Abb. 11 · Robotik-Labor · Acht IR-Sensoren, die über die Zeit messen

Linienfolger QTR-8RC

Arduino Nano

Die Abbildung wird geladen …

Werkbank

Noch kein Messwert

Position der Linie (0-7000)

Noch kein Messwert

Stromaufnahme

0 mA

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes
Bis auf die nackte Platine zerlegen
Nimm jedes Bauteil von der roten Platine. Du baust sie so wieder auf, wie sie hergestellt wird: zuerst die SMD-Sensoren, Widerstände, Kondensatoren und den MOSFET, dann die Stiftleiste.
2
Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten
3
Die 11-polige Stiftleiste auf der Rückseite einsetzen
4
Die Stiftleiste löten
5
Die Leiste mit dem Nano verdrahten
6
Den TB6612FNG verdrahten
7
Die Motoren anschließen
8
Den LiPo an VM und GND anschließen
9
Die Testkarte unter die Leiste schieben
10
Die Werkbank mit Strom versorgen
11
„Rohe RC-Zeiten“ hochladen
12
„Position der Linie“ hochladen
13
„Der Linie folgen“ hochladen
14
Die Leiste aus 3,3 V versorgenKaputt machen
15
3.3V BYPASS an 5 V überbrückenKaputt machen
16
Eine kalte Lötstelle an OUT1 lassenKaputt machen
17
R9 weglassenKaputt machen
18
Die Werkbank in die Sonne stellenKaputt machen
19
Die Leiste 10 mm anhebenKaputt machen
20
Linken und rechten Motor vertauschenKaputt machen
21
Die Motoren aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen
22
Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Jeder Fehler ist einer, über den echte Bastler stolpern. Lös ihn aus, lies das Symptom an der Werkbank ab und beheb ihn dann.

Leiste an 3,3 V ohne den Bypass
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Jeder Sensor misst dunkel, weiße Karte eingeschlossen; die Position springt oder bleibt in der Mitte hängen.
Jeder LED-Strang besteht aus zwei LEDs mit etwa 1,2 V und 141 Ω. Aus 5 V bleiben 2,6 V für die Widerstände: etwa 18 mA. Aus 3,3 V nur 0,9 V: etwa 6 mA, ein Drittel des Lichts. Der Fototransistor bekommt so wenig IR zurück, dass selbst Weiß langsam abfällt, und nach einer Kalibrierung an 5 V zählt alles als Schwarz.
Lösung: Versorg VCC aus 5 V. Auf einem 3,3-V-Board überbrück die Pads 3.3V BYPASS, damit die LEDs ihren Strom zurückbekommen.
Bypass an 5 V überbrückt
Überstrom
Warum es passiert
Symptom: Die Sensoren 5 und 6 messen über weißer Karte Schwarz und bleiben dabei; die Platine zieht etwa 220 mA, und die LEDs werden warm.
Die Bypass-Pads schließen die beiden 47-Ω-Widerstände kurz, die sich alle Stränge teilen. An 5 V nimmt dann jeder Strang (5 - 2,4 V) / 47 Ω, etwa 55 mA, mehr als die 50 mA, für die die LEDs ausgelegt sind. Die LEDs sind in Paaren in Reihe, also wird beim Durchbrennen der einen ihr Partner mit dunkel.
Lösung: Entfern die Lötbrücke und ersetz die Sensoren des durchgebrannten Paars. Überbrück den Bypass nur an 3,3 V.
Kalte Lötstelle an OUT1
kalte Lötstelle
Warum es passiert
Symptom: Sensor 1 springt ab und zu auf 2500 (Schwarz), und die Position zuckt nach links.
Die RC-Messung braucht den Pin, um den Knoten zu laden und dann seinen Abfall zu beobachten. Über eine Lötstelle, die Kontakt macht und wieder verliert, sieht der Nano manchmal nichts zurückkommen und läuft bei 2500 ins Timeout: der Messwert eines Sensors über Schwarz.
Lösung: Erwärm die Lötstelle mit frischem Lot, bis es in einen glänzenden Kegel um den Pin fließt.
R9 fehlt
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Die Sensoren 3 und 4 messen über Weiß wie über Schwarz 2500; die Position neigt sich zu ihnen hin.
Die LEDs der Sensoren 3 und 4 liegen über R9 in Reihe. Ohne ihn gibt es keinen Strompfad, also leuchtet keine der beiden LEDs. Ein Sensor, der kein IR aussendet, bekommt keins zurück und misst Schwarz.
Lösung: Setz R9 (47 Ω) ein und löte ihn im Reflow-Ofen nach. Zwei Sensoren, die zusammen tot sind, bedeuten meist ihren gemeinsamen LED-Strang.
Sonnenlicht auf dem Boden
falsche Einstellung
Warum es passiert
Symptom: Jeder Sensor misst schnell, schwarzes Band eingeschlossen: Die Leiste findet die Linie nicht.
Sonnenlicht trägt viel mehr Infrarot als die LEDs. Es erreicht jeden Fototransistor, egal was darunter liegt, also fallen die Ausgänge überall schnell ab, und Schwarz sieht aus wie Weiß.
Lösung: Schatte die Leiste ab, oder miss zweimal, mit LEDs an und aus, und zieh ab (QTRReadMode::OnAndOff in QTRSensors).
Leiste 10 mm über dem Boden
falsche Einstellung
Warum es passiert
Symptom: Weiß misst etwa 780 µs statt 120, Schwarz läuft ins Timeout; die Position wandert, und der Roboter schlingert.
Das Licht der LED weitet sich auf dem Weg nach unten und zurück auf. Pololu hat über Weiß 120 µs bei 3 mm und 780 µs bei 10 mm gemessen: ein Sechstel des Lichts. Mit der niedrigen Einstellung kalibriert, sieht Weiß jetzt für jeden Sensor grau aus.
Lösung: Montier die Leiste 3 mm über dem Boden (der beste Abstand laut Pololu, höchstens 9,5 mm) und kalibriere in der Höhe, in der du fährst.
Linker und rechter Motor vertauscht
falsche Einstellung
Warum es passiert
Symptom: Der Roboter dreht von der Linie weg, verliert sie und dreht sich im Kreis.
Liegt die Linie links, bremst der Sketch das linke Rad. Aber dieses Rad sitzt jetzt rechts, also dreht der Roboter nach rechts, und die Linie wandert weiter nach links: Die Korrektur macht den Fehler größer.
Lösung: Tausch die Motorkabel zurück oder tausch PWMA und PWMB im Sketch.
Motoren an den 5 V des Nano
Brown-out
Warum es passiert
Symptom: Die Räder rucken, der Nano startet immer wieder neu, und die Kalibrierung wird nie fertig.
Ein TT-Motor nimmt im Lauf 200-300 mA und beim Anlaufen über 1 A. Über USB und die 500-mA-Sicherung des Nano zieht das die 5 V unter das, was der ATmega braucht, also setzt er sich zurück, die Motoren halten an, die Spannung erholt sich, und alles beginnt von vorn.
Lösung: Versorg VM aus dem LiPo. Halt Logik und Motoren an getrennten Versorgungen mit gemeinsamer Masse.

Die Werkbank im Überblick

bau die Leiste, lies die Linie, dann lenk

Der QTR-8RC ist eine rote Leiste von 75 mm mit acht Infrarot-Reflexsensoren in einer Reihe, 9,5 mm auseinander. Jeder Sensor ist eine IR-LED und ein Fototransistor nebeneinander, die auf den Boden 3 mm darunter blicken. Weiß reflektiert viel IR, schwarzes Klebeband fast nichts. Die RC-Version misst über die Zeit: Der Nano treibt jeden Ausgang auf HIGH, lässt los und zählt, wie lange die Leitung zum Abfallen braucht, etwa 120 µs über Weiß und über Schwarz länger als das Timeout der Bibliothek von 2500 µs. Aus acht solchen Zeiten wird eine Zahl von 0 bis 7000: wo die Linie unter der Leiste liegt. Bau die Leiste, verdrahte sie mit einem Nano, einem TB6612FNG und zwei Getriebemotoren, schieb eine Testkarte darunter und lass den Roboter zurück auf die Linie lenken. Dann mach sie kaputt: zu wenig Spannung, ein überbrückter Bypass, eine kalte Lötstelle, Sonnenlicht, die Leiste zu hoch, die Motoren vertauscht.

Quellen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 4.410 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Rohe RC-Zeiten

// QTR-8RC: acht RC-Sensoren, deren Zeit der Nano misst
#include <QTRSensors.h>

QTRSensors qtr;
const uint8_t SENSORS[8] = {A0, A1, A2, A3, A4, A5, 11, 12};   // OUT1-OUT8: Jeder Digitalpin kann einen RC-Ausgang messen
uint16_t values[8];

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  qtr.setTypeRC();
  qtr.setSensorPins(SENSORS, 8);
  qtr.setEmitterPin(2);          // LEDON: Die Bibliothek schaltet die IR-LEDs für jede Messung ein
  Serial.println("raw: OUT1-OUT8 in us, 2500 = timeout");
}

void loop() {
  qtr.read(values);              // acht Abfallzeiten in µs: etwa 120 über Weiß, 2500 (das Timeout) über Schwarz
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    if (i > 0) Serial.print(' ');
    Serial.print(values[i]);
  }
  Serial.println();
  delay(1000);
}

Übungsaufgaben

0/2 Aufgaben

Schreib den Code und führ dann die Prüfungen aus. Der Lauf nutzt eine virtuelle Uhr und eine geskriptete Umgebung, deshalb liefert derselbe Code immer dasselbe Ergebnis.

Zurück auf die Linie lenken

Arduino C++

Der Startcode liest die Linie, treibt aber beide Räder mit 150, egal was er sieht. Bring ihn zum Lenken: error = position - 3500, dann left = 150 + error / 20 und right = 150 - error / 20. Liegt die Linie unter Sensor 2, muss das linke Rad langsamer und das rechte schneller werden; unter Sensor 7 andersherum; mittig beide bei 150.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft 4,5 s lang
Noch nicht ausgeführtLiest die Linie mit readLineBlack()
Noch nicht ausgeführtSTBY (D9) ist HIGH: Der Treiber ist wach
Noch nicht ausgeführtMittig: das linke Rad (D5) bei etwa 150/255
Noch nicht ausgeführtMittig: das rechte Rad (D6) bei etwa 150/255
Noch nicht ausgeführtLinie unter Sensor 2: Das linke Rad wird langsamer
Noch nicht ausgeführtLinie unter Sensor 2: Das rechte Rad wird schneller
Noch nicht ausgeführtLinie unter Sensor 7: Das linke Rad wird schneller
Noch nicht ausgeführtLinie unter Sensor 7: Das rechte Rad wird langsamer
Noch nicht ausgeführtWieder mittig: zurück auf 150

Tipps

readLineBlack() gibt eine vorzeichenlose Zahl zurück; wandle sie vor dem Abziehen um: int error = (int)pos - 3500;
error / 20 ist dasselbe wie error x 0.05, nur ohne Gleitkomma: Das ist Kp.
motors() begrenzt jedes Rad schon mit constrain() auf 0-255.

Code für Zurück auf die Linie lenken

// Der Linie folgen: das Rad auf der Seite der Linie bremsen
#include <QTRSensors.h>

QTRSensors qtr;
const uint8_t SENSORS[8] = {A0, A1, A2, A3, A4, A5, 11, 12};   // OUT1-OUT8: Jeder Digitalpin kann einen RC-Ausgang messen
uint16_t values[8];
const int PWMA = 5, AIN1 = 7, AIN2 = 8, STBY = 9, BIN1 = 10, BIN2 = 4, PWMB = 6;
const int BASE = 150;

void motors(int left, int right) {   // beide Räder vorwärts, Drehzahl von 0 bis 255
  digitalWrite(AIN1, HIGH); digitalWrite(AIN2, LOW); analogWrite(PWMA, constrain(left, 0, 255));
  digitalWrite(BIN1, HIGH); digitalWrite(BIN2, LOW); analogWrite(PWMB, constrain(right, 0, 255));
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  qtr.setTypeRC();
  qtr.setSensorPins(SENSORS, 8);
  qtr.setEmitterPin(2);          // LEDON: Die Bibliothek schaltet die IR-LEDs für jede Messung ein
  for (int p = 4; p <= 10; p++) pinMode(p, OUTPUT);
  digitalWrite(STBY, HIGH);
  for (int i = 0; i < 100; i++) {   // führ die Leiste jetzt über das Band: Jeder Sensor lernt sein eigenes Weiß und Schwarz
    qtr.calibrate();
    delay(20);
  }
}

void loop() {
  uint16_t pos = qtr.readLineBlack(values);
  // berechne den Fehler aus pos und lenk damit, statt geradeaus zu fahren
  motors(BASE, BASE);
  delay(20);
}

Drehen, um die Linie zu finden

Arduino C++

In einer scharfen Kurve landet die Linie unter dem äußersten Sensor, und Lenken allein ist zu langsam. Liegt die Position unter 1000, dreh auf der Stelle nach links: linkes Rad rückwärts, rechtes vorwärts, beide mit 110. Über 6000 dreh nach rechts. Dazwischen lenk wie vorher.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft 4,3 s lang
Noch nicht ausgeführtLinie weit links: AIN1 (D7) ist LOW
Noch nicht ausgeführtLinie weit links: AIN2 (D8) ist HIGH, das linke Rad dreht rückwärts
Noch nicht ausgeführtLinie weit links: BIN1 (D10) ist HIGH, das rechte Rad vorwärts
Noch nicht ausgeführtMittig: das linke Rad wieder vorwärts
Noch nicht ausgeführtLinie weit rechts: BIN1 (D10) ist LOW
Noch nicht ausgeführtLinie weit rechts: BIN2 (D4) ist HIGH, das rechte Rad rückwärts
Noch nicht ausgeführtLinie weit rechts: das linke Rad vorwärts
Noch nicht ausgeführtDrehung nach links mit 110: Der Tastgrad des linken Rads liegt bei etwa 43 %
Noch nicht ausgeführtDrehung nach rechts mit 110: Der Tastgrad des rechten Rads liegt bei etwa 43 %

Tipps

wheel() nimmt eine Drehzahl mit Vorzeichen: Eine negative setzt IN1 auf LOW und IN2 auf HIGH, also dreht das Rad rückwärts.
if (pos < 1000) { motors(-110, 110); } else if (pos > 6000) { motors(110, -110); } else { ... }
Behalt im letzten Zweig die Lenkzeile aus der ersten Aufgabe.

Code für Drehen, um die Linie zu finden

// Auf der Stelle drehen, wenn die Linie unter einem Endsensor liegt
#include <QTRSensors.h>

void wheel(int in1, int in2, int pwm, int speed) {
  digitalWrite(in1, speed >= 0 ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(in2, speed >= 0 ? LOW : HIGH);
  analogWrite(pwm, constrain(abs(speed), 0, 255));
}

void motors(int left, int right) {
  wheel(AIN1, AIN2, PWMA, left);
  wheel(BIN1, BIN2, PWMB, right);
}

void loop() {
  uint16_t pos = qtr.readLineBlack(values);
  // füg die beiden Drehungen hinzu: unter 1000 nach links drehen, über 6000 nach rechts
  int turn = ((int)pos - 3500) / 20;
  motors(BASE + turn, BASE - turn);
  delay(20);
}

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Nimm jedes Bauteil von der roten Platine. Du baust sie so wieder auf, wie sie hergestellt wird: zuerst die SMD-Sensoren, Widerstände, Kondensatoren und den MOSFET, dann die Stiftleiste.

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die 11-polige Stiftleiste auf der Rückseite einsetzen

Die Stiftleiste löten

Die Leiste mit dem Nano verdrahten

Den TB6612FNG verdrahten

Die Motoren anschließen

Den LiPo an VM und GND anschließen

Die Testkarte unter die Leiste schieben

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Rohe RC-Zeiten“ hochladen

„Position der Linie“ hochladen

„Der Linie folgen“ hochladen

Die Leiste aus 3,3 V versorgenKaputt machen

3.3V BYPASS an 5 V überbrückenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an OUT1 lassenKaputt machen

R9 weglassenKaputt machen

Die Werkbank in die Sonne stellenKaputt machen

Die Leiste 10 mm anhebenKaputt machen

Linken und rechten Motor vertauschenKaputt machen

Die Motoren aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

Explosionsansicht

Die Werkbank im Überblick

bau die Leiste, lies die Linie, dann lenk

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 4.410 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Rohe RC-Zeiten

// QTR-8RC: acht RC-Sensoren, deren Zeit der Nano misst
#include <QTRSensors.h>

QTRSensors qtr;
const uint8_t SENSORS[8] = {A0, A1, A2, A3, A4, A5, 11, 12};   // OUT1-OUT8: Jeder Digitalpin kann einen RC-Ausgang messen
uint16_t values[8];

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  qtr.setTypeRC();
  qtr.setSensorPins(SENSORS, 8);
  qtr.setEmitterPin(2);          // LEDON: Die Bibliothek schaltet die IR-LEDs für jede Messung ein
  Serial.println("raw: OUT1-OUT8 in us, 2500 = timeout");
}

void loop() {
  qtr.read(values);              // acht Abfallzeiten in µs: etwa 120 über Weiß, 2500 (das Timeout) über Schwarz
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    if (i > 0) Serial.print(' ');
    Serial.print(values[i]);
  }
  Serial.println();
  delay(1000);
}

Drehen, um die Linie zu finden

Arduino C++

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft 4,3 s lang
Noch nicht ausgeführtLinie weit links: AIN1 (D7) ist LOW
Noch nicht ausgeführtLinie weit links: AIN2 (D8) ist HIGH, das linke Rad dreht rückwärts
Noch nicht ausgeführtLinie weit links: BIN1 (D10) ist HIGH, das rechte Rad vorwärts
Noch nicht ausgeführtMittig: das linke Rad wieder vorwärts
Noch nicht ausgeführtLinie weit rechts: BIN1 (D10) ist LOW
Noch nicht ausgeführtLinie weit rechts: BIN2 (D4) ist HIGH, das rechte Rad rückwärts
Noch nicht ausgeführtLinie weit rechts: das linke Rad vorwärts
Noch nicht ausgeführtDrehung nach links mit 110: Der Tastgrad des linken Rads liegt bei etwa 43 %
Noch nicht ausgeführtDrehung nach rechts mit 110: Der Tastgrad des rechten Rads liegt bei etwa 43 %

Tipps

wheel() nimmt eine Drehzahl mit Vorzeichen: Eine negative setzt IN1 auf LOW und IN2 auf HIGH, also dreht das Rad rückwärts.
if (pos < 1000) { motors(-110, 110); } else if (pos > 6000) { motors(110, -110); } else { ... }
Behalt im letzten Zweig die Lenkzeile aus der ersten Aufgabe.

Code für Drehen, um die Linie zu finden

// Auf der Stelle drehen, wenn die Linie unter einem Endsensor liegt
#include <QTRSensors.h>

void wheel(int in1, int in2, int pwm, int speed) {
  digitalWrite(in1, speed >= 0 ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(in2, speed >= 0 ? LOW : HIGH);
  analogWrite(pwm, constrain(abs(speed), 0, 255));
}

void motors(int left, int right) {
  wheel(AIN1, AIN2, PWMA, left);
  wheel(BIN1, BIN2, PWMB, right);
}

Linienfolger QTR-8RC

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die 11-polige Stiftleiste auf der Rückseite einsetzen

Die Stiftleiste löten

Die Leiste mit dem Nano verdrahten

Den TB6612FNG verdrahten

Die Motoren anschließen

Den LiPo an VM und GND anschließen

Die Testkarte unter die Leiste schieben

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Rohe RC-Zeiten“ hochladen

„Position der Linie“ hochladen

„Der Linie folgen“ hochladen

Die Leiste aus 3,3 V versorgenKaputt machen

3.3V BYPASS an 5 V überbrückenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an OUT1 lassenKaputt machen

R9 weglassenKaputt machen

Die Werkbank in die Sonne stellenKaputt machen

Die Leiste 10 mm anhebenKaputt machen

Linken und rechten Motor vertauschenKaputt machen

Die Motoren aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Leiste an 3,3 V ohne den Bypass

Bypass an 5 V überbrückt

Kalte Lötstelle an OUT1

R9 fehlt

Sonnenlicht auf dem Boden

Leiste 10 mm über dem Boden

Linker und rechter Motor vertauscht

Motoren an den 5 V des Nano

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die Stiftleiste löten

Nach: „Position der Linie“ hochladen

Nach: „Der Linie folgen“ hochladen

Nach: Die Motoren aus den 5 V des Nano versorgen

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen

Auf der Werkbank

Übungsaufgaben

Zurück auf die Linie lenken

Prüfungen

Drehen, um die Linie zu finden

Prüfungen

Linienfolger QTR-8RC

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die 11-polige Stiftleiste auf der Rückseite einsetzen

Die Stiftleiste löten

Die Leiste mit dem Nano verdrahten

Den TB6612FNG verdrahten

Die Motoren anschließen

Den LiPo an VM und GND anschließen

Die Testkarte unter die Leiste schieben

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Rohe RC-Zeiten“ hochladen

„Position der Linie“ hochladen

„Der Linie folgen“ hochladen

Die Leiste aus 3,3 V versorgenKaputt machen

3.3V BYPASS an 5 V überbrückenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an OUT1 lassenKaputt machen

R9 weglassenKaputt machen

Die Werkbank in die Sonne stellenKaputt machen

Die Leiste 10 mm anhebenKaputt machen

Linken und rechten Motor vertauschenKaputt machen

Die Motoren aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Leiste an 3,3 V ohne den Bypass

Bypass an 5 V überbrückt

Kalte Lötstelle an OUT1

R9 fehlt