🛤️ Датчики линии: назначение и функции

 1Система Amazon Robotics:
 2- 200,000+ роботов на складах по всему миру
 3- Скорость движения: до 1.7 м/с
 4- Точность позиционирования: ±5 мм
 5- Грузоподъемность: до 1360 кг
 6
 7Принцип навигации:
 8- Магнитная лента на полу склада
 9- Массив датчиков линии под роботом
10- Система коррекции траектории
11- Интеграция с общей системой управления

 1Автомобильный завер Toyota:
 2- Роботы-носильщики между участками
 3- Следование по направляющим линиям
 4- Автоматическая подача деталей к рабочим местам
 5- Синхронизация с тактом производства
 6
 7Технические характеристики:
 8- Ширина направляющей линии: 25-50 мм
 9- Контрастность: черная линия на светлом полу
10- Датчики: 5-8 ИК-сенсоров в массиве
11- Частота обновления: 100-200 Гц

 1Система TUG (Aethon):
 2- Доставка лекарств и материалов
 3- Работа в присутствии людей
 4- Навигация по больничным коридорам
 5- Автоматические лифты и двери
 6
 7Особенности:
 8- Безопасность пациентов - приоритет №1
 9- Работа в условиях переменного освещения
10- Обход динамических препятствий
11- Соблюдение санитарных требований

 1Прямые участки:
 2────────────────────────
 3
 4Плавные повороты:
 5     ╭──────╮
 6─────╯      ╰─────
 7
 8Острые углы:
 9────┐
10    │
11    └────

 1Перекрестки:
 2     │
 3─────┼─────
 4     │
 5
 6Кольца (Кегельринг):
 7   ╭─────────╮
 8  ╱           ╲
 9 ╱             ╲
10╱               ╲
11╲               ╱
12 ╲             ╱
13  ╲___________╱
14
15S-образные повороты:
16    ╭──╮
17────╯  ╰──╮
18          ╰────

 1Проблема компромисса:
 2- Высокая скорость → больше ошибок навигации
 3- Высокая точность → медленное движение
 4- Необходим баланс для оптимальной производительности
 5
 6Технические ограничения:
 7- Время реакции датчиков: 1-10 мс
 8- Инерция робота при поворотах
 9- Точность позиционирования моторов
10- Вычислительная мощность контроллера

 1Переменные факторы окружающей среды:
 2- Освещенность: от 100 до 10,000 люкс
 3- Отражательные свойства поверхности
 4- Контрастность линии и фона
 5- Загрязнения и износ трассы
 6
 7Требования к системе:
 8- Автоматическая калибровка
 9- Адаптивные пороговые значения
10- Фильтрация помех и шумов
11- Устойчивость к внешним воздействиям

 1Нестандартные участки трассы:
 2- Разветвления и пересечения
 3- Прерывистые линии
 4- Изменение ширины линии
 5- Резкие повороты и петли
 6
 7Алгоритмические решения:
 8- Предсказание траектории
 9- Запоминание пройденного пути
10- Стратегии поиска потерянной линии
11- Обработка неоднозначных ситуаций

 1Шкала электромагнитного излучения:
 2
 3Гамма-лучи    Рентген    УФ    Видимый свет    ИК    Микроволны    Радио
 4     │           │        │         │         │         │          │
 510⁻¹² м      10⁻¹⁰ м   10⁻⁸ м   10⁻⁶ м     10⁻⁴ м    10⁻² м      1 м
 6
 7                              ┌─────────────────┐
 8                              │   380-750 нм    │ ← Видимый свет
 9                              └─────────────────┘
10                                       │
11                              ┌─────────────────┐
12                              │   750-3000 нм   │ ← Ближний ИК
13                              └─────────────────┘ ← Используется в датчиках

 1Угол падения = Угол отражения
 2
 3        Нормаль
 4           │
 5           │
 6      θ₁   │   θ₂
 7    ╲      │      ╱
 8     ╲     │     ╱  
 9      ╲    │    ╱   ← Отраженный луч
10       ╲   │   ╱    
11        ╲  │  ╱     
12         ╲ │ ╱      
13          ╲│╱       
14         ──┴──      ← Поверхность
15           
16где θ₁ = θ₂ (закон Снеллиуса для отражения)

 1Вольт-амперная характеристика:
 2
 3I_коллектор
 4    ▲
 5    │     ╱╱╱╱  ← Яркое освещение
 6    │    ╱╱╱
 7    │   ╱╱
 8    │  ╱      ← Слабое освещение
 9    │ ╱
10    │╱
11    └────────────► U_коллектор
12    0
13
14Время отклика: 1-10 мкс
15Спектральная чувствительность: 400-1100 нм
16Пик чувствительности: 850-950 нм

 1Процесс оцифровки сигнала датчика:
 2
 3Освещенность → Фототок → Напряжение → АЦП → Цифровой код
 4     │            │          │         │         │
 5   [люкс]       [мкА]       [В]     [0-1023]   [бит]
 6
 7Пример для 10-битного АЦП:
 8- Белая поверхность: 900-1000 (код АЦП)
 9- Серая поверхность: 400-600 (код АЦП)  
10- Черная поверхность: 10-100 (код АЦП)

 1Схема работы компаратора:
 2
 3V_вход ──┐
 4         ├──► [КОМПАРАТОР] ──► V_выход
 5V_порог ─┘              (0 или 5В)
 6
 7Настройка порогового значения:
 8- Слишком высокий порог → пропуск линии
 9- Слишком низкий порог → ложные срабатывания  
10- Оптимальный порог = (V_белый + V_черный) / 2

 1Схема устройства датчика линии:
 2
 3    ┌─────────────────────────┐
 4    │      КОРПУС ДАТЧИКА     │
 5    │                         │
 6    │  ┌────┐        ┌────┐   │
 7    │  │ LED│        │ФТ  │   │ ← ИК-светодиод и фототранзистор
 8    │  │ ИК │        │    │   │
 9    │  └────┘        └────┘   │
10    │     │            │     │
11    │     ▼            ▼     │
12    └─────┼────────────┼─────┘
13          │            │
14          ▼            ▼
15     ═══════════════════════════ ← Поверхность
16     
17Принцип работы:
181. ИК-светодиод излучает свет под углом
192. Свет отражается от поверхности
203. Фототранзистор принимает отраженный свет
214. Сила тока зависит от коэффициента отражения

 1Упрощенная схема подключения:
 2
 3     +5V
 4      │
 5      ├─── R1 ───┐
 6      │          │
 7      │        ┌─┴─┐
 8      │        │LED│ ← ИК-светодиод (обычно 850-940 нм)
 9      │        │ ИК│
10      │        └─┬─┘
11      │          │
12      │         GND
13      │
14      │    +5V
15      │     │
16      │     ├─── R2 ───┬─── Vout (к АЦП контроллера)
17      │     │          │
18      │   ┌─┴─┐      ┌─┴─┐
19      │   │ФТ │      │   │ ← Нагрузочный резистор
20      │   │   │      │R3 │
21      │   └─┬─┘      │   │
22      │     │        └─┬─┘
23      │    GND        │
24      │              GND
25      
26Где:
27R1 = 150-330 Ω (токоограничивающий для ИК-LED)
28R2 = нет (коллектор фототранзистора)
29R3 = 1-10 кΩ (нагрузочный резистор)

 1Преимущества:
 2✓ Высокое разрешение (1024-4096 уровней)
 3✓ Плавная регулировка чувствительности
 4✓ Возможность определения "серых" зон
 5✓ Адаптивная калибровка
 6
 7Недостатки:
 8✗ Требуют АЦП в контроллере
 9✗ Более сложная обработка сигнала
10✗ Чувствительность к помехам
11✗ Необходимость калибровки

 1Преимущества:
 2✓ Простота подключения (HIGH/LOW)
 3✓ Помехоустойчивость
 4✓ Быстрое время отклика
 5✓ Не требуют калибровки
 6
 7Недостатки:
 8✗ Низкое разрешение (только 0 или 1)
 9✗ Фиксированный порог срабатывания
10✗ Сложность настройки чувствительности
11✗ Потеря промежуточной информации

 1Технические характеристики:
 2- ИК-светодиод: 950 нм
 3- Фототранзистор: спектр 800-1000 нм
 4- Оптимальная дистанция: 2.5 мм
 5- Ток потребления: 60 мА (максимум)
 6- Размеры: 10.2 × 5.8 × 7 мм
 7- Температурный диапазон: -25°C до +85°C
 8
 9Применение:
10- Образовательная робототехника
11- Простые системы позиционирования
12- Энкодеры и счетчики оборотов

 1Профессиональные характеристики:
 2- Дальность действия: 100 мм
 3- Точность позиционирования: ±0.1 мм
 4- Частота переключения: 5 кГц
 5- Защита: IP67 (пыле-влагозащита)
 6- Рабочая температура: -40°C до +70°C
 7- Стоимость: $50-80
 8
 9Применение:
10- Конвейерные системы
11- Автомобильная промышленность
12- Точное позиционирование

 1Конфигурация 8-сенсорного массива:
 2
 3[S1][S2][S3][S4][S5][S6][S7][S8]
 4 │   │   │   │   │   │   │   │
 5 └───┴───┴───┼───┴───┴───┴───┘
 6             │
 7      Центр массива
 8      
 9Расстояние между сенсорами: 8-12 мм
10Общая ширина массива: 60-80 мм
11Разрешение позиции: 8 дискретных значений
12
13Преимущества массива:
14- Высокая точность определения позиции
15- Возможность интерполяции между сенсорами  
16- Обнаружение потери линии
17- Определение направления поворота

 1Влияние высоты на работу датчика:
 2
 3h = 1 мм:  ████ ← Маленькое пятно, высокая точность
 4h = 3 мм:  ██████ ← Оптимальное пятно
 5h = 5 мм:  ████████ ← Большое пятно, низкая точность
 6h = 10 мм: ████████████ ← Слишком большое, потеря контраста
 7
 8Рекомендации:
 9- Для линии 20 мм: высота 2-4 мм
10- Для линии 15 мм: высота 1.5-3 мм  
11- Для линии 10 мм: высота 1-2 мм

 1Влияние угла наклона на отражение:
 2
 3Перпендикулярно (0°):     Наклон 15°:          Наклон 30°:
 4      ↓                       ↓                    ↓
 5      │                      ╱                   ╱
 6   ═══┼═══               ═══╱═══             ═══╱═══
 7      ↑                    ╱                 ╱
 8  (Максимальное        (Хорошее           (Слабое
 9   отражение)           отражение)         отражение)
10
11Оптимальный угол: 0-10° от вертикали

 1Схема размещения:
 2     [S1]
 3      │
 4   ═══●═══ ← Линия
 5      │
 6   ПЛАТФОРМА
 7
 8Применение:
 9- Простейшие системы следования
10- Обнаружение наличия/отсутствия линии
11- Начальное обучение робототехнике
12
13Ограничения:
14- Низкая точность позиционирования
15- Сложность определения направления поворота
16- Невозможность восстановления после потери линии

 1Схема размещения:
 2    [S1]   [S2]
 3     │     │
 4  ═══●═════●═══ ← Линия
 5     │     │
 6   ПЛАТФОРМА
 7
 8Логика работы:
 9S1=0, S2=0  → Линия между датчиками (прямо)
10S1=1, S2=0  → Линия слева (поворот направо)
11S1=0, S2=1  → Линия справа (поворот налево)  
12S1=1, S2=1  → Линия потеряна или перекресток
13
14Преимущества:
15- Определение направления отклонения
16- Простота программирования
17- Низкая стоимость

 1Схема размещения:
 2  [S1]  [S2]  [S3]
 3   │    │    │
 4═══●════●════●═══ ← Линия
 5   │    │    │
 6    ПЛАТФОРМА
 7
 8Состояния системы:
 9001 → Линия справа, поворот налево
10010 → Линия по центру, прямо
11100 → Линия слева, поворот направо
12011 → Линия справа от центра, небольшой поворот налево
13110 → Линия слева от центра, небольшой поворот направо
14
15Улучшения:
16- Более точное позиционирование
17- Плавные повороты
18- Лучшая стабильность движения

 1Схема размещения 8 датчиков:
 2[S1][S2][S3][S4][S5][S6][S7][S8]
 3 │   │   │   │   │   │   │   │
 4═●═══●═══●═══●═══●═══●═══●═══●═ ← Линия
 5 │   │   │   │   │   │   │   │
 6           ПЛАТФОРМА
 7
 8Расчет позиции линии:
 9Position = Σ(Si × i) / Σ(Si)
10
11где Si = 1 (если датчик видит линию), 0 (если не видит)
12    i = номер позиции датчика (1, 2, 3, ..., 8)
13
14Пример:
15Датчики [0,0,1,1,1,0,0,0] → Position = (3×1 + 4×1 + 5×1)/(1+1+1) = 4.0
16Линия точно по центру между датчиками 3 и 5

 1Типичные ограничения для учебных роботов:
 2
 3Максимальная ширина: 150-200 мм
 4Минимальная база: 100-120 мм
 5Высота установки датчиков: 5-15 мм
 6Расстояние от оси колес: 50-80 мм
 7
 8Влияние на размещение датчиков:
 9- Ширина массива ≤ 80% ширины робота
10- Датчики впереди центра тяжести
11- Защита от механических повреждений
12- Доступность для обслуживания

 1Ограничения контроллера Arduino Uno:
 2- Аналоговые входы: 6 портов (A0-A5)
 3- Цифровые входы: 14 портов (D0-D13)
 4- Максимальный ток на порт: 20 мА
 5- Общий ток всех портов: 200 мА
 6
 7Рекомендации:
 8- Не более 6 аналоговых датчиков
 9- Использование мультиплексоров для расширения
10- Токоограничивающие резисторы обязательны
11- Развязка питания для шумоподавления

 1// Расчет позиции линии для массива из 8 датчиков
 2float calculateLinePosition(int sensors[8]) {
 3    int sum = 0;           // Сумма произведений
 4    int count = 0;         // Количество активных датчиков
 5    
 6    for(int i = 0; i < 8; i++) {
 7        if(sensors[i] > THRESHOLD) {  // Датчик видит линию
 8            sum += i * sensors[i];    // Взвешенная позиция
 9            count += sensors[i];      // Суммарная активность
10        }
11    }
12    
13    if(count > 0) {
14        return (float)sum / count;    // Средневзвешенная позиция
15    } else {
16        return -1;                    // Линия потеряна
17    }
18}

 1class LineFollowerPID {
 2private:
 3    float kp = 1.0;      // Пропорциональный коэффициент
 4    float ki = 0.0;      // Интегральный коэффициент  
 5    float kd = 0.0;      // Дифференциальный коэффициент
 6    
 7    float previous_error = 0;
 8    float integral = 0;
 9    
10public:
11    float calculateCorrection(float line_position) {
12        float target = 3.5;  // Центр массива (для 8 датчиков: 0-7)
13        float error = target - line_position;
14        
15        integral += error;
16        float derivative = error - previous_error;
17        
18        float correction = kp * error + ki * integral + kd * derivative;
19        
20        previous_error = error;
21        return correction;
22    }
23};

 1void calibrateSensors() {
 2    int min_values[8] = {1023, 1023, 1023, 1023, 1023, 1023, 1023, 1023};
 3    int max_values[8] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 4    
 5    // Калибровка на белой поверхности
 6    Serial.println("Калибровка на белом фоне...");
 7    for(int i = 0; i < 100; i++) {
 8        for(int j = 0; j < 8; j++) {
 9            int value = analogRead(j);
10            if(value < min_values[j]) min_values[j] = value;
11            if(value > max_values[j]) max_values[j] = value;
12        }
13        delay(10);
14    }
15    
16    // Калибровка на черной линии  
17    Serial.println("Калибровка на черной линии...");
18    for(int i = 0; i < 100; i++) {
19        for(int j = 0; j < 8; j++) {
20            int value = analogRead(j);
21            if(value < min_values[j]) min_values[j] = value;
22            if(value > max_values[j]) max_values[j] = value;
23        }
24        delay(10);
25    }
26    
27    // Сохранение калибровочных данных
28    for(int i = 0; i < 8; i++) {
29        sensor_min[i] = min_values[i];
30        sensor_max[i] = max_values[i];
31    }
32}

 1Схема расположения:
 2    [S1]     [S2]     [S3]
 3     │        │        │
 4     ├────────┼────────┤ ← 20 мм
 5  ═══●════════●════════●═══
 6     │        │        │
 7       ПЛАТФОРМА РОБОТА
 8
 9Характеристики:
10- Количество датчиков: 3
11- Расстояние между датчиками: 10 мм
12- Общая ширина: 20 мм
13- Стоимость: $6-9
14- Сложность программирования: Низкая
15
16Преимущества:
17✓ Простота реализации
18✓ Низкая стоимость
19✓ Легкость программирования
20✓ Достаточно для базовых задач
21
22Недостатки:
23✗ Низкое разрешение позиции
24✗ Рывки при поворотах
25✗ Сложность восстановления

 1Схема расположения:
 2  [S1]  [S2]  [S3]  [S4]  [S5]
 3   │     │     │     │     │
 4   ├─────┼─────┼─────┼─────┤ ← 24 мм
 5═══●═════●═════●═════●═════●═══
 6   │     │     │     │     │
 7         ПЛАТФОРМА РОБОТА
 8
 9Характеристики:
10- Количество датчиков: 5
11- Расстояние между датчиками: 6 мм
12- Общая ширина: 24 мм
13- Стоимость: $10-15
14- Сложность программирования: Средняя
15
16Преимущества:
17✓ Хорошее разрешение позиции
18✓ Плавные повороты
19✓ Надежное восстановление
20✓ Оптимальное соотношение цена/качество

 1Схема расположения:
 2[S1][S2][S3][S4][S5][S6][S7][S8]
 3 │   │   │   │   │   │   │   │
 4 ├───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤ ← 28 мм
 5═●═══●═══●═══●═══●═══●═══●═══●═
 6 │   │   │   │   │   │   │   │
 7           ПЛАТФОРМА РОБОТА
 8
 9Характеристики:
10- Количество датчиков: 8
11- Расстояние между датчиками: 4 мм
12- Общая ширина: 28 мм
13- Стоимость: $16-24
14- Сложность программирования: Высокая
15
16Преимущества:
17✓ Максимальное разрешение
18✓ Очень плавное движение
19✓ Отличное восстановление
20✓ Возможность интерполяции

 1Потребление для конфигурации из 5 датчиков TCRT5000:
 2
 3Один датчик:
 4- ИК-светодиод: 20 мА при 5В
 5- Фототранзистор: 5 мА при 5В
 6- Итого на датчик: 25 мА
 7
 8Пять датчиков:
 9- Общее потребление: 5 × 25 = 125 мА
10- Мощность: 125 мА × 5В = 0.625 Вт
11- Время работы от батареи 2000 мАч: 16 часов
12
13Рекомендация: потребление приемлемо для большинства применений

 1ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЧЕРТЕЖУ:
 2
 3Масштаб: 1:1 или 1:2 (указать на чертеже)
 4Формат: лист A3 (297×420 мм)
 5Проекции: вид сверху + вид сбоку
 6
 7Обязательные элементы:
 8□ Контур робота с размерами
 9□ Расположение всех датчиков
10□ Размеры между датчиками
11□ Высота установки
12□ Расстояние от осей колес
13□ Обозначение направления движения
14□ Таблица спецификации компонентов
15□ Основная надпись с данными группы
16
17Точность размеров: ±0.5 мм
18Толщина линий: 0.5 мм (контур), 0.3 мм (размеры)

 1┌─────────────────────────────────────────────────┐
 2│ СХЕМА РАЗМЕЩЕНИЯ ДАТЧИКОВ ЛИНИИ                 │
 3├─────────────────┬───────────────────────────────┤
 4│ Группа:         │ Дата:                         │
 5├─────────────────┼───────────────────────────────┤
 6│ Участники:      │ Масштаб:                      │
 7│                 │                               │
 8├─────────────────┼───────────────────────────────┤
 9│ Проверил:       │ Лист    из                    │
10└─────────────────┴───────────────────────────────┘