Алгоритмы управления мобильным LEGO-роботом. Движение по линии Сергей Александрович Филиппов, Санкт-Петербургский Физико-математический лицей 239. - презентация

1 Алгоритмы управления мобильным LEGO-роботом. Движение по линии Сергей Александрович Филиппов, Санкт-Петербургский Физико-математический лицей 239

2 План занятия Релейный двухпозиционный регулятор П-регулятор – движение по линии ПД-регулятор – движение по линии Кубическая составляющая Плавающий коэффициент Интегральная составляющая

3 Подключение датчика Меню Robot -> Motors and Sensors Setup -> Sensors #pragma config(Sensor, S1,, sensorLightActive)

4 Варианты расположения датчика освещенности Равносторонний треугольник, образованный точками опоры колес и датчиком

5 Релейный регулятор: движение вдоль границы черного и белого int grey=45; while (true) // grey - значение серого { if (SensorValue[S1]>grey){ motor[MotorB]=100; motor[MotorC]=0; } else{ motor[MotorB]=0; motor[MotorC]=100; } wait1Msec(1); } Поиск значения серого: View - > Light Sensor (active) - > Port 1

6 Пропорциональный регулятор В задачах автоматического регулирования управляющее воздействие u(t) обычно является функцией динамической ошибки – отклонения e(t) регулируемой величины x(t) от ее заданного значения x 0 (t): e(t)=x 0 (t)-x(t) Пропорциональный регулятор – это устройство, оказывающее управляющее воздействие на объект пропорционально его отклонению от заданного состояния. u 0 (t)=ke Здесь k – это коэффициент усиления регулятора.

7 Пропорциональный регулятор: движение по линии Также как и в релейном регуляторе, необходимо определить среднее значение grey между черным и белым. Это будет то состояние датчика освещенности s1, к которому должна стремиться система. float k=2, v=50; while(true) { u=k*(SensorValue[S1]-grey); motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); }

8 Калибровка Установить датчик на белое поле и включить робота int white=SensorValue[S1]; PlaySound(soundBeepBeep); Установить датчик на черное поле и нажать кнопку while(SensorValue[S2]==0); // Жди, пока не нажато wait1Msec(100); // Защита от залипаний while(SensorValue[S2]==1); // Жди, пока нажато wait1Msec(100); int black=SensorValue[S1]; PlaySound(soundBeepBeep); int grey=(white+black)/2; Установить робота на старт и нажать кнопку while(SensorValue[S2]==0); wait1Msec(100); while(SensorValue[S2]==1);

9 Калибровка с выводом на экран... int grey=(white+black)/2; Взять робота и посмотреть на экран nxtDisplayBigTextLine(1, white=%d, white); nxtDisplayBigTextLine(3, black=%d, black); nxtDisplayBigTextLine(5, grey=%d, grey); Установить робота на старт и нажать кнопку while(SensorValue[S2]==0); wait1Msec(100); while(SensorValue[S2]==1);

10 Калибровка с одной переменной Установить датчик на белое поле и включить робота int grey=SensorValue[S1]; PlaySound(soundBeepBeep); Установить датчик на черное поле и нажать кнопку while(SensorValue[S2]==0); // Жди, пока не нажато wait1Msec(100); // Защита от залипаний while(SensorValue[S2]==1); // Жди, пока нажато wait1Msec(100); grey=(grey+SensorValue[S1])/2; PlaySound(soundBeepBeep); Установить робота на старт и нажать кнопку while(SensorValue[S2]==0); wait1Msec(100); while(SensorValue[S2]==1);

11 Автоматическая круговая калибровка Установить робота на линию на границу черного и белого и включить int white=SensorValue[S1]; int black=SensorValue[S1]; motor[motorB]=30; motor[motorC]=-30; nMotorEncoder[motorB]=0; while(nMotorEncoder[motorB]white) white=SensorValue[S1]; if (SensorValue[S1]

12 Калибровка в процессе движения Установить робота на белое и включить int white=SensorValue[S1]; int black=SensorValue[S1]-10; int grey=(white+black)/2; while(true) { int Sv1=SensorValue[S1]; u=k*(Sv1-grey); motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; if (Sv1>white) white=Sv1; if (Sv1

13 И-регулятор: накопление ошибки Накопление ошибки в интегральной составляющей float i=0, ki=0.01; while(true) { e=S1-grey; i=i+ki*e; u=i; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); }

14 И-регулятор: управление с ограничением Ограничение интегральной составляющей в пределах допустимого управляющего воздействия float i=0, ki=0.01, maxi=50; while(true) { e=S1-grey; i=i+ki*e; if (abs(i)>maxi) i=sgn(i)*maxi; u=i; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); }

15 ПИ-регулятор с ограничением Объединение интегральной и пропорциональной составляющей в пределах допустимого управляющего воздействия float i=0, kp=1, ki=0.01, maxi=50; while(true) { e=S1-grey; p=kp*e; i=i+ki*e; if (abs(i)>maxi) i=sgn(i)*maxi; u=p+i; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); }

16 Кубический регулятор Рассчитывается отклонение e=SensorValue[S1]-grey Возводится в куб uk=k2*(e*e*e), где k20.01 Управляющее воздействие: пропорциональное+кубическое upk = k1*e + k2*e*e*e Коэффициент k2 при кубической составляющей должен быть такой, чтобы при максимальном отклонении получать величину, сравнимую с мощностью моторов (100). Коэффициент k1 может быть невелик. up uk up uk

17 Движение по границе черного и белого с кубическим регулятором Резкие повороты обеспечиваются кубическим регулятором. При малых отклонениях он не оказывает большого влияния float k1=2, k2=0.03; while(true) { e=SensorValue[S1]-grey; u=k1*e + k2*e*e*e; motor[motorB]=50+u; motor[motorC]=50-u; wait1Msec(1); }

18 Движение по границе черного и белого с помощью ПД-регулятора ud=k*(S1-Sold)/Δt, где S1 – текущие показания датчика, Sold – показания на предыдущем шаге. Дифференциальная составляющая компенсирует пропорциональную u = up+ud u = k1*(S1-grey) + k2*(S1-Sold) Можно показать, что для устойчивого достижения цели коэффициент k2 при дифференциальной составляющей должен превышать k1 S1 Sold up ud

19 ПД-регулятор: вариант записи Использование ошибки в Д-составляющей eold=0; while(true) { e=SensorValue[S1]-grey; u=k1*e + k2*(e-eold); eold=e; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); }

20 ПИД-регулятор float ki=0.01, kp=1, kd=10, i=0, eold=0; while(true) { e=SensorValue[S1]-grey; p=kp*e; i=i+ki*e; if (abs(i)>maxi) i=sgn(i)*maxi; d=kd*(e-eold); eold=e; u=p+i+d; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); }

21 Пропорциональный регулятор: движение по линии с двумя датчиками При двух белых едет прямо, при одном черном поворачивает в сторону черного, при двух черных едет прямо. Используем разность показаний. while(true) { u=k1*(s1-s2); motor[motorB]=50+u; motor[motorC]=50-u; wait1msec(1); } s1s2

22 Пропорциональный регулятор: движение по линии с двумя датчиками Датчики могут быть откалиброваны по- разному Рассчитывается разность отклонений Начальные значения на одноцветной поверхности left=s1; right=s2; while(true) { u=k1*((s1-left)-(s2-right)); motor[motorB]=50+u; motor[motorC]=50-u; wait1Msec(1); }

23 Пропорциональный регулятор: устранение статической ошибки Пусть статическая ошибка показывает разность показаний датчиков на белом: es = left – right Динамическа ошибка e вычисляется в движении и компенсируется статической ошибкой e = (sv1-left)-(sv2-right) = sv1 – sv2 – es es=sv1-sv2; while(true) { e=sv1-sv2-es; u=k1*e; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); }

24 ПД-регулятор: движение по линии с двумя датчиками Запоминаем отклонение в переменной e, предыдущее – в переменной eold Добавим контроль скорости на поворотах v=100-abs(u)*0.2 es=SensorValue[s1]-SensorValue[s2]; eold=0; while(true) { e=SensorValue[s1]-SensorValue[s2]-es; u=k1*e+k2*(e-eold); eold=e; v=100-abs(u)*0.2; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1msec(1); } s1s2

25 Плавающий коэффициент Центральный датчик «предсказывает будущее» Центральный датчик калибруется на черном center=S3 Пропорциональный коэффициент зависит от его отклонения с линии k1=1+(S3-center)/3 u=k1*e s1s2 s3s3

26 Плавающий коэффициент для пропорционального регулятора Плавающий коэффициент можно применить к любому регулятору left=s1; right=s2; center=s3; while(true) { e=(s1-left)-(s2-right); k1=1+(s3-center)/10; u=k1*e; Motor[MotorB]=50+u; Motor[MotorC]=50-u; wait1msec(1); } s1s2 s3s3

27 Инверсная линия Предварительная калибровка двух датчиков Движение на одном датчике на П- или ПД-регуляторе Второй датчик рядом с первым следит за цветом поля Изменение знака управляющего воздействия (направления управления) в зависимости от показаний второго датчика. 12

28 Инверсная линия while(true) { if (SensorValue[s2]>grey2) r=1; else r=-1; e=SensorValue[S1]-grey1; u=r*(k*e); motor[MotorB]=50+u; motor[MotorC]=50-u; wait1msec(1); } 12

29 Следование за объектом: двойное регулирование Регулирование движения по линии с одним или двумя датчиками освещенности Регулирование расстояния с ультразвуковым датчиком Релейное Пропорциональное

30 Контроль расстояния с совмещением регуляторов по датчику ультразвука // ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ int e; float v, k=5; while(true) { e=SensorValue[S3]-30; v=e*k; if (v>100) v=100; motor[motorB]=v; motor[motorC]=v; wait1Msec(1); } // РЕЛЕЙНЫЙ while(true) { if (SensorValue[S3]>30) { v=100; } // Сюда else v=0; motor[motorB]=v; motor[motorC]=v; wait1Msec(1); }

31 Контроль расстояния с совмещением регуляторов по датчику ультразвука float e, v, kv=5; while(true) { e=SensorValue[S3]-30; if (e>0) v=e*k; else v=0; if (v>100) v=100; motor[motorB]=v; motor[motorC]=v; wait1Msec(1); } Расчет отклонения по расстоянию Запрет движения назад при отрицательном отклонении Ограничение скорости не более 100

32 Контроль линии и расстояния с датчиком освещенности и ультразвука float e, v, kv=5; while(true) { // Velocity control e=SensorValue[S3]-30; if (e>0) v=e*kv; else v=0; if (v>100) v=100; motor[motorB]=v; motor[motorC]=v; wait1Msec(1); } int e, grey=45; float u, v=50, kp=3; while(true) { // Follow line e=SensorValue[S1]-grey; u=e*kp; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); } Добавление контроля расстояния до объекта через скорость

33 Движение по линии с контролем расстояния: результат совмещения float u, v, e, kp=3, kv=5; while(true) { e=SensorValue[S3]-30; if(e>0) v=e*kv; else v=0; if (v>100) v=100; //Вместо grey e=SensorValue[S1]-SensorValue[S2]; u=e*kp; motor[motorB]=v+u; motor[motorC]=v-u; wait1Msec(1); } Регулирование скорости движения в зависимости от расстояния до объекта спереди Регулирование направления вдоль линии по двум датчикам освещенности Подача комплекса управляющих воздействий на моторы

34 Контроль скорости с использованием интегральной составляющей int ev; float p,i=0,kv=0.5,ki=0.01; while(true) { // Velocity control ev=SensorValue[S3]-30; p=ev*kv; i=i+ev*ki; v=p+i;... wait1Msec(1); } При высоком коэффициенте kv теряется возможность управления направлением (робот сбивается с линии) При низком коэффициенте kv робот не доезжает на заданное расстояние из-за нехватки мощности моторов Интегральная составляющая суммирует ошибку и быстро увеличивает скорость

35 Контроль превышения скорости int ev; float p,i=0,kv=0.5,ki=0.01; while(true) { // Velocity control ev=SensorValue[S3]-30; p=ev*kv; i=i+ev*ki; if (i>100) i=100; v=p+i;... wait1Msec(1); } При высоком коэффициенте kv теряется возможность управления направлением (робот сбивается с линии) При низком коэффициенте kv робот не доезжает на заданное расстояние из-за нехватки мощности моторов Интегральная составляющая суммирует ошибку и быстро увеличивает скорость

36 Объезд препятствия int grey1, grey2; void objezd() {... } task main() {... while(true) {... objezd();... } Подпрограмма объезда вызывается при условии, что препятствие близко Подпрограмма приостанавливает цикл регулирования, поскольку выполняется последовательно Переменные grey1 и grey2 объявляются глобально для использования в основной программе и подпрограмме

37 Благодарю за внимание! Сергей Александрович Филиппов Физико-Математический лицей 239 Санкт-Петербург