🤚 Сборка робота с датчиком нажатия

1. Классификация датчиков:

• Какие группы датчиков по типу измеряемых величин вы знаете?
• Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики?
• Что такое калибровка датчика?

2. Принципы работы:

• Как физические явления превращаются в электрические сигналы?
• Что такое АЦП и зачем он нужен?
• Как компьютер понимает показания датчиков?

3. Применение в роботах:

• Где мы встречаем датчики в повседневной жизни?
• Как датчики помогают роботам ориентироваться?
• Какие датчики нужны для безопасности робота?

🤖 Ситуация: Робот едет по комнате и врезается в стену.

❓ Проблемные вопросы:

• Как робот может “почувствовать” препятствие?
• Что должен делать робот после столкновения?
• Можно ли предотвратить повреждения?
• Как сделать робота более “умным”?

🧠 Варианты решений:

• Датчик расстояния (видит препятствие заранее)
• Датчик нажатия (чувствует столкновение)
• Камера (распознает объекты)
• Комбинация датчиков

🎯 Сегодня изучаем: Датчик нажатия как самый простой и надежный способ обнаружения контакта с препятствием.

👨 Как работает осязание у человека:

🔬 Физиология:

• Кожа содержит тактильные рецепторы
• При касании рецепторы деформируются
• Возникает нервный импульс
• Мозг получает сигнал о касании

🤖 Как работает датчик нажатия:

⚡ Технология:

• Механическая кнопка или пружина
• При нажатии контакты замыкаются
• Возникает электрический сигнал
• Контроллер получает информацию

🔄 Сравнение:

• Человек: деформация → нервный импульс → реакция
• Робот: нажатие → электрический сигнал → программная реакция

🔧 Основные компоненты:

1. Механическая часть:

• 🔘 Кнопка или пружинный контакт
• 🏠 Корпус для защиты механизма
• 🔄 Возвратная пружина
• 📏 Штырь или площадка нажатия

2. Электрическая часть:

• ⚡ Электрические контакты
• 🔌 Провода для подключения
• 🔧 Клеммы для соединения

3. Принцип работы:

• Не нажат → контакты разомкнуты → ток не проходит → “0”
• Нажат → контакты замкнуты → ток проходит → “1”

🔬 Механическое воздействие:

Сила нажатия → Деформация пружины → Замыкание контактов → Электрический сигнал

⚡ Электрическая цепь:

Схема подключения:

1Контроллер → Резистор → Датчик → Земля
2                ↓
3            Вход АЦП

📊 Логические состояния:

• Высокий уровень (5В) = датчик НЕ нажат = логическая “1”
• Низкий уровень (0В) = датчик нажат = логический “0”

🧮 Математическое представление:

1ЕСЛИ напряжение > 2.5В ТО
2  состояние = "НЕ_НАЖАТ" (TRUE)
3ИНАЧЕ
4  состояние = "НАЖАТ" (FALSE)
5КОНЕЦ ЕСЛИ

🔘 Кнопочные датчики:

• Простые тактовые кнопки
• Микропереключатели
• Герконы (магнитные)

🌊 Преимущества:

• ✅ Простота подключения
• ✅ Надежность срабатывания
• ✅ Низкая стоимость
• ✅ Мгновенная реакция

⚠️ Недостатки:

• ❌ Срабатывает только при касании
• ❌ Может “дребезжать” (ложные сигналы)
• ❌ Ограниченный ресурс (износ)
• ❌ Чувствительность к вибрациям

⚡ Электрические параметры:

• Рабочее напряжение: 3.3-5В
• Ток потребления: < 1 мА
• Время срабатывания: < 1 мс
• Сопротивление замкнутых контактов: < 1 Ом

🔧 Механические параметры:

• Сила срабатывания: 0.1-2 Н
• Ход кнопки: 0.5-3 мм
• Ресурс: 10,000-1,000,000 нажатий
• Рабочая температура: -20°C до +85°C

📐 Конструктивные особенности:

• Размеры: от 3×3 мм до 20×20 мм
• Тип корпуса: DIP, SMD, на проводах
• Защита: IP54-IP67 (влагозащита)
• Монтаж: в отверстие, на поверхность

🧰 Необходимые детали:

• Шасси робота с моторами (из предыдущих работ)
• Датчик нажатия (тактовая кнопка)
• Соединительные провода
• Контроллер Arduino/LEGO
• Батарейный блок
• Монтажные элементы

🔧 Инструменты:

• Отвертки
• Плоскогубцы
• Мультиметр (для проверки)
• Изоляционная лента

⚠️ Техника безопасности:

• Отключать питание при монтаже
• Проверять полярность подключения
• Избегать коротких замыканий
• Надежно фиксировать все соединения

Шаг 1: Подготовка базового робота

• Использовать собранного ранее робота с моторами
• Проверить работоспособность движения
• Убедиться в надежности конструкции

Шаг 2: Выбор места для датчика

• Передний бампер - для обнаружения препятствий впереди
• Боковые стороны - для обнаружения боковых касаний
• Задняя часть - для движения назад

Рекомендация: Устанавливаем датчик спереди как “бампер”

Шаг 3: Механическое крепление

• Закрепить датчик на передней части робота
• Обеспечить выступание кнопки на 2-3 мм
• Проверить, что датчик срабатывает при легком касании
• Убедиться в отсутствии самопроизвольных нажатий

📊 Схема подключения к Arduino:

1Arduino Uno → Датчик нажатия
2Digital Pin 2 → Один контакт датчика
3GND → Резистор 10кОм → Другой контакт датчика
4+5V → Резистор 10кОм (подтяжка к питанию)

🎯 Альтернативная схема (с внутренней подтяжкой):

1Arduino Uno → Датчик нажатия
2Digital Pin 2 → Один контакт датчика
3GND → Другой контакт датчика
4(используем внутренний pull-up резистор)

🔍 Проверка подключения:

• Мультиметром проверить сопротивление цепи
• При нажатой кнопке: сопротивление ≈ 0 Ом
• При отпущенной кнопке: сопротивление > 10 кОм

💻 Простая программа проверки:

 1Алгоритм "Тест датчика нажатия":
 2
 3НАЧАЛО
 4  Инициализировать пин датчика как вход
 5  Включить внутреннюю подтяжку
 6  Инициализировать последовательный порт
 7  
 8  ПОСТОЯННО:
 9    состояние = Прочитать_пин_датчика()
10    
11    ЕСЛИ состояние = LOW ТО
12      Вывести "Датчик НАЖАТ"
13      Ждать 100 мс
14    ИНАЧЕ
15      Вывести "Датчик НЕ нажат"
16      Ждать 100 мс
17    КОНЕЦ ЕСЛИ
18  КОНЕЦ ПОСТОЯННО
19КОНЕЦ

🔍 Ожидаемые результаты:

• При нажатии: “Датчик НАЖАТ”
• При отпускании: “Датчик НЕ нажат”
• Быстрая реакция на изменения
• Отсутствие ложных срабатываний

🎚️ Механическая настройка:

• Отрегулировать высоту датчика
• Проверить чувствительность к легким касаниям
• Убедиться в отсутствии залипания
• Протестировать на разных материалах

💻 Программная настройка:

• Настроить подавление дребезга контактов
• Добавить задержку после срабатывания
• Протестировать стабильность показаний

🛠️ Алгоритм подавления дребезга:

 1ФУНКЦИЯ Прочитать_датчик_без_дребезга():
 2  текущее_состояние = Прочитать_пин()
 3  
 4  ЕСЛИ текущее_состояние ≠ предыдущее_состояние ТО
 5    время_изменения = Текущее_время()
 6  КОНЕЦ ЕСЛИ
 7  
 8  ЕСЛИ (Текущее_время() - время_изменения) > 50 мс ТО
 9    стабильное_состояние = текущее_состояние
10  КОНЕЦ ЕСЛИ
11  
12  предыдущее_состояние = текущее_состояние
13  ВОЗВРАТ стабильное_состояние
14КОНЕЦ ФУНКЦИИ

🎯 Техническое задание: Робот должен:

• Двигаться вперед, пока не встретит препятствие
• При столкновении остановиться
• Развернуться в сторону
• Продолжить движение

📊 Блок-схема базового алгоритма:

 1     ⭕ НАЧАЛО
 2        ↓
 3   📦 Инициализация
 4        ↓
 5   🔄 ЦИКЛ (бесконечный)
 6        ↓
 7   🔷 Датчик нажат?
 8     ↙       ↘
 9   ДА        НЕТ
10    ↓         ↓
11📦 Реакция   📦 Движение
12на касание   вперед
13    ↓         ↓
14    ↑←←←←←←←←←↑

💻 Псевдокод базового алгоритма:

 1ПРОГРАММА "Робот-избегатель препятствий"
 2
 3ПЕРЕМЕННЫЕ:
 4  пин_датчика = 2
 5  пин_мотор_левый = 9
 6  пин_мотор_правый = 10
 7  скорость = 150
 8
 9НАЧАЛО
10  Инициализировать пины
11  Включить подтяжку для датчика
12  
13  ПОСТОЯННО:
14    состояние_датчика = Прочитать_датчик()
15    
16    ЕСЛИ состояние_датчика = НАЖАТ ТО
17      Выполнить_реакцию_на_препятствие()
18    ИНАЧЕ
19      Двигаться_вперед()
20    КОНЕЦ ЕСЛИ
21    
22    Ждать 50 мс  // Небольшая задержка
23  КОНЕЦ ПОСТОЯННО
24КОНЕЦ
25
26ФУНКЦИЯ Двигаться_вперед():
27  Установить мощность левого мотора = скорость
28  Установить мощность правого мотора = скорость
29КОНЕЦ ФУНКЦИИ
30
31ФУНКЦИЯ Выполнить_реакцию_на_препятствие():
32  // Остановиться
33  Остановить_все_моторы()
34  Ждать 500 мс
35  
36  // Отъехать назад
37  Двигаться_назад()
38  Ждать 1000 мс
39  
40  // Повернуть направо
41  Поворот_направо()
42  Ждать 800 мс
43  
44  // Остановиться
45  Остановить_все_моторы()
46  Ждать 200 мс
47КОНЕЦ ФУНКЦИИ

🤖 Алгоритм “Умный обход”:

 1ФУНКЦИЯ Умная_реакция_на_препятствие():
 2  // Остановиться и оценить ситуацию
 3  Остановить_все_моторы()
 4  Ждать 300 мс
 5  
 6  // Попробовать объехать справа
 7  Поворот_направо()
 8  Ждать 500 мс
 9  
10  Двигаться_вперед()
11  Ждать 800 мс
12  
13  // Если снова препятствие - пробуем слева
14  ЕСЛИ Датчик_нажат() ТО
15    Двигаться_назад()
16    Ждать 1000 мс
17    
18    Поворот_налево()
19    Ждать 1000 мс  // Больший поворот
20    
21    Двигаться_вперед()
22    Ждать 800 мс
23  КОНЕЦ ЕСЛИ
24КОНЕЦ ФУНКЦИИ

📊 Алгоритм со счетчиком столкновений:

 1ПЕРЕМЕННАЯ счетчик_столкновений = 0
 2
 3ФУНКЦИЯ Реакция_с_подсчетом():
 4  счетчик_столкновений = счетчик_столкновений + 1
 5  
 6  Вывести "Столкновение номер: ", счетчик_столкновений
 7  
 8  // Изменяем стратегию в зависимости от количества столкновений
 9  ЕСЛИ счетчик_столкновений ≤ 3 ТО
10    Простой_поворот_направо()
11  ИНАЧЕ ЕСЛИ счетчик_столкновений ≤ 6 ТО
12    Поворот_на_180_градусов()
13  ИНАЧЕ
14    Случайное_движение()
15    счетчик_столкновений = 0  // Сброс счетчика
16  КОНЕЦ ЕСЛИ
17КОНЕЦ ФУНКЦИИ

⏰ Использование времени для принятия решений:

 1ПЕРЕМЕННАЯ время_последнего_столкновения = 0
 2
 3ФУНКЦИЯ Временная_логика():
 4  текущее_время = Получить_время_мс()
 5  
 6  ЕСЛИ Датчик_нажат() ТО
 7    // Если столкновения слишком частые - изменить стратегию
 8    ЕСЛИ (текущее_время - время_последнего_столкновения) < 2000 ТО
 9      Агрессивный_маневр()  // Резкий поворот и быстрое движение
10    ИНАЧЕ
11      Осторожный_маневр()   // Медленный поворот и плавное движение
12    КОНЕЦ ЕСЛИ
13    
14    время_последнего_столкновения = текущее_время
15  КОНЕЦ ЕСЛИ
16КОНЕЦ ФУНКЦИИ

🎲 Случайное поведение для разнообразия:

 1ФУНКЦИЯ Случайная_реакция():
 2  случайное_число = Генерировать_случайное(1, 4)
 3  
 4  ВЫБОР случайное_число:
 5    СЛУЧАЙ 1:
 6      Поворот_налево()
 7      Ждать 500 мс
 8    СЛУЧАЙ 2:
 9      Поворот_направо() 
10      Ждать 500 мс
11    СЛУЧАЙ 3:
12      Поворот_на_180_градусов()
13    СЛУЧАЙ 4:
14      // "Танец" - серия движений
15      Поворот_налево()
16      Ждать 200 мс
17      Поворот_направо()
18      Ждать 200 мс
19      Двигаться_назад()
20      Ждать 500 мс
21  КОНЕЦ ВЫБОРА
22КОНЕЦ ФУНКЦИИ

🛠️ Методика отладки программы:

1. Пошаговое тестирование:

 1// Добавить вывод отладочной информации
 2ФУНКЦИЯ Отладочная_версия():
 3  ЕСЛИ Датчик_нажат() ТО
 4    Вывести "DEBUG: Датчик сработал"
 5    Вывести "DEBUG: Начинаю маневр"
 6    Выполнить_маневр()
 7    Вывести "DEBUG: Маневр завершен"
 8  ИНАЧЕ
 9    Вывести "DEBUG: Движение вперед"
10    Двигаться_вперед()
11  КОНЕЦ ЕСЛИ
12КОНЕЦ ФУНКЦИИ

2. Проверка граничных условий:

• Что происходит при очень коротких касаниях?
• Как робот реагирует на длительное нажатие?
• Правильно ли работает при множественных касаниях?

3. Тестирование в разных условиях:

• На разных поверхностях
• С препятствиями разной формы
• При разном освещении
• При разной скорости движения

🏗️ Конструкция трассы:

Простая трасса для начинающих:

• Прямая дорожка 2 метра
• 3-4 препятствия (коробки, кубики)
• Стартовая и финишная линии
• Боковые ограждения

Сложная трасса для продвинутых:

• Извилистый маршрут с поворотами
• Препятствия разной высоты и формы
• Узкие проходы
• Тупиковые ветки

📏 Параметры препятствий:

• Высота: 5-15 см (выше уровня датчика)
• Ширина: больше ширины робота
• Материал: картон, пластик, дерево
• Форма: прямоугольные, цилиндрические, неправильные

📋 Протокол испытаний:

Тест 1: Базовая функциональность

 1ПРОЦЕДУРА Тест_базовой_функциональности():
 2  1. Поставить робота перед препятствием (30 см)
 3  2. Запустить программу
 4  3. Наблюдать реакцию на приближение к препятствию
 5  4. Записать результат: срабатывает/не срабатывает
 6  
 7  КРИТЕРИИ УСПЕХА:
 8  - Робот останавливается при касании
 9  - Выполняет маневр обхода
10  - Продолжает движение после маневра
11КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

Тест 2: Множественные препятствия

 1ПРОЦЕДУРА Тест_множественных_препятствий():
 2  1. Расставить 5 препятствий на трассе
 3  2. Запустить робота от старта
 4  3. Измерить время прохождения трассы
 5  4. Подсчитать количество успешных обходов
 6  
 7  КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ:
 8  - Время прохождения: < 2 минут
 9  - Успешные обходы: > 80%
10  - Без застреваний в углах
11КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

🧮 Формула итоговой оценки:

1Итоговая_оценка = (Успешные_обходы / Общее_количество) × 5 + 
2                  (60 / Время_в_секундах) × 3 - 
3                  (Застревания × 1)
4
5Максимум: 10 баллов
6Минимум: 0 баллов

🥇 Соревнование 1: “Быстрый обход”

• Задача: Пройти трассу с препятствиями за минимальное время
• Критерии: Время + штрафы за столкновения
• Штрафы: +5 секунд за каждое застревание

🥈 Соревнование 2: “Точный навигатор”

• Задача: Пройти сложную трассу без столкновений
• Критерии: Количество успешных обходов
• Бонусы: +2 балла за элегантность маневров

🥉 Соревнование 3: “Выносливость”

• Задача: Двигаться по полигону 5 минут без застреваний
• Критерии: Пройденное расстояние + разнообразие маршрутов
• Особенности: Препятствия можно перемещать во время движения

📈 Факторы успешности:

⚙️ Механические факторы:

• Правильное расположение датчика
• Надежность конструкции
• Качество сборки колесной базы
• Центр тяжести робота

💻 Программные факторы:

• Логика принятия решений
• Время реакции на препятствие
• Разнообразие стратегий обхода
• Обработка ошибочных ситуаций

🎯 Рекомендации по улучшению:

 1ЕСЛИ много_столкновений ТО
 2  Рекомендация: "Улучшить алгоритм обхода"
 3  
 4ИНАЧЕ ЕСЛИ медленное_прохождение ТО
 5  Рекомендация: "Увеличить скорость движения"
 6  
 7ИНАЧЕ ЕСЛИ частые_застревания ТО
 8  Рекомендация: "Добавить логику выхода из тупиков"
 9  
10ИНАЧЕ
11  Рекомендация: "Отличная работа! Попробуйте сложную трассу"
12КОНЕЦ ЕСЛИ

🏆 Номинации:

• 🥇 “Скоростной ас” - лучшее время прохождения
• 🥈 “Точный навигатор” - минимум столкновений
• 🥉 “Креативный алгоритм” - самое интересное поведение
• 🎯 “Надежный исполнитель” - стабильные результаты
• 🛠️ “Лучшая конструкция” - качество сборки
• 👥 “Командный дух” - лучшая работа в паре

📊 Общий зачет:

1Место = (0.4 × Скорость_балл) + 
2        (0.3 × Точность_балл) + 
3        (0.2 × Креативность_балл) + 
4        (0.1 × Конструкция_балл)