Show page

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- pm:prj2025:vradulescu:mihnea.stamatie [2025/05/18 21:51]
mihnea.stamatie [Introducere]
+++ pm:prj2025:vradulescu:mihnea.stamatie [2025/05/23 17:02] (current)
mihnea.stamatie [Concluzii]
@@ Line 28: / Line 28: @@
 ===== Descriere generală =====
-<note tip>
+{{:pm:prj2025:vradulescu:svgviewer-png-output.png?800|}}
-O schemă bloc cu toate modulele proiectului vostru, atât software cât şi hardware însoţită de o descriere a acestora precum şi a modului în care interacţionează.
-Exemplu de schemă bloc: http://www.robs-projects.com/mp3proj/newplayer.html
+** Arduino UNO **
-</note>
+Descriere: Microcontroler bazat pe ATmega328P care servește ca unitate centrală de procesare.
+Interacțiune: Primește date de la senzorii IR prin conexiuni GPIO (D2-D4, D7, D12), procesează informația și transmite comenzi de direcție prin GPIO (D8-D11) și viteză prin PWM (D5, D6) către driverul de motor. Comunică cu PC-ul prin UART (D0, D1) pentru debugging. Primește alimentare de 5V de la driverul L298N.
+** Driver Motor L298N **
+Descriere: Driver dual H-bridge pentru controlul independent al celor două motoare DC.
+Interacțiune: Primește semnale de control logic (IN1-IN4) și PWM (ENA, ENB) de la Arduino pentru a controla direcția și viteza motoarelor. Furnizează tensiune de 5V către Arduino și transformă semnalele logice în curenți de putere pentru motoare prin ieșirile OUT1-OUT4. Este alimentat cu 12V de la baterii.
+** Matrice IR cu 5 Canale **
+Descriere: Set de 5 senzori infraroșu pentru detectarea liniei negre pe fundal deschis.
+Interacțiune: Trimite semnale digitale către Arduino (OUT1-OUT5) indicând poziția liniei față de robot. Primește alimentare de 5V de la Arduino.
+** Motoare DC (2) **
+Descriere: Motoare de curent continuu pentru propulsia robotului.
+Interacțiune: Primesc semnale de alimentare și control de la driverul L298N prin ieșirile OUT1-OUT4, transformând semnalele electrice în mișcare mecanică. Sunt echipate cu chedere lipite pe roți pentru aderență îmbunătățită.
+Baterii 2x9V
+Descriere: Sursă de alimentare pentru întregul sistem, oferind autonomie extinsă.
+Interacțiune: Furnizează 12V către driverul L298N pentru alimentarea motoarelor și 5V pentru circuitele logice.
+** PC **
+Descriere: Computer utilizat pentru debugging și monitorizare.
+Interacțiune: Comunică cu Arduino prin conexiune UART (serial) pentru a primi date de diagnostic și a trimite comenzi de test.
+** Șasiu Imprimat 3D **
+Descriere: Structură fizică a robotului realizată prin imprimare 3D.
+Interacțiune: Integrează toate modulele electronic într-un design compact și robust, permițând poziționarea optimă a senzorilor IR față de suprafață.
+Sistemul funcționează în buclă închisă: senzorii IR detectează poziția liniei, Arduino procesează aceste date și calculează corecțiile necesare, apoi trimite comenzi către driverul motor pentru a ajusta direcția și viteza robotului, menținându-l astfel pe traseul dorit.
+{{:pm:prj2025:vradulescu:img_0668.jpg?800|}}
 ===== Design Hardware =====
@@ Line 118: / Line 149: @@
 ===== Software Design =====
+==== 1. Motivarea alegerii bibliotecilor folosite ====
-<note tip>
+Pentru acest proiect am optat pentru o abordare minimalistă, folosind doar **Arduino.h** ca bibliotecă principală. Această alegere a fost motivată de:
-Descrierea codului aplicaţiei (firmware):
-  * mediu de dezvoltare (if any) (e.g. AVR Studio, CodeVisionAVR)
-  * librării şi surse 3rd-party (e.g. Procyon AVRlib)
-  * algoritmi şi structuri pe care plănuiţi să le implementaţi
-  * (etapa 3) surse şi funcţii implementate
-</note>
-===== Rezultate Obţinute =====
+  * **Simplicitate și performanță**: Evitarea dependențelor externe reduce overhead-ul și îmbunătățește timpul de răspuns al sistemului
+  * **Control direct asupra hardware-ului**: Accesul direct la funcțiile Arduino oferă control precis asupra pin-ilor digitali și PWM
+  * **Stabilitate**: Cod mai puțin predispus la erori cauzate de conflicte între biblioteci
+  * **Optimizare pentru microcontrolere**: Codul este optimizat pentru resursele limitate ale Arduino-ului
-<note tip>
+==== 2. Elementul de noutate al proiectului ====
-Care au fost rezultatele obţinute în urma realizării proiectului vostru.
-</note>
-===== Concluzii =====
+Principalul element inovator al proiectului constă în **implementarea unui filtru low-pass pe eroarea PID**:
-===== Download =====
+<code>
+error = error * 0.4 + input * 0.6;
+</code>
-<note warning>
+Această abordare oferă:
-O arhivă (sau mai multe dacă este cazul) cu fişierele obţinute în urma realizării proiectului: surse, scheme, etc. Un fişier README, un ChangeLog, un script de compilare şi copiere automată pe uC crează întotdeauna o impresie bună ;-).
+  * **Reducerea zgomotului**: Filtrarea fluctuațiilor bruște ale senzorilor
+  * **Stabilitate îmbunătățită**: Mișcări mai line ale robotului
+  * **Adaptabilitate**: Posibilitatea de fine-tuning prin modificarea coeficienților (0.4/0.6)
-Fişierele se încarcă pe wiki folosind facilitatea **Add Images or other files**. Namespace-ul în care se încarcă fişierele este de tipul **:pm:prj20??:c?** sau **:pm:prj20??:c?:nume_student** (dacă este cazul). **Exemplu:** Dumitru Alin, 331CC -> **:pm:prj2009:cc:dumitru_alin**.
+Un alt aspect inovator este **sistemul de detectare a cazurilor speciale** pentru diferite configurații ale senzorilor, cu tratare separată pentru intersecții și pierderea liniei.
-</note>
-===== Jurnal =====
+==== 3. Justificarea utilizării funcționalităților din laborator ====
-<note tip>
+Funcționalitățile implementate sunt direct derivate din conceptele de laborator:
-Puteți avea și o secțiune de jurnal în care să poată urmări asistentul de proiect progresul proiectului.
-</note>
-===== Bibliografie/Resurse =====
+=== Control PID ===
+  * **Proporțional (KP=17.00)**: Corecție bazată pe eroarea curentă
+  * **Derivativ (KD=600.00)**: Anticiparea schimbărilor pentru stabilitate
+  * **Integral (KI=0.00)**: Dezactivat pentru evitarea oscilațiilor în acest caz specific
+=== Controlul motoarelor ===
+  * **PWM pentru viteza**: Utilizarea analogWrite pentru control precis
+  * **Control direcțional**: Utilizarea pin-ilor digitali pentru forward/backward
+  * **Maparea valorilor**: Conversie din procentaj (-100 la 100) în valori PWM (0-255)
+=== Senzoristica digitală ===
+  * **Array de 5 senzori**: Configurație standard pentru detectarea precisă a liniei
+  * **Logică inversată**: ''!digitalRead()'' pentru adaptarea la tipul de senzor utilizat
+==== 4. Scheletul proiectului și interacțiunea dintre funcționalități ====
+=== Arhitectura sistemului: ===
+  ┌─────────────────┐    ┌──────────────┐    ┌─────────────────┐
+  │  Senzori Linie  │───▶│ Algoritm PID │───▶│   Motoare DC    │
+  │   (5 senzori)   │    │              │    │ (Stânga/Dreapta)│
+  └─────────────────┘    └──────────────┘    └─────────────────┘
+=== Fluxul de execuție: ===
+  - **Inițializare (setup())**:
+    * Configurarea pin-ilor pentru motoare și senzori
+    * Setarea orientării motoarelor
+    * Inițializarea comunicației seriale
+  - **Bucla principală (loop())**:
+    * Citirea valorilor de la senzori
+    * Calculul erorii de poziție
+    * Aplicarea algoritmului PID
+    * Ajustarea vitezei motoarelor
+=== Validarea funcționalităților: ===
+  * **Testarea senzorilor**: Funcția ''SerialLineAnalyzer()'' permite monitorizarea în timp real
+  * **Calibrarea PID**: Constante ajustabile pentru fine-tuning
+  * **Debugging**: Output serial pentru verificarea valorilor
+==== 5. Mediul de dezvoltare utilizat ====
+Pentru acest proiect am utilizat **CLion IDE** în combinație cu **PlatformIO**, o alegere motivată de următoarele avantaje:
+=== CLion IDE: ===
+  * **IntelliSense avansat**: Autocompletare inteligentă și detecția erorilor în timp real
+  * **Debugging integrat**: Posibilitatea de debug pas cu pas pentru identificarea problemelor
+  * **Refactoring tools**: Restructurarea facilă a codului pentru optimizare
+  * **Git integration**: Control versiuni integrat pentru managementul modificărilor
+=== PlatformIO: ===
+  * **Managementul dependențelor**: Gestionarea automată a bibliotecilor și framework-urilor
+  * **Suport multi-platformă**: Compatibilitate cu diverse tipuri de microcontrolere
+  * **Build system optimizat**: Compilare rapidă și eficientă
+  * **Library manager**: Acces facil la biblioteca vastă de componente Arduino
+=== Configurarea proiectului: ===
+<code ini>
+; platformio.ini
+[env:uno]
+platform = atmelavr
+board = uno
+framework = arduino
+monitor_speed = 9600
+</code>
+Această combinație oferă:
+  * **Productivitate crescută**: Mediu profesional de dezvoltare
+  * **Debugging eficient**: Identificarea rapidă a problemelor
+  * **Managementul dependencies**: Evitarea conflictelor de versiuni
+  * **Scalabilitate**: Posibilitatea de extindere pentru proiecte mai complexe
+==== 6. Calibrarea elementelor de senzoristica ====
+=== Strategia de calibrare implementată: ===
+  - **Maparea pozițiilor**: Fiecare combinație de senzori este mapată la o valoare specifică:
+    * Centru (00100): valoare 0
+    * Stânga extremă (10000): valoare -6
+    * Dreapta extremă (00001): valoare +6
+  - **Modificatorul nearLineModifier (0.50)**:
+    * Reduce sensibilitatea pentru pozițiile apropiate de centru
+    * Evită corecțiile bruște pentru deviații mici
+  - **Tratarea cazurilor speciale**:
+    * **Intersecții** (11111, 01110): Păstrarea ultimei valori valide
+    * **Curbe strânse** (11100, 00111): Valori extreme pentru rotire rapidă
+=== Procesul de calibrare: ===
+<code cpp>
+// Testare individuală a senzorilor
+lineSensorModule.SerialLineAnalyzer("every sensor");
+// Monitorizare completă
+lineSensorModule.SerialLineAnalyzer("all");
+</code>
+==== 7. Optimizări implementate ====
+=== 7.1 Filtrul Low-Pass pe eroare ===
+  * **Unde**: În funcția ''PID()''
+  * **De ce**: Reducerea zgomotului de la senzori
+  * **Cum**: ''error = error * 0.4 + input * 0.6;''
+=== 7.2 Limitarea integratorului ===
+  * **Unde**: ''errorInt = constrain(error + errorInt, -20, 20);''
+  * **De ce**: Prevenirea wind-up-ului integratorului
+  * **Cum**: Limitarea valorii cumulate între -20 și 20
+=== 7.3 Optimizarea structurilor ===
+  * **Unde**: Structurile ''motor'' și ''lineSensor''
+  * **De ce**: Organizarea logică a codului și reutilizarea
+  * **Cum**: Encapsularea funcționalităților în metode specifice
+=== 7.4 Maparea eficientă a puterii ===
+  * **Unde**: Metoda ''setPower()'' din structura motor
+  * **De ce**: Conversie directă din procente în valori PWM
+  * **Cum**: Utilizarea funcției ''map()'' și ''constrain()''
+=== 7.5 Detecția inteligentă a lipsei liniei ===
+  * **Unde**: Metoda ''noDetection()''
+  * **De ce**: Păstrarea comportamentului predictibil când linia se pierde
+  * **Cum**: Returnarea ultimei valori valide în loc de 0
+==== Concluzii ====
+Proiectul implementează un sistem robust de urmărire a liniei cu:
+  * **Control PID optimizat** cu filtru low-pass
+  * **Senzoristica redundantă** cu 5 senzori
+  * **Gestionarea cazurilor speciale** pentru intersecții și curbe
+  * **Arhitectură modulară** pentru ușurința în dezvoltare și debug
+Rezultatul este un robot stabil și predictibil, capabil să urmărească trasee complexe cu precizie ridicată.
+<code cpp>
+#include <Arduino.h>
+double error;
+double lastError;
+double errorDiff;
+double errorInt;
+#define KP 17.00
+#define KD 600.00
+#define KI 0.00
+#define baseSpeed 40.00
+#define nearLineModifier 0.50
+struct motor {
+    int motorControllerForwardPIN{};
+    int motorControllerBackwardPIN{};
+    int motorControllerSpeedPIN{};
+    int internalPower{};
+    int mappedPower{};
+    bool internalOrientation = false;
+    void setOrientation(const bool orientation) {
+        internalOrientation = orientation;
+    }
+    void setPins(const int forwardPIN, const int backwardPIN, const int speedPWMPIN) {
+        motorControllerForwardPIN = forwardPIN;
+        motorControllerBackwardPIN = backwardPIN;
+        motorControllerSpeedPIN = speedPWMPIN;
+        pinMode(motorControllerForwardPIN, OUTPUT);
+        pinMode(motorControllerBackwardPIN, OUTPUT);
+        pinMode(motorControllerSpeedPIN, OUTPUT);
+    }
+    void setPower(int power) {
+        power = constrain(power, -100, 100);
+        mappedPower = power;
+        if (internalOrientation)
+            power *= -1;
+        internalPower = static_cast<int>(map(abs(power), 0, 100, 0, 255));
+        if (power < 0) {
+            digitalWrite(motorControllerForwardPIN, LOW);
+            digitalWrite(motorControllerBackwardPIN, HIGH);
+        } else {
+            digitalWrite(motorControllerBackwardPIN, LOW);
+            digitalWrite(motorControllerForwardPIN, HIGH);
+        }
+        analogWrite(motorControllerSpeedPIN, internalPower);
+    }
+};
+motor Right;
+motor Left;
+struct lineSensor {
+    bool leftValue = false;
+    bool leftCenterValue = false;
+    bool centerValue = false;
+    bool rightCenterValue = false;
+    bool rightValue = false;
+    double globalLineValue = 0;
+    String lineOutput;
+    int lastGlobalLineValue = 0;
+    int leftSensorPIN = 0;
+    int leftCenterSensorPIN = 0;
+    int centerSensorPIN = 0;
+    int rightCenterSensorPIN = 0;
+    int rightSensorPIN = 0;
+    void setPins(const int left, const int leftCenter, const int center, const int rightCenter, const int right) {
+        leftSensorPIN = left;
+        leftCenterSensorPIN = leftCenter;
+        centerSensorPIN = center;
+        rightCenterSensorPIN = rightCenter;
+        rightSensorPIN = right;
+        pinMode(leftSensorPIN, INPUT);
+        pinMode(leftCenterSensorPIN, INPUT);
+        pinMode(centerSensorPIN, INPUT);
+        pinMode(rightCenterSensorPIN, INPUT);
+        pinMode(rightSensorPIN, INPUT);
+    }
+    void LineValueAnalyzer() {
+        if (!noDetection())
+            lastGlobalLineValue = static_cast<int>(globalLineValue);
+        leftValue = !digitalRead(leftSensorPIN);
+        leftCenterValue = !digitalRead(leftCenterSensorPIN);
+        centerValue = !digitalRead(centerSensorPIN);
+        rightCenterValue = !digitalRead(rightCenterSensorPIN);
+        rightValue = !digitalRead(rightSensorPIN);
+        lineOutput = leftValue + static_cast<String>(leftCenterValue) + static_cast<String>(centerValue) + static_cast<
+                         String>(rightCenterValue) + static_cast<String>(rightValue);
+        if (lineOutput == "10000") {
+            globalLineValue = -6; // -5
+        } else if (lineOutput == "11000") {
+            globalLineValue = -5; // -3
+        } else if (lineOutput == "01000") {
+            globalLineValue = -2 * nearLineModifier;
+        } else if (lineOutput == "01100") {
+            globalLineValue = -1 * nearLineModifier;
+        } else if (lineOutput == "00100") {
+            globalLineValue = 0;
+        } else if (lineOutput == "00110") {
+            globalLineValue = 1 * nearLineModifier;
+        } else if (lineOutput == "00010") {
+            globalLineValue = 2 * nearLineModifier;
+        } else if (lineOutput == "00011") {
+            globalLineValue = 5; // 3
+        } else if (lineOutput == "00001") {
+            globalLineValue = 6; // 5
+        } else if (lineOutput == "11100" || lineOutput == "11110" || lineOutput == "10100" || lineOutput == "10010") {
+            globalLineValue = -6;
+        } else if (lineOutput == "00111" || lineOutput == "01111" || lineOutput == "00101" || lineOutput == "01001") {
+            globalLineValue = 6;
+        } else if (lineOutput == "11111" || lineOutput == "01110" || lineOutput == "01010") {
+            globalLineValue = lastGlobalLineValue;
+        }
+    }
+    bool noDetection() {
+        leftValue = digitalRead(leftSensorPIN);
+        leftCenterValue = digitalRead(leftCenterSensorPIN);
+        centerValue = digitalRead(centerSensorPIN);
+        rightCenterValue = digitalRead(rightCenterSensorPIN);
+        rightValue = digitalRead(rightSensorPIN);
+        if (leftValue == 1 && leftCenterValue == 1 && centerValue == 1 && rightCenterValue == 1 && rightValue == 1)
+            return true;
+        return false;
+    }
+    int returnLineValue() {
+        if (noDetection()) {
+            Serial.println(lastGlobalLineValue);
+            return lastGlobalLineValue;
+        }
+        Serial.println(globalLineValue);
+        return static_cast<int>(globalLineValue);
+    }
+    void SerialLineAnalyzer(const String &command) {
+        LineValueAnalyzer();
+        if (command == "every sensor") {
+            Serial.print(leftValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(leftCenterValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(centerValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(rightCenterValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(rightValue);
+            Serial.print("\n");
+        }
+        if (command == "all") {
+            Serial.print(leftValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(leftCenterValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(centerValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(rightCenterValue);
+            Serial.print(" ");
+            Serial.print(rightValue);
+            Serial.print("       ");
+            Serial.print(globalLineValue);
+            Serial.print(" ");
+        }
+        if (command == "value") {
+            Serial.print(globalLineValue);
+            Serial.print("\n");
+        }
+    }
+};
+lineSensor lineSensorModule;
+void setup() {
+    Serial.begin(9600);
+    Right.setOrientation(false);
+    Left.setOrientation(true);
+    Right.setPins(4, 5, 3);
+    Left.setPins(7, 8, 6);
+    lineSensorModule.setPins(9, 10, 11, 12, 13);
+}
+double output;
+double PID(int input) {
+    error = error * 0.4 + input * 0.6;
+    errorDiff = error - lastError;
+    errorInt = constrain(error + errorInt, -20, 20);
+    output = KP * error + KD * errorDiff + KI * errorInt;
+    lastError = error;
+    return output;
+}
+void loop() {
+    lineSensorModule.LineValueAnalyzer();
+    Left.setPower(baseSpeed - PID(lineSensorModule.returnLineValue()));
+    Right.setPower(baseSpeed + PID(lineSensorModule.returnLineValue()));
+}
+</code>
+===== Download =====
+{{:pm:prj2025:vradulescu:linefollower.zip|}}
+===== Rezultate Obţinute =====
-<note>
+{{:pm:prj2025:vradulescu:linefollower.gif?800|}}
-Listă cu documente, datasheet-uri, resurse Internet folosite, eventual grupate pe **Resurse Software** şi **Resurse Hardware**.
-</note>
-<html><a class="media mediafile mf_pdf" href="?do=export_pdf">Export to PDF</a></html>
+  * Robotul urmărește linia neagră pe fundal alb
+  * La intersecții, utilizează ultima valoare validă pentru a continua
+  * Viteza de bază este 40% din capacitatea maximă pentru stabilitate
+  * Corecțiile PID sunt vizibile prin mișcările de ajustare ale robotului