Il primo Robot che un neofita costruisce è quasi sempre un Robot Line Follower, un inseguitore di linea.
La scelta è logica, il compito che deve eseguire il Robot di per sé non è molto complesso, ma comunque richiede lo studio di un sistema che per quanto semplice contiene tutti gli elementi base di un Robot:

  • dispositivi di input (i sensori di linea)
  • elaboratore (il microcontrollore)
  • dispositivi di output (i motori)

Inoltre, ognuno di questi elementi si porta dietro una serie di conoscenze hardware e software da acquisire che, anche nel caso si utilizzino elementi commerciali pronti, sono la base su cui si evolveranno in seguito progetti più ambiziosi e complessi; interfacciamento di sensori a luce infrarossa, programmazione di un Microcontrollore per la lettura analogica e per il controllo PWM dei driver dei motori, dimensionamento dei Ponti H, diagramma di flusso del software, ecc…

Molto spesso la prima realizzazione riguarda un “bot” non espressamente concepito per la Gara di Line Following, ma una base robotica generica a cui viene adattata una striscia di sensori; la soddisfazione è grande quando la propria creatura impara a non perdere la linea … ma in seguito la velocità modesta e una certa incertezza nel movimento fa scaturire il desiderio di costruire qualcosa di più performante e di partecipare ad una competizione … e qui possono cominciare le delusioni quando la mancanza di esperienza indirizza verso scelte progettuali sbagliate o (più facilmente) non coerenti tra loro.

Questa introduzione a come Costruzione un Robot Line Follower competitivo, ha appunto lo scopo di aiutare chi ha meno esperienza specifica ad inquadrare gli elementi di cui tenere presente per sviluppare il proprio progetto.

Robot Line Follower, adattamento di un Robot generico
Esempio di Robot concepito per altre funzioni e poi “adattato” per una gara di Line Follower

Ragioniamoci insieme

In una Gara di Line Following un Robot deve essenzialmente percorrere uno o più giri del tracciato, il più velocemente possibile, quindi dobbiamo costruire una macchina da corsa … sembra banale ma non lo è!

Un auto di Formula Uno è una macchina da corsa, ma anche una macchina da Rally e se vogliamo estremizzare anche un Dragster lo sono. Questi veicoli hanno filosofie costruttive profondamente differenti tra loro perché competono su percorsi differenti (un’auto da rally difficilmente incontra i  lunghi rettilinei e le curve veloci tipiche di un tracciato di formula uno e una formula uno non è costruita per i tornanti di un circuito stradale in Corsica). In una percorso di Line Following invece abbiamo sia rettilinei che curve più o meno strette per cui, al netto dei necessari compromessi, dobbiamo già compiere una scelta iniziale:

Leggerezza o potenza?

Come scegliere? Ognuno può abbracciare una delle due filosofie, ma è essenziale la coerenza.
Consideriamo la sostanziale differenza tra una autovettura da corsa e un Robot Line Follower: l’autovettura è controllata da un pilota che ha sensori (gli occhi) capaci di rilevare tanto quello che c’è immediatamente davanti al cofano quanto quello che troverà duecento metri avanti; questo vuole dire essere in grado di percorrere alla massima velocità un rettilineo e di iniziare a rallentare molto prima di entrare nella successiva curva. Il Robot dotato di barra sensori anteriore ha la visione limitata ad un settore posto alcuni centimetri avanti a se e quindi si rende conto della fine del tratto rettilineo solo nel momento che entra in curva. Scartando per ora soluzioni che implichino l’utilizzo di microcamere focalizzate più avanti e considerando che non si può andare oltre una certa distanza tra la barra sensori e il corpo del Robot per motivi che coinvolgono la gestione delle curve strette e il contenimento del momento di inerzia (la massa della barra sensori moltiplicata per il quadrato della distanza tra questa e il centro di rotazione del Robot), possiamo fare due ulteriori considerazioni:

  • il passaggio tra il rettilineo e la successiva curva è piuttosto brutale
  • la velocità nel rettilineo non può essere maggiore di quella che permette alla meccanica del Robot di non uscire di pista nel momento in cui deve repentinamente sterzare

Semplificando possiamo dire che tutta la performance del Robot Line Follower (velocità in rettilineo e velocità in curva) è condizionata dalla velocità che può tenere in quel brusco momento di transizione tra rettilineo e curva; va da se che scelta delle gomme, baricentro basso, disposizione dei pesi e algoritmi software hanno la loro importanza ma, a parità di questi elementi, quello che condiziona la tenuta in questo approccio di curva è il rapporto tra l’inerzia della massa del Robot lanciato e la coppia dei motori che devono contrastarla.

Per tenere il più alta possibile questa velocità abbiamo quindi due strade entrambe valide ma che vanno percorse con coerenza:

  1. Teniamo il Robot il più leggero possibile, per avere la minore massa possibile, “rosicchiando” grammi dove si può (circuiti stampati sottili, nessun orpello, cavi ridotti per lunghezza e diametro) ma soprattutto motori e batterie piccoli (poca coppia e ridotta autonomia).

Una delle conseguente della ridotta autonomia è la difficoltà di setting del Robot Line Follower perché in genere si hanno comportamenti differenti secondo lo stato di carica delle batterie (per questa ragione alcuni Robot adottano degli alimentatori step-up che tengono costante la tensione, ma sono di difficile impiego per correnti non modeste.

Altra controindicazione è che il predetto contenimento del peso si sposa male con schede di controllo, driver e barre sensori commerciali e connessioni relative; molto meglio realizzare dei circuiti stampati dedicati, possibilmente di spessore inferiore al classico 1,6 mm.

Esempio di Robot Line Follower leggero
Esempio di Robot in cui la ricerca della massima leggerezza è determinante
  1. Incrementiamo la coppia disponibile, con motori e soprattutto batterie più grandi, sacrificando il contenimento dei pesi.

E’ evidente che questa soluzione ci obbliga ad una attenta progettazione per ottenere baricentro basso e centraggio delle masse, per contro il rapporto tra il peso della barra sensori (che è la parte più “esterna” del Robot) e il peso del resto del Robot è più favorevole al contenimento del momento di inerzia e consente posizionamenti più estremi della barra stessa.

Come controindicazione rilevo che spesso l’instabilità del comportamento in funzione dello stato di carica si estremizza e non è facile pensare ad alimentatori “step up” che reggano correnti così elevate.

Robot Line Follower con elevati assorbimenti
Esempio di robot con motori, batterie e assorbimenti importanti

Sulla base di queste valutazioni e dei ragionamenti conseguenti, ognuno potrà abbracciare la filosofia progettuale che preferisce e quindi adottare componenti e fare scelte personali coerenti, tenendo presente che l’obbiettivo è costruire un oggetto concepito sin dall’inizio per correre.

Nelle prossime puntate entreremo nel pratico identificando i componenti e le parti meccaniche più comunemente utilizzate nella costruzione dei robot delle due categorie esposte.

Per i più curiosi che vogliono vedere qualche altro Robot Line Follower: https://www.facebook.com/Artigianato-Robotico-1035968686433516/

 

::: Costruire un Robot Line Follower competitivo – Parte 2 :::

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