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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.

Da das Infrarottlicht an hellen bzw. dunklen Flächen unterschiedlich reflektiert, können die Sensoren zwischen einer dunklen und hellen Unterlage unterscheiden und geben einen digitalen Wert 0 (dunkel) oder 1 (hell) zurück.

Der mbRobot verfügt über 2 Infrarotsensoren (irLeft, irRight). Man findet sie auf der unteren Seite des Boards. Der Maqueen Plus V2 verfügt über 5 Infrarotsensoren (irL1, irL2, irL3, irR1, irR2, irM), der Maqueen Plus sogar über 6 Infrarotsensoren (irL1, irL2, irL3, irR1, irR2, irL3, irR3), wobei irLeft = irL1 und irRight = irR1. Damit können alle nachfolgende Programme für alle Modelle verwendet werden.

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 *
#from mbrobot_plus import *

repeat:
   v = irLeft.read_digital()
   if v == 0:
      rightArc(0.1)
   else: 
      leftArc(0.1)
   delay(100)

► In Zwischenablage kopieren

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 *
#from mbrobot_plus 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)

► In Zwischenablage kopieren

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 derInfrarotsensoren 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 *
#from mbrobot_plus 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)
        
repeat:
    vR = irRight.read_digital()
    vL = irLeft.read_digital()
    if vL == 1 and vR == 1:
        left()
        delay(500)
    else:    
        keepOnTrack()
    delay(100)

► In Zwischenablage kopieren

Der Maquen Plus verfügt über sechs Infrarotsensoren. Ihre Bezeichnung siehst du unten auf dem Chassis. Die Werte 0 (dunkel) bzw. 1 (hell) geben sie zurück mit den Befehlen:
irLeft.read_digital() bzw. irL1.read_digital()
irRight.read_digital() bzw. irR1.read_digital()
irL2.read_digital()
irR2.read_digital()
irL3.read_digital()
irR3.read_digital()

Beispiel 4: Infrarot- und Ultraschallsensoren gleichzeitig verwenden
(nur Realmodus)

Ein Roboter fährt mit Hilfe der beiden Infrarotsensoren auf den schwarzen Weg. Wenn er näher als 20 cm vor sich ein Hindernis "sieht", kehrt er um und fährt zurück. Du kannst auch zwei Roboter gegeneinander fahren lassen. Wenn dein Programm korrekt ist, sollten sie nicht zusammenstossen.

Programm:

from mbrobot import *

setSpeed(30)
repeat:
    vR = irRight.read_digital()
    vL = irLeft.read_digital() 
    d = getDistance()
    if d < 20:
        stop()
        left()
        delay(1500)
        stop()
    else:
        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) 
        elif vL == 1 and vR == 1:
            backward()        
    delay(100)

► In Zwischenablage kopieren

Die Sensorwerte werden alle 100 Millisekunden in der gleichen repeat-Schleife abgefragt. Der Programmblock nach else entspricht dem Programmcode im Beispiel 2.

MERKE DIR...

Mit den Inrarotsensoren 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.

Es können mehrere verschiedene Sensoren gleichzeitig verwendet werden.

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 fünf 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.

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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
        ...