Robot sigue líneas con Arduino

De Jose Castillo Aliaga
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Este artículo trata sobre la construcción y programación de un robot que sigue líneas con Arduino y un sensor de infrarojos.

Construcción del Robot

Materiales

El chasis que verás en las fotos es específico, creado a medida por la empresa What's Next? para el proyecto [Robots Boost Skills]. El resto de componentes son genéricos y se pueden comprar Arduinos oficiales, What's Next Yellow o cualquier clon compatible.

Esta es la lista de materiales:

  • Chasis que permita 2 ruedas con motor DC analógicos y una rueda delantera.
  • 2 Motores DC analógicos con reducción y ruedas.
  • Arduino Uno o equivalente.
  • 1 Sensor Pololu QTR-8A o QTR-8RC
  • Arduino Motor Shield o alguno que tenga el mismo Chip L298
  • Baterías, entre 9V y 12V

Fotos

Construcción del Chasis

En el caso del robot del ejemplo, el chasis tiene todos los elementos necesarios. Si lo tienes que construir, aquí tienes algunos consejos:

  • Se recomienda cuidar el centro de gravedad de robot para que no plante rueda y tenga la adherencia necesaria. Por ejemplo, las baterías deberían estar entre las ruedas motrices y la rueda delantera.
  • La distancia al suelo del sensor infrarojo es muy importante, ha de estar muy cerca, pero no rozar.
  • Hay que dejar espacio para los cables y para poder modificar las conexiones sin necesidad de desmontar todo el robot.

El sensor

En nuestro caso, el sensor QTR-8[A-RC] es un conjunto de 8 emisores y sensores infrarrojos en un mismo circuito. Esto permite una gran precisión ,ya que tienes 8 lecturas cada vez. Estos sensores tienen una distancia recomendada de 3mm y un máximo de 6mm para el QTR-A y 9.5mm para el QTR-8RC.

La salida de los dos sensores es diferente, (analógica o digital), por lo que es importante distinguirlos y decidir cual vamos a usar. En nuestro caso, tenemos el QRT-8RC, por lo que, a partir de aquí, todo el manual se basa en este.

Esquemapololu.png

Puesto que vamos a usar 5V para alimentarlo, no es necesario unir los pines de 3.3V Bypass

Podemos conectar el pin LEDON que permite indicar con HIGH, LOW o PWM el estado de los LEDs. Si los apagamos, podemos consumir menos energía cuando no está leyendo.

El QTR8-RC mide la reflectancia con el tiempo entre un estado HIGH y uno LOW.

La lectura típica en el QTR8-RC es la siguiente:

  1. Encender los LEDs (opcional)
  2. Poner la linea I/O a una salida y ponerla en HIGH.
  3. Dejar al menos 10 μs al sensor para que arranque.
  4. Poner la I/O a Input
  5. Medir el tiempo que tarda el voltaje en caer esperando a la I/O a que vuelva a LOW.
  6. Apagar los LEDs (opcional)

Estos pasos se pueden hacer en varias líneas I/O al mismo tiempo. Con mucha reflectividad, el tiempo de bajada a LOW debe ser mínimo. Con poca (superficie negra) el tiempo debe mayor. Se recomienda usar el LEDON para no gastar batería hasta en un 90% del tiempo para lecturas a baja frecuencia, unos (100Hz).

Si se necesitan lecturas a mucha frecuencia, se recomienda que el sensor esté muy cerca del suelo, recomendado 3,5 mm i máximo 9 mm.

Cuanto más lejos peor lecturas y cuanta más luz ambiental peor. Si es necesario, bloquearemos la luz ambiental con cinta aislante o similar.

Si necesitamos saber si funcionan los LEDs, podemos usar la cámara del móvil, que capta la luz infraroja.

De esta manera, el esquema de conexiones del robot queda de la siguiente manera:

Sensors qtr-8rc.png

Programación del robot

Leyendo del sensor

Para que funcione, necesitamos la biblioteca correspondiente. En los últimos Arduino IDE es tan simple como ir al gestor de Bibliotecas y importar la QTRSensors.

La biblioteca funciona tanto para el QTR-8RC como el QTR-8A, pero el constructor es el que cambia: 

// Crear un objeto para 4 sensores en los pines digitales 0,9 
// y en los analógicos 1 y 3 (haciendo de digital)
QTRSensorsRC​ qtrrc​((​unsigned​​char​[])​​{​0​,​​9​,​​15​,​​17​},​​4​);

Este es el ejemplo que siguen en la web oficial, pero nosotros podemos usar los pines que necesitemos. Como quedan libres los pines digitales 2,4,5,6,7 y 10, podemos hacer un constructor para 4 sensores como el siguiente: 

QTRSensorsRC​ qtrrc​((​unsigned​​char​[])​​{​2​,​​4​,​​5​,​​6​},​​4​);

O si lo quisieramos para los 8 sensores: 

QTRSensorsRC​ qtrrc​((​unsigned​​char​[])​​{​2​,​​4​,​​5​,​​6​,7,10,15,17},​​8​);
Para aprender a usarlo, se recomienda ir a los ejemplos de Arduino IDE específicos de los sensores QTR.

Calibrar los sensores es lo primero que debería hacer el robot. Así, en la rutina de inicialización (setup), se recomienda lanzar este código: 

#include <QTRSensors.h>
QTRSensors qtr;
void setup()
{
  // Optional: wait for some input from the user, such as a button press.
  // Initialize the sensors.
  // In this example we have three sensors on pins A0 - A2.
  qtr.setTypeRC(); // or setTypeAnalog()
  qtr.setSensorPins((const uint8_t[]){A0, A1, A2}, 3);
  // Optional: change parameters like RC timeout, set an emitter control pin...
  // Then start the calibration phase and move the sensors over both reflectance
  // extremes they will encounter in your application. This calibration should
  // take about 5 seconds (250 iterations * 20 ms per iteration).
  //
  // Passing a QTRReadMode to calibrate() is optional; it should match the mode
  // you plan to use when reading the sensors.
  for (uint8_t i = 0; i < 250; i++)
  {
    qtr.calibrate();
    delay(20);
  }
  // Optional: signal that the calibration phase is now over and wait for
  // further input from the user, such as a button press.
}


Para leer del sensor, se recomienda usar la función readCalibrated() o read(). Con readCalibrated(), los valores obtenidos serán entre 0 (blanco) y 1000 (negro).

Para la detección de líneas, se usar la función readLine() a la que se puede decir si la línea es blanca o negra. El resultado de esta función es 0 si la línea está dentro o fuera de sensor 0 y 1000*(N-1) para cada sensor. Los valores para 8 sensores pueden ser, por tanto, 0, 1000, 2000 ... 8000 dependiendo de la posición de la línea. Código para analizar los valores que obtiene el sensor con los 8 sensores: 

#include <QTRSensors.h>
#define NUM_SENSORS   8     // numero de sensores usados
#define TIMEOUT       2500  // esperar 2.5 ms para tener una respuesta del sensado
#define EMITTER_PIN   6     // este pin controla el led on del los sensores (enciende y apaga)
  
//aqui se pone el numero de los pines conectados a los sensores 
// Estos son: A5 A4 A3 A2 A1 A0 11 12 
// Se han conectado en el sensor del 8 al 1
QTRSensorsRC qtrrc((unsigned char[]) {19, 18, 17, 16, 15, 14, 11, 12},
  NUM_SENSORS, TIMEOUT, EMITTER_PIN); 
unsigned int sensorValues[NUM_SENSORS];
  
void setup()
{
  delay(500);
  pinMode(13, OUTPUT);        
  digitalWrite(13, HIGH);    //este led encendido indica que comienza la calibracion
  for (int i = 0; i < 200; i++)  // la calibracion se lleva a cabo por 5 segundos 
  {
    qtrrc.calibrate();       // funcion para calibrar los sensores
  }
  digitalWrite(13, LOW);     // se paga el led para que indique que termino la calibracion
  
  // imprime la calibracion minima de los sensores
  Serial.begin(9600);
  for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)
  {
    Serial.print(qtrrc.calibratedMinimumOn[i]);
    Serial.print(' ');
  }
  Serial.println();
    
  // imprime la calibracion maxima de los sensores
  for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)
  {
    Serial.print(qtrrc.calibratedMaximumOn[i]);
    Serial.print(' ');
  }
  Serial.println();
  Serial.println();
  delay(1000);
}
  
void loop()
{
  // read calibrated sensor values and obtain a measure of the line position from 0 to 5000
  // To get raw sensor values, call:
  //  qtrrc.read(sensorValues); instead of unsigned int position = qtrrc.readLine(sensorValues);
  unsigned int position = qtrrc.readLine(sensorValues);
  
  // print the sensor values as numbers from 0 to 1000, where 0 means maximum reflectance and
  // 1000 means minimum reflectance, followed by the line position
  for (unsigned char i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)
  {
    Serial.print(sensorValues[i]);
    Serial.print('\t');
  }
  //Serial.println(); // uncomment this line if you are using raw values
  Serial.println(position); // comment this line out if you are using raw values
    
  delay(50);
}

Ejemplo del manual oficial del sensor para un sigue líneas simple con 3 sensores: 

void loop()
{
  unsigned int sensors[3];
  // get calibrated sensor values returned in the sensors array, 
  // along with the line position.
  // position will range from 0 to 2000, 
  // with 1000 corresponding to the line over the middle sensor.
  int position = qtr.readLine(sensors);
  // if all three sensors see very low reflectance, 
  // take some appropriate action for this situation.
  if (sensors[0] > 750 && sensors[1] > 750 && sensors[2] > 750)
  {
    // do something.  
    // Maybe this means we're at the edge of a course or about to fall off
    // a table, in which case, we might want to stop moving, back up, and turn around.
    return;
  }
 
  // compute our "error" from the line position.  
  // We will make it so that the error is zero
  // when the middle sensor is over the line, 
  // because this is our goal.  Error will range from
  // -1000 to +1000.  
  // If we have sensor 0 on the left and sensor 2 on the right,  a reading of
  // -1000 means that we see the line on the left 
  // and a reading of +1000 means we see the
  // line on the right.
  int error = position - 1000;
 
  int leftMotorSpeed = 100;
  int rightMotorSpeed = 100;
  if (error < -500)  // the line is on the left
    leftMotorSpeed = 0;  // turn left
  if (error > 500)  // the line is on the right
    rightMotorSpeed = 0;  // turn right
  // set motor speeds using the two motor speed variables above
}
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