Linienfolger-Roboter mit PID-Regelung & Android-App (MIT App Inventor)

Komponenten und Zubehör

Software & Apps

• Arduino IDE
• MIT App Inventor 2 (App-Entwicklung per Blocks-Editor)

Projektziel

Bau eines Linienfolger-Roboters mit PID-Regelung für präzises, schnelles Spuren. Ein Android-App (via Bluetooth) ermöglicht Live-Tuning der PID-Parameter (Kp, Ki, Kd) sowie manuelle Steuerung – ideal für Wettbewerbe und Lernzwecke. Dies ist Teil 1; Teil 2 wird ein Labyrinth-Löser mit KI.

Schritt-für-Schritt Aufbau

1. Motoren (Continuous Rotation Servos)

• Beide Servos (SM-S4303R) Rücken an Rücken verkleben (3M Command Strip / Doppelklebeband) → fester Block
• Pulsweiten-Steuerung (µs):
  • 1500 µs = Stopp (Neutral)
  • 1000 µs = Vollgas Richtung A
  • 2000 µs = Vollgas Richtung B
  • Dazwischen = proportional
• Da Servos gespiegelt montiert sind:
  • Rechts: Vorwärts = 1500 → 2000 µs
  • Links: Vorwärts = 1500 → 1000 µs
• Anschlüsse: Rechts → Pin 3, Links → Pin 5
• Externe 5 V/6 V für Servos (gemeinsames GND mit Arduino!)
• Nullpunkt-Abgleich: Potentiometer am Servo (gelbe Schraube) drehen bis Stillstand bei 1500 µs. Falls kein Poti: Software-Offset anpassen.

Test-Code (Nullpunkt)

#include <Servo.h>
Servo leftServo, rightServo;
void setup() {
  leftServo.attach(5);
  rightServo.attach(3);
  leftServo.writeMicroseconds(1500);
  rightServo.writeMicroseconds(1500);
}
void loop() {}

2. Chassis-Montage

• Servo-Block auf untere Holzplatte (3M Strip)
• Obere Platte mit 3 Binderclips auf Abstand befestigen (Höhe variabel)
• Kugelrad per Binderclip hinten befestigen
• Servo-Akku (5 V) zwischen Platten platzieren
• Arduino Nano auf Breadboard stecken
• Breadboard-GND mit Servo-Strom-GND verbinden
• LED an Pin 13 (Status), Taster an Pin 9 (Start/Stopp)

3. Bluetooth HC-06 (Optional)

• HC-06 TX → Arduino Pin 10 (SoftwareSerial RX)
• HC-06 RX → Arduino Pin 11 (SoftwareSerial TX) – Spannungsteiler 1k/2k Ω!
• VCC/GND an Arduino 5 V/GND
• Bibliothek: SoftwareSerial
• Roboter funktioniert auch ohne BT (Default-Parameter)

4. Liniensensoren (5× TCRT5000)

• 4-Kanal-Modul + 1 Einzelsensor → 5 Sensoren gesamt
• Abstand so wählen, dass 2 benachbarte Sensoren die Linienbreite gleichzeitig abdecken
• Beschriftung: Sensor 0 (links) → Sensor 4 (rechts)
• Anschlüsse: S0=Pin12, S1=Pin18(A4), S2=Pin17(A3), S3=Pin16(A2), S4=Pin19(A5)
• Potentiometer am Modul justieren: Schwarz = HIGH, Hell = LOW
• 2. Akku-Set (5 V) an Arduino Vin

IR-Sensor-Logik & Fehlerberechnung

Digitale Ausgabe: HIGH (1) = schwarze Linie, LOW (0) = heller Untergrund.

Mögliche Sensor-Muster (5 Bit) und zugewiesener Fehlerwert:

Arduino-Implementierung

const int lineFollowSensor[5] = {12, 18, 17, 16, 19};
int LFSensor[5] = {0,0,0,0,0};
int error = 0;

void readLFSsensors() {
  for (int i=0; i<5; i++) LFSensor[i] = digitalRead(lineFollowSensor[i]);
  
  if      (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==0 && LFSensor[2]==0 && LFSensor[3]==0 && LFSensor[4]==1) error = 4;
  else if (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==0 && LFSensor[2]==0 && LFSensor[3]==1 && LFSensor[4]==1) error = 3;
  else if (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==0 && LFSensor[2]==0 && LFSensor[3]==1 && LFSensor[4]==0) error = 2;
  else if (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==0 && LFSensor[2]==1 && LFSensor[3]==1 && LFSensor[4]==0) error = 1;
  else if (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==0 && LFSensor[2]==1 && LFSensor[3]==0 && LFSensor[4]==0) error = 0;
  else if (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==1 && LFSensor[2]==1 && LFSensor[3]==0 && LFSensor[4]==0) error = -1;
  else if (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==1 && LFSensor[2]==0 && LFSensor[3]==0 && LFSensor[4]==0) error = -2;
  else if (LFSensor[0]==1 && LFSensor[1]==1 && LFSensor[2]==0 && LFSensor[3]==0 && LFSensor[4]==0) error = -3;
  else if (LFSensor[0]==1 && LFSensor[1]==0 && LFSensor[2]==0 && LFSensor[3]==0 && LFSensor[4]==0) error = -4;
  else if (LFSensor[0]==1 && LFSensor[1]==1 && LFSensor[2]==1 && LFSensor[3]==1 && LFSensor[4]==1) mode = STOPPED;
  else if (LFSensor[0]==0 && LFSensor[1]==0 && LFSensor[2]==0 && LFSensor[3]==0 && LFSensor[4]==0) mode = NO_LINE;
}

Regelung: P → PID

Proportional (P) – Basis

Basisgeschwindigkeit iniMotorPower = 250 (µs-Offset von 1500).

rightServo.writeMicroseconds(1500 + iniMotorPower - Kp * error);
leftServo.writeMicroseconds(1500 - iniMotorPower - Kp * error);

• Fehler > 0 (Roboter links von Linie) → Rechter Motor langsamer, Linker schneller → Kurve rechts
• Fehler < 0 → Umgekehrt
• Kp = 50 funktioniert gut als Startwert

Voll-PID (Optional, für bessere Performance)

float Kp = 50, Ki = 0, Kd = 0;
float P, I, D, PIDvalue, previousError = 0;

void calculatePID() {
  P = error;
  I = I + error;           // Integral: Summe vergangener Fehler
  D = error - previousError; // Differenzial: Fehleränderung
  PIDvalue = (Kp * P) + (Ki * I) + (Kd * D);
  previousError = error;
}

void motorPIDcontrol() {
  int leftMotorSpeed  = 1500 - iniMotorPower - PIDvalue;
  int rightMotorSpeed = 1500 + iniMotorPower - PIDvalue;
  leftServo.writeMicroseconds(leftMotorSpeed);
  rightServo.writeMicroseconds(rightMotorSpeed);
}

PID-Tuning (Manuell / Try-Error)

1. Kd = 0, Ki = 0. Kp erhöhen bis Roboter der Linie folgt, aber nicht oszilliert (~25–50).
2. Kd hinzufügen: Start mit Kp/2, Kd/2 (z. B. 25/25). Kd erhöht → weniger Überschwingen. Zu hoch → Instabilität.
3. Ki meist 0 bei kleinen Robotern (kein stationärer Fehler, kompliziert Tuning).
4. Loop-Rate (Delay in loop()) beeinflusst Reglerverhalten stark – mit anpassen.

Hauptprogramm (Loop)

#define STOPPED 0
#define FOLLOWING_LINE 1
#define NO_LINE 2

int mode = STOPPED;
int buttonPin = 9;
int iniMotorPower = 250;

void loop() {
  readLFSsensors();
  
  switch (mode) {
    case STOPPED:
      motorStop();
      break;
    case NO_LINE:
      motorStop();
      motorTurn(LEFT, 180);  // 180° Wende
      break;
    case FOLLOWING_LINE:
      calculatePID();
      motorPIDcontrol();
      break;
  }
}

Android-App für PID-Tuning (MIT App Inventor 2)

App-Funktionen

• Manuelle Steuerung: f,b,l,r,s → Vorwärts, Rückwärts, Links, Rechts, Stopp
• PID-Slider senden: p/XXX, i/XXX, d/XXX (XXX = 0–100)
• Start-Button g → Modus FOLLOWING_LINE
• Hardware-Button (Pin 9) parallel nutzbar

Arduino-Seite: BT-Kommando-Verarbeitung

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial bt(10, 11);  // RX, TX
String command = "";

void checkBTcmd() {
  while (bt.available()) {
    char c = bt.read();
    if (c == '\n') break;
    command += c;
  }
}

void manualCmd() {
  switch (command[0]) {
    case 'g': mode = FOLLOWING_LINE; break;
    case 's': motorStop(); break;
    case 'f': motorForward(); break;
    case 'r': motorTurn(RIGHT, 30); motorStop(); break;
    case 'l': motorTurn(LEFT, 30); motorStop(); break;
    case 'b': motorBackward(); break;
    case 'p': Kp = command.substring(2).toFloat(); break;
    case 'i': Ki = command.substring(2).toFloat(); break;
    case 'd': Kd = command.substring(2).toFloat(); break;
  }
}

void checkPIDvalues() {
  // Optional: PID-Werte auf LCD anzeigen
}

void setup() {
  // ... (Pin-Modes, Servo-Attach, BT.begin(9600))
  while (digitalRead(buttonPin) && !mode) {
    checkBTcmd();
    manualCmd();
    command = "";
  }
  checkPIDvalues();
  mode = STOPPED;
}

App-Dateien

• LineFollower.aia – App Inventor Projekt (bearbeitbar)
• LineFollower.apk – Direkt installierbar auf Android

Fazit & Ausblick

Teil 1 abgeschlossen: Funktionierender Linienfolger mit PID, Bluetooth-Tuning, Zustandsautomat (Stopp, Linie verloren, Folgen). Nächster Schritt: Maze Solver – Roboter erkundet Labyrinth mit einfacher KI (Rechtshänder-Regel, Dead-End-Memory).

Updates & weitere Tutorials: GitHub Repo | MJRoBot.org Blog

Grüße vom Südrand der Welt! – Marcelo

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