Un robot suiveur de ligne fonctionne en mesurant la quantité de lumière renvoyée par le sol sous lui, en déterminant si chaque capteur se trouve au-dessus de la ligne sombre ou de la surface claire, puis en corrigeant sa trajectoire pour garder la ligne centrée. La physique, c'est la réflectance. Le code, c'est une petite boucle d'asservissement qui tourne quelques centaines de fois par seconde. Réussissez les deux et le robot épouse une courbe serrée ; ratez le réglage et il part en zigzag dans un pied de table. Ce guide explique le fonctionnement, les deux méthodes de pilotage courantes, et pourquoi le réglage est la partie qui enseigne réellement l'ingénierie.

Comment le capteur lit la ligne

L'élément central est un capteur de réflectance infrarouge. Il associe une minuscule LED infrarouge à un phototransistor qui mesure la part de cette lumière qui revient. Une ligne sombre absorbe l'essentiel de l'infrarouge : il en revient donc très peu. Un sol clair en réfléchit la majeure partie : il en revient beaucoup. Le capteur se place à quelques millimètres du sol et renvoie une valeur analogique, lue en général sous forme de nombre issu d'un convertisseur analogique-numérique (CAN).

La plupart des robots pour débutants utilisent deux capteurs ou plus, côte à côte, de part et d'autre de la ligne. Quand la ligne dérive sous le capteur de gauche, la mesure de gauche chute. Quand elle dérive à droite, c'est la mesure de droite qui chute. Cet écart constitue toute la base du pilotage. Deux réalités pratiques comptent ici : la hauteur du capteur modifie la mesure, et la lumière ambiante s'y invite. Un robot testé sous les néons d'une salle de classe peut se comporter autrement à côté d'une fenêtre ensoleillée, d'où l'étape de calibration qui suit.

Transformer une mesure en décision

Une valeur brute du CAN n'a aucune utilité en soi, car elle varie avec la surface, l'éclairage et même une batterie qui faiblit. La solution, c'est le seuillage. Vous balayez lentement les capteurs au-dessus de la ligne puis du sol, vous notez les valeurs les plus basses et les plus hautes, et vous fixez le seuil à mi-chemin. Tout ce qui est en dessous du seuil est considéré comme sur la ligne, tout ce qui est au-dessus comme sur le sol, ou l'inverse selon votre câblage.

Cette étape de calibration n'est pas facultative. Faites-la sur la piste réelle, dans la salle réelle, à chaque changement de lieu. Du ruban adhésif d'électricien noir mat sur un sol clair donne un contraste net ; un ruban brillant ou un carrelage sombre donne un contraste faible. Dix minutes de calibration épargnent une heure de débogage confus par la suite.

Deux façons de piloter : tout ou rien et proportionnel

La commande la plus simple est le tout ou rien, dite aussi commande on-off. La logique se lit ainsi : si le capteur de gauche voit la ligne, tourner à gauche ; si le capteur de droite voit la ligne, tourner à droite ; sinon, aller tout droit. C'est facile à écrire et facile à comprendre, mais le pilotage se fait par à-coups brutaux. Le robot zigzague sur une ligne droite et doit avancer au pas pour tenir les courbes, parce qu'il sait seulement s'il est sur la ligne ou non, jamais de combien il s'en écarte.

La commande proportionnelle corrige cela en exploitant les mesures analogiques plutôt qu'un oui ou non. Vous calculez une erreur, par exemple error = left - right, et vous faites varier l'intensité du virage en proportion : turn = Kp * error. Une petite erreur produit une correction douce ; une grande erreur, une correction forte. Un seul nombre, Kp, le gain proportionnel, décide de l'agressivité de la réponse du robot. C'est le premier vrai avant-goût de l'automatique, et cela suffit à faire glisser un robot sur une piste que le tout ou rien lui ferait traverser en cahotant. Ajouter les termes I et D pour obtenir une boucle PID complète est la suite naturelle une fois le proportionnel bien maîtrisé.

Le réglage, voilà la vraie leçon

Le code ci-dessus est court. Presque tout l'apprentissage réside dans son réglage, et c'est une qualité, pas une corvée. Le réglage, c'est le moment où les élèves rencontrent la méthode de l'ingénieur : changer une variable, tester, observer, recommencer. Procédez dans cet ordre :

• Calibrez sur la piste réelle et sous l'éclairage réel avant de toucher à quoi que ce soit d'autre.
• Fixez une vitesse de base assez lente pour pouvoir observer le robot et le rattraper à la main.
• Commencez avec un Kp faible et augmentez-le jusqu'à ce que le robot suive la ligne au lieu de s'en écarter.
• S'il se met à osciller, à louvoyer d'un côté à l'autre, baissez un peu Kp ou réduisez la vitesse de base.
• Testez sur la courbe la plus serrée de la piste, pas sur la ligne droite facile. La ligne droite vous ment.

Tenez un carnet et ne changez qu'une chose à la fois. Un élève qui note qu'un gain élevé a fait louvoyer le robot apprend davantage que celui qui tripote des nombres au hasard jusqu'à ce que ça marche par chance.

Pannes courantes et méthode de dépannage

La plupart des problèmes de suiveur de ligne se rangent dans une poignée de schémas. Rapprochez le symptôme de la cause probable avant de réécrire la moindre ligne de code :

• Le robot ignore complètement la ligne : le seuil est faux, les capteurs sont montés trop haut, ou la batterie est assez faible pour affaiblir les LED.
• Zigzags violents : Kp ou la vitesse de base est trop élevé. Réduisez l'un après l'autre.
• Il part en vrille dans les virages serrés : trop rapide, ou les deux capteurs sont trop rapprochés pour repérer le virage assez tôt.
• Il dérive d'un côté en ligne droite : les deux moteurs ne sont pas parfaitement appairés. Ajoutez un petit décalage fixe d'un côté.
• Ça marche le matin et plus après le déjeuner : la lumière du soleil a modifié les mesures. Recalibrez pour le nouvel éclairage.
• Tous les capteurs donnent presque la même valeur : vérifiez le câblage et les numéros de broches, et assurez-vous que le ruban est mat, pas brillant.

L'essayer en classe

Un suiveur de ligne est l'un des meilleurs premiers projets de robotique, parce que toute la boucle, percevoir puis décider puis agir, se voit en un seul passage sur le sol. Le montage rover sur la carte sheenbot∞ donne aux élèves les capteurs de réflectance et la commande moteur nécessaires sur une seule carte, et des kits complets sont disponibles sur le store. Si vous préférez que cela soit enseigné, l'academy du Cap propose des cours hebdomadaires et des ateliers de vacances où le suivi de ligne est un montage récurrent.

À retenir

La détection de réflectance indique au robot où se trouve la ligne, le seuillage transforme cela en une décision claire, et la commande proportionnelle transforme la décision en un pilotage fluide. Le code est court à dessein. La vraie compétence, c'est le réglage patient, un changement à la fois, qui amène un robot hésitant à tenir une courbe, et cette compétence se transpose à presque tous les autres projets. Pour d'autres comptes rendus de montage, voyez le newsroom de sheen.bot.

Questions fréquentes

Combien de capteurs faut-il à un suiveur de ligne ?

Deux suffisent pour piloter, car le pilotage a seulement besoin de savoir si la ligne a dérivé à gauche ou à droite. Ajouter des capteurs, cinq est courant, permet au robot d'évaluer plus précisément l'ampleur de l'écart et de négocier des virages plus serrés, ce qui rend la commande proportionnelle plus douce.

Pourquoi mon robot suit-il la ligne dans une salle et pas dans une autre ?

La lumière ambiante et la couleur du sol modifient la quantité d'infrarouge renvoyée : le seuil calibré dans une salle est donc faux dans une autre. Recalibrez sur la nouvelle surface et sous le nouvel éclairage à chaque déplacement du robot.

La commande proportionnelle, est-ce la même chose que le PID ?

Le proportionnel est le P du PID et c'est le premier terme, le plus important. Le PID ajoute un terme intégral pour annuler une dérive permanente et un terme dérivé pour amortir le dépassement. La plupart des projets d'adolescents fonctionnent très bien avec le seul proportionnel, puis ajoutent les deux autres en amélioration.