Как роботы-пылесосы не врезаются в стены: датчики и алгоритмы

Какие датчики заменяют роботу органы чувств

Внутри круглого корпуса спрятана целая измерительная лаборатория. Обычный человек оценивает расстояние до стены глазами, а роботу для этого требуются специальные электронные компоненты. Каждый тип сенсора решает свою задачу и подстраховывает остальные приборы при изменении освещения или типа поверхности.

Инфракрасные излучатели

По периметру корпуса за темным пластиковым стеклом установлены инфракрасные светодиоды и фотоприемники. Светодиод посылает вперед короткую вспышку света в невидимом для человеческого глаза диапазоне. Этот луч долетает до стены, отражается от нее и возвращается обратно на фотоприемник. Электроника замеряет интенсивность отраженного сигнала или время его возвращения. Чем ближе препятствие, тем сильнее отраженный сигнал, поэтому процессор успевает вовремя сбросить скорость.

Ультразвуковые сонары

Инфракрасный луч может поглощаться абсолютно черными плинтусами или проходить сквозь прозрачные стеклянные двери шкафов. В таких ситуациях выручает ультразвуковой датчик. Он работает по принципу эхолокатора летучей мыши. Динамик издает неслышный высокочастотный звуковой щелчок, а миниатюрный микрофон улавливает эхо. Зная скорость звука в воздухе, которая составляет около 340 метров в секунду, микроконтроллер вычисляет расстояние по простой формуле деления времени полета звука туда и обратно на два.

Лазерные дальномеры и лидары

В более продвинутых моделях на верхней крышке можно заметить небольшую башенку. Внутри нее с высокой скоростью вращается лазерный дальномер, который инженеры называют лидаром. Башенка делает несколько сотен оборотов в минуту и непрерывно стреляет безопасным лазерным лучом во все стороны. Сенсор считывает отражение тысячи раз за секунду, создавая точный геометрический чертеж комнаты с точностью до миллиметра. Благодаря лидару пылесос знает координаты каждого угла в помещении еще до начала движения.

Механический подвижный бампер

Передняя половина корпуса пылесоса сделана подвижной и закреплена на микропереключателях с пружинами. Это страховочный механизм на случай внезапного появления ножки стула, брошенного провода или зеркальной поверхности. Легкое касание бампера сжимает пружину и замыкает электрический контакт. Сигнал тревоги мгновенно поступает в процессор, двигатели колес блокируются за миллисекунды, и робот делает откат назад.

Как микропроцессор принимает решение о маневре

Получить сигналы с датчиков мало, роботу нужно понять эти данные и составить команду для электромоторов правого и левого колеса. За это отвечает алгоритм управления, записанный во внутреннюю память устройства.

В базовых устройствах работает реактивное поведение. Это набор жестких правил вида «если условие, то действие». Когда правый инфракрасный датчик фиксирует расстояние меньше десяти сантиметров, микроконтроллер подает команду ускорить левое колесо и замедлить правое. Пылесос плавно отворачивает влево, огибая угол.

Для качественной уборки используется алгоритм следования вдоль стен. Вдоль правого борта пылесоса установлен отдельный направленный датчик. Робот подъезжает к стене и старается держать строго заданный зазор около одного сантиметра. Если зазор увеличивается, робот слегка подруливает вправо, если уменьшается, берет левее. Вращающаяся боковая щеточка в это время выметает пыль прямо из-под плинтуса.

В умных моделях с лидаром работает сложный алгоритм одновременной навигации и построения карты, известный в робототехнике как SLAM. Компьютер пылесоса делит комнату на мелкие квадраты в виртуальной сетке. Препятствия помечаются непроходимыми точками, а свободные зоны закрашиваются доступными для проезда. Программа прокладывает маршрут параллельными линиями, поэтому робот двигается змейкой и аккуратно останавливается ровно за пару сантиметров до стенки.

Простой алгоритм обхода препятствия для доклада

На уроке информатики этот принцип можно описать в виде понятной пошаговой блок-схемы или базового цикла программы. Такой алгоритм лежит в основе большинства робототехнических платформ учебного уровня вроде LEGO Mindstorms или Arduino.

1. Включить оба ходовых мотора на постоянную скорость для движения прямо.
2. Запустить бесконечный цикл опроса переднего датчика расстояния с интервалом двадцать миллисекунд.
3. Сравнить полученное значение дистанции с критическим порогом пятнадцать сантиметров.
4. При дистанции больше порога продолжить движение вперед по исходному курсу.
5. При дистанции меньше порога остановить моторы и подать реверс назад на полсекунды.
6. Запустить левый мотор вперед, а правый мотор назад для разворота корпуса на месте на угол около девяноста градусов.
7. Вернуться к первому шагу и продолжить уборку по новому свободному направлению.