P4 SmartCar FollowLine

Este proyecto describe el desarrollo de un coche seguidor de línea equipado con sensores infrarrojos y comunicación MQTT mediante un ESP32. El Arduino controla los motores y lee los sensores, mientras que el ESP32 recibe la información por puerto serie y la retransmite a un servidor MQTT para monitoreo remoto.

Componentes Utilizados

  • Sensores infrarrojos: Detectan la línea mediante valores analógicos.
  • Motores de corriente continua (DC): Controlados mediante señales analógicas PWM para ajustar velocidad y dirección.
  • ESP32: Encargado de la comunicación WiFi y MQTT.
  • Arduino UNO: Procesa los datos de los sensores y controla los motores.
  • LED RGB: Proporciona retroalimentación visual sobre el estado del sistema.
  • Sensor ultrasónico (HC-SR04): Detecta obstáculos en el camino.

Detección de Línea con Sensores Infrarrojos

Los sensores infrarrojos detectan la intensidad de luz reflejada, proporcionando un valor analógico. Este valor se compara con un umbral predefinido para determinar si el sensor está sobre la línea o fuera de ella.

Configuración de Sensores:

  • Left: A2
  • Mid: A1
  • Right: A0

Se define un umbral (VALUE_LINE) que determina si el valor leído está dentro del rango esperado para la línea. Este valor puede ajustarse experimentalmente según el entorno de operación.

Control de Motores

El sistema utiliza un control proporcional-derivativo (PD) para ajustar la velocidad de los motores en función del error calculado.

Errores y Corrección:

  • El error se basa en la diferencia entre los sensores laterales (izquierda y derecha).
  • Fórmula del error: error = (valor_derecha - valor_izquierda).
  • Se aplica una corrección proporcional definida en los parametros KP y KD.

Control de Velocidad: La velocidad de los motores se ajusta usando analogWrite para generar señales PWM, permitiendo un control suave y preciso. Por ejemplo:

left_speed = base_speed + (KP * error + KD * (error - last_error));
right_speed = base_speed - (KP * error + KD * (error - last_error));

Gestión de Obstáculos

Un sensor ultrasónico detecta obstáculos y detiene el coche si la distancia detectada es inferior a un umbral seguro. Además, se envían mensajes de estado al ESP32, que posteriormente los retransmite al servidor MQTT.

Ejemplo de Código:

if (ultraSound->getDistance() < 12 && ultraSound->getDistance() > 1) {
    analogWrite(PIN_Motor_PWMA, 0);
    analogWrite(PIN_Motor_PWMB, 0);

Comunicación entre Arduino y ESP32

La comunicación entre el Arduino y el ESP32 se realiza mediante el puerto serie. El Arduino envía información en formato JSON al ESP32, que posteriormente la envía a un servidor MQTT.

Proceso de Comunicación:

  1. Arduino:
    • Envía mensajes JSON como:
      • {"line": 1} para pérdida de línea.
      • {"obst": distancia} para obstáculos.
  2. ESP32:
    • Recibe los mensajes del Arduino por el puerto serie.
    • Los retransmite al servidor MQTT mediante el protocolo de publicación y suscripción. 
         mqttClient.beginMessage(topic);        mqttClient.beginMessage(topic);
   mqttClient.print(get_json("\"START_LAP\"", -1, -1, -1.00));
   mqttClient.endMessage();
   mqttClient.print(get_json("\"START_LAP\"", -1, -1, -1.00));
   mqttClient.endMessage();
  3. Servidor MQTT:
    • Procesa los datos para monitoreo y control remoto.

Indicadores LED RGB

Los LEDs RGB proporcionan retroalimentación visual en tiempo real:

  • Verde: Sobre la línea.
  • Rojo: Fuera de la línea.

Especificaciones del código

En este proyecto, no se ha utilizado FreeRTOS por varias razones. A pesar de que el Arduino UNO es compatible con este sistema operativo, el proyecto no requiere un manejo complejo de múltiples tareas concurrentes. La funcionalidad principal del coche seguidor de línea (lectura de sensores, control de motores, y comunicación MQTT) se puede gestionar de manera eficiente utilizando un único hilo de ejecución en el Arduino y en el ESP32. Si que tenemos tareas con prioridades especificas como el hecho de asegurarnos de publicar cada 4s un ping, pero el hecho de que incorporar FreeRTOS conlleva una perdida de un 20-30% del computo hace que no sea tan prescindible. Creemos que con un buen PD, o cualquier controlador optimo para el sistema, hará que las vueltas sean las más rápidas.

  • Arduino:
    • El código de control de motores y sensores se ejecuta en un bucle principal sin necesidad de un sistema operativo en tiempo real.
    • El procesamiento de los valores de los sensores y el ajuste de la velocidad de los motores se realiza en condiciones dentro del bucle principal, lo cual es suficiente para garantizar un control preciso y oportuno.
    • Se usa dos condicionantes principales que marcan si estás dentro de la linea o, totalmente perdido. Sinónimo de In Line o Search Line.
    • El sensor ultrasónico tiene un thread asociado que se llama cada 12ms, que realiza una toma de medición, accediendo a el mediante ultraSound->getDistance().
    • El ping está incorporado dentro de un thread llamado cada 4000ms.
    • El código esta totalmente pensado para si detecta un obstáculo pararse y mandar todo lo relacionado con END_LAP, pero si quitamos el obstáculo se vuelve a hacer otra vuelta nueva.
  • ESP32:
    • La comunicación entre el Arduino y el ESP32 se maneja mediante el puerto serie y para ello no se requiere la complejidad de FreeRTOS.
    • El ESP32 utiliza su capacidad WiFi para enviar los datos a un servidor MQTT, gestionando de manera eficiente la conexión y retransmisión de mensajes.

Video

Conclusión

Este sistema combina detección de líneas mediante sensores infrarrojos, control PD para precisión en el movimiento y comunicación MQTT para supervisión remota. La integración entre Arduino y ESP32 garantiza un sistema eficiente y escalable para futuras mejoras. El sistema es adaptable y permite la incorporación de nuevas funciones como seguimiento de múltiples rutas, reconocimiento de patrones y control por voz.