка порога различения линии и фона.
• Дифференциальный привод — поворот за счёт разных скоростей левого и правого колёс.
• Коррекция — краткое изменение скоростей, возвращающее робота к линии.

Связанные темы

• Датчики линии
• Калибровка датчиков
• PWM-управление

Источники

• Circuit Digest: Arduino UNO Line Follower Robot — опубликованная сборка, фотографии и вариант схемы с двумя ИК-датчиками.
• Vishay: TCRT5000 datasheet — техническое описание отражательного датчика.
• STMicroelectronics: L298 — техническое описание драйвера моторов.