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5. INFRAROTSENSOREN

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wie der Roboter mit seinen Infrarotsensoren die Helligkeit der Unterlage erkennen kann.

WIE FUNKTIONIERT EIN INFRAROTSENSOR?

Ein Infrarotsensor besteht aus einer Leuchtdiode (LED), welche Licht im Infrarotbereich aussendet und einer Fotodiode, welche die Intensität des reflektierenden Lichtes misst.

Die Infrarotsensoren können die Änderungen im näheren Sichtfeld registrieren und werden in der Praxis häufig als Bewegungsmelder eingesetzt.

Der mbRobot verfügt über 2 Infrarotsensoren. Man findet sie auf der unteren Seite des Boards, bezeichnet mit Line-R und Line-L. Da das Infrarotlicht an hellen bzw. dunklen Flächen unterschiedlich reflektiert, können die Sensoren zwischen einer hellen und dunklen Unterlage unterscheiden und geben einen digitalen Wert 0 (dunkel) oder 1 (hell) zurück.

MUSTERBEISPIELE

Beispiel 1: Kante folgen
Der Roboter soll mit seinem linken Infrarotsensor einer dunklen Fläche fahren. Je nachdem, ob er dunkel oder hell "sieht", korrigiert er die Fahrtrichtung mit einem Rechts- oder Linksbogen. Die Sensorwerte werden in einer Endlos-Schleife mit der Messperiode von 100 ms abgefragt.

Mit der Anweisung v = irLeft.read_digital() der Sensorwert in der Variablen v gespeichert.

Programm:

from mbrobot import *

repeat:
   v = irLeft.read_digital()
   if v == 0:
      rightArc(0.2)
   else: 
      leftArc(0.2)
   delay(100)

Du siehst, dass die Robotersteuerung vom Radius des Links- bzw. Rechtsbogen abhängig ist. Ist er zu klein (z.B. 0.05), bewegt sich der Roboter sehr langsam und unruhig. Ist er zu gross (z.B. 0.6), so verliert er oft die Spur.

Beispiel 2: Einem Weg folgen
Um einem Weg zu folgen, so wie es selbstfahrende Autos tun, braucht man mehrere Sensoren. In einer stark vereinfachten Version eines autonomen Fahrzeuges verwendest du zwei Infrarotsensoren.

Die Messwerte des rechten und des linken Sensors speicherst du in den Variablen vR und vL
vR = irRight.read_digital()
vL =irLeft.read_digital()

Danach entwickelst du ein Algorithmus, mit dem der Roboter den Weg möglichst genau folgen kann.

Programm:

from mbrobot import *

setSpeed(30)
repeat:
    vR = irRight.read_digital()
    vL = irLeft.read_digital()   
    if vL == 0 and vR == 0:
        forward()  
    elif vL == 1 and vR == 0:
        rightArc(0.1)        
    elif vL == 0 and vR == 1:
        leftArc(0.1)    
    delay(100)

Je nach Grösse der nachgebauten Vorlage musst du die Geschwindigkeit und den Radius der Kreisbögen anpassen.

Beispiel 3: Quadrat fahren

Im realen Modus ist es schwierig Motoren so zu steuern, dass der Roboter eine längere Zeit auf einer quadratischen Bahn bleibt. Mit Hilfe der Infrarotsensoren kann der Roboter seine Richtung selbst korrigieren. Um das Programm besser zu strukturieren, definierst du eine Funktion keepOnTrack(), die die Bewegung des Roboters auf den geraden Wegstücken steuert. Eine rechtwinklige Richtungsänderung erfolgt, wenn der Roboter mit beiden Sensoren hell "sieht". Dann dreht er 90° nach links und setzt seine Fahrt auf dem Streifen fort.

Programm:

from mbrobot import *

def keepOnTrack():
    if vL == 0 and vR == 0: 
        forward()
    elif vL == 0 and vR == 1: 
        leftArc(0.1)
    elif vL == 1 and vR == 0:
        rightArc(0.1)

setSpeed(30)        
repeat:
    vR = irRight.read_digital()
    vL = irLeft.read_digital()
    if vL == 1 and vR == 1:
        left()
        delay(900)
    else:    
        keepOnTrack()
    delay(100)

MERKE DIR...

Mit den Infrarotsensoren kannst du die Helligkeit der Unterlage messen. Der Befehl irLeft.read_digital() liefert den Wert des linken Infrarotsensors, als Wert 0, falls die Unterlage dunkel oder 1, falls sie hell ist.

ZUM SELBST LÖSEN

Der Roboter soll sich endlos auf einem quadratischen Tisch mit einem weissem Innenkreis bewegen, ohne herunterzufallen. Dabei startet er in der Mitte und fährt geradeaus. Erkennt er den Rand, so fährt er rückwärts, dreht um ungefähr 90 Grad nach links und fährt dann wieder vorwärts.

Beim Folgen der Pfade mit Kreuzungen verliert der Roboter oft die Spur, insbesondere, wenn du ihn schneller fahren lässt. Ergänze das Programm aus dem Beispiel 2 für den Fall, dass der Roboter die Spur verliert (hell-hell "sieht"). Überlege, was er in diesem Fall tun kann.

Der Roboter soll auf weisser Unterlage starten und dann beim Erkennen des ersten schwarzen Streifens 2 Sekunden anhalten und weiterfahren (wie bei einer Haltestelle). Beim Erkennen des zweiten Streifens stoppt er definitiv (Endbahnhof).

Bemerkung: Die Lösung ist nicht ganz einfach, denn wenn der Roboter bei der Haltestelle anhält, weil er schwarz "sieht", so "sieht" er immer noch schwarz, auch wenn er über den Streifen weiterfährt. Du musst dir mit einer Variablen s merken, in welchem Zustand der Roboter gerade ist, z.B.
s = 0: erstes Fahren auf weiss,
s = 1: Haltestelle angehalten,
s = 2: zwischen Haltestelle und Endbahnhof auf weiss.
Falls du beim Programmieren stecken bleibst, so kannst du hier ein wenig spicken.

Ein Roboter soll quer über vier dunkle Streifen fahren und diese mit seinen Infrarotsensoren detektieren. Beim Erkennen des vierten Streifens soll er anhalten.

Bemerkung: Du musst wieder einen ähnlichen Trick wie in der vorhergehenden Aufgabe finden. Du kannst z.B. die Anzahl zurückgelegten Streife in der Variable s speichern. Der Wert dieser Variable wird aber nur dann um 1 erhöht, wenn der Roboter von hell auf dunkel wechselt. Du brauchst also eine zweite Variable, in der du den Zustand hell bzw. dunkel speicherst.

Dein Programm soll den Roboter so steuern, dass er mit Hilfe seiner beiden Infrarotsensoren möglichst genau der Kante entlang fährt.

5-4

Fachliche Hinweise:

Zu Beginn wird die Zustandsvariable s auf null gesetzt. In der while-Schleife schaltet man den Zustand um:

....

s = 0
forward()
repeat:
    v = irLeft.read_digital()

    if v == 0 and s == 0:
        # Bei Haltestelle
        s = 1
        ...
    if v == 1 and s == 1:   
        # Auf weisser Zwischenfahrt
        s = 2
    if v == 0 and s == 2:
        # Am Endbahnhof
        ...