8. hafta / 14

Ara sınav

Araçlar: 1. ile 7. haftaları kapsar

Neye hazırlanmalı

Algılama, eyleyiciler, kontrol ve kinematik konularını tekrar etmek
Kısa türetmeler ve kod okuma alıştırmaları yapmak

Sınav rehberi

Ara sınav 1. ile 7. haftaları kapsar. Kısa kavramsal sorular, küçük hesaplamalar ve kod okuma sorularından oluşan bir karışım bekleyin.

Tekrar edilecek konular

Algıla, düşün, uygula döngüsü ve robot bileşenleri
Arduino yürütme modeli, millis() ile zamanlama, durum makineleri
Sensör dönüşümleri (ultrasonik mesafe, ADC'den gerilime, enkoder tiklerinden mesafeye)
Hareketli ortalama, EMA ve 1B Kalman güncellemesi
PWM görev döngüsü ve ortalama gerilim, H köprüsü yönleri, servo darbeleri
P, I ve D'nin etkisi; integral doyumu; basamak yanıtı okuma
Diferansiyel sürüş ileri ve ters kinematiği, ICR, odometri kayması
İki uzuvlu FK ve IK, çalışma alanı, tekillikler (ek okuma)
Kesmeler, zamanlayıcılar, I²C / SPI / UART temelleri

Örnek soru tipleri

Bir HC-SR04 yankısı 1750 µs sürüyor. Engel ne kadar uzakta?
L = 0,2 m olan bir robotta v_L = 0,3 m/s ve v_R = 0,5 m/s'dir. v, ω ve R'yi bulun.
Verilen bir basamak yanıtı grafiğine göre hangi kazancı değiştireceğinizi ve nedenini söyleyin.
Kontrol döngüsünde delay() kullanan kısa bir Arduino programındaki hatayı bulun.

Dönem projesi önerisi

Bu hafta dönem projesi önerisi de teslim edilir. İki sayfalık öneride şunlar olmalı: seçilen proje kolu, takım, test edilebilir kabul ölçütleri biçiminde gereksinimler, ilk mimari taslağı (durum makinesi ya da ROS 2 grafiği), simülatör (Webots ya da Gazebo) ve 14. haftaya kadar haftalık plan.

Çözümlü örnekler

Tam çözümleriyle üç tipik ara sınav sorusu. Her formülü yazın, birimleriyle yerine koyun ve yalnızca en sonda yuvarlayın.

Soru 1: algılama ve filtreleme

Bir HC-SR04 yankısı 2915 µs sürüyor. Önceki mesafe tahmini 46,0 cm. (a) Ham mesafeyi hesaplayın. (b) α = 0,3 ile bir EMA güncelleyin. (c) P = 4, Q = 1, R = 4 (cm²) ile bir 1B Kalman filtresini güncelleyin ve karşılaştırın.

d = 0.0343 · 2915 / 2 = 49.99 ≈ 50.0 cm

EMA: y = 46.0 + 0.3 × (50.0 − 46.0) = 47.2 cm

P⁻ = 4 + 1 = 5 K = 5 / (5 + 4) = 0.556 x = 46.0 + 0.556 × 4.0 = 48.2 cm P = (1 − 0.556) × 5 = 2.22

Kalman filtresi ölçüme daha fazla yaklaşır (0,3'e karşı 0,556 kazanç), çünkü önsel tahmini (P⁻ = 5) sensöre (R = 4) göre belirsizdir. Puan en sık (a) şıkkında 2'ye bölmeyi unutmaktan kaybedilir.

Soru 2: hız komutundan PWM'e

Bir robotta L = 0,18 m ve tekerlek yarıçapı r = 0,03 m. Planlayıcı v = 0,3 m/s ve ω = 0,5 rad/s istiyor. Her motor PWM 255'te 300 dev/dk'ya ulaşıyor ve hız PWM ile doğrusal. Tekerlek hızlarını, PWM değerlerini, dönüş yarıçapını ve çeyrek çember süresini bulun.

v_R = 0.3 + 0.5 × 0.09 = 0.345 m/s v_L = 0.3 − 0.045 = 0.255 m/s

ω_R = 0.345 / 0.03 = 11.5 rad/s = 109.8 rpm ω_L = 8.5 rad/s = 81.2 rpm

PWM_R = 255 × 109.8 / 300 ≈ 93 PWM_L = 255 × 81.2 / 300 ≈ 69

Dönüş yarıçapı R = v / ω = 0,6 m'dir ve çeyrek çember (π/2) / 0,5 = 3,14 s sürer. Tipik hatalar: ters kinematikte L/2 yerine L kullanmak ve rad/s ile dev/dk arasındaki 60 / 2π çarpanını unutmak.

Soru 3: PID adımı ve kod okuma

Bir PID'de K_p = 2, K_i = 0,5, K_d = 0,1 ve Δt = 0,02 s varsayılıyor. İntegral 4,0 tutuyor, önceki hata 12 ve yeni hata 10. (a) u'yu hesaplayın. (b) Döngüde delay(100) var. Ne ters gider?

I = 4.0 + 10 × 0.02 = 4.2 D = (10 − 12) / 0.02 = −100

u = 2 × 10 + 0.5 × 4.2 + 0.1 × (−100) = 20 + 2.1 − 10 = 12.1

(b) Döngü gerçekte yaklaşık her 0,1 s'de bir, kodun varsaydığından beş kat yavaş çalışır. Bu yüzden integral beş kat yavaş büyür ve türev beş kat büyük çıkar; ayarlanmış kazançlar artık ayar sırasındaki anlamlarını taşımaz. Çözüm: döngüyü millis() ile sabit 20 ms'de zamanlayın ya da gerçek Δt'yi ölçüp onu kullanın ve delay()'i kaldırın.

Tekrar simülasyonları

Sensör gürültüsü ve filtreleme

30 Hz örneklenen gürültülü bir mesafe sensörü. Hareketli ortalamayı, üstel hareketli ortalamayı (EMA) ve tek boyutlu Kalman filtresini gerçek mesafeyle karşılaştır.

PID basamak yanıtı

Sürtünmeli bir ray üzerinde araba. Hedef değer her 5 saniyede 0 ile 1 arasında değişir. Yalnız P ile başla, aşımı sönümlemek için D ekle, sonra bozucu kuvvet ver ve kalıcı durum hatasını I ile gider.

Diferansiyel sürüş kinematiği

Tekerlek hızlarını ayarla ve robotun anlık dönme merkezi (ADM, ICR) etrafında dönüşünü izle. Kesikli robot odometri tahminidir: tekerlekleri kusursuz sayar, oysa gerçek tekerleklerde küçük bir yarıçap hatası vardır.

Sık yapılan hatalar

Ultrasonik yankı süresini ikiye bölmeyi unutmak (ses gidip geri döner).
dev/dk ile rad/s'yi karıştırmak; çarpan 2π / 60'tır.
(v, ω) değerini tekerlek hızlarına çevirirken L/2 yerine L kullanmak.
Formül radyan isterken hesap makinesini derece modunda bırakmak ya da tersi.
Nihai cevapları birimsiz vermek veya ara değerleri o kadar erken yuvarlamak ki son basamak yanlış çıkar.
Öneride 'robot iyi gider' gibi ölçülemeyen kabul kriterleri yazmak.

Yazılım mühendisliği bağlantısı

Ara sınav haftası aynı zamanda dönem projesinin gereksinim kilometre taşıdır. Endüstride proje başarısızlıklarının çoğu burada belirlenir: belirsiz gereksinimler tahmin edilemez, inşa edilemez ve test edilemez.

Gereksinimleri MoSCoW ile önceliklendirin (must, should, could, won't: olmalı, olsa iyi olur, olabilir, olmayacak). 14. haftadaki demo "olmalı" maddelerine göre notlanır.
Her gereksinime bir kimlik (R1, R2, ...) ve bir doğrulama yöntemi verin: test, gösterim, inceleme veya analiz.
Her iş kalemini tahmin edin, tahminleri toplayın ve kalan altı haftayla dürüstçe karşılaştırın. "Olabilir" maddelerini 13. haftada değil, şimdi kesin.

Dönem projesi uygulaması: önerinizde her "olmalı" gereksinimini ölçülebilir bir kabul kriteri olarak yazın, örneğin "R3: Webots'ta araç, 10 denemenin 9'unda dur levhasının 0,5 m yakınında durur; test_stop_sign.py testiyle doğrulanır", ve deponuzda her gereksinim için bir issue açın.

Kendini sına

Bir HC-SR04 yankı darbesi 2332 µs sürüyor. Engel ne kadar uzaktadır?
Bir servo 1,0 ms'yi 0°'ye, 2,0 ms'yi 180°'ye eşliyor. Hangi darbe genişliği 45° verir?
Bir 1B Kalman güncellemesinde tahmin edilen varyans P⁻ = 6 ve ölçüm varyansı R = 2. K nedir?
L = 0,2 m olan bir robotta v_L = −0,2 m/s ve v_R = 0,2 m/s. Hangi hareket ortaya çıkar?

Bu hafta dönem projesinde

Otonom kara aracı: Öneri ve gereksinimler. İki sayfalık öneri: test edilebilir kabul ölçütleri, ilk mimari (durum makinesi ya da ROS 2 grafiği), risk listesi, haftalık plan. Depo açıldı, CI ilk testi çalıştırıyor.
Otonom drone görevi: Öneri ve gereksinimler. İki sayfalık öneri: test edilebilir kabul ölçütleri, ilk mimari (durum makinesi ya da ROS 2 grafiği), risk listesi, haftalık plan. Depo açıldı, CI ilk testi çalıştırıyor.
Görsel kılavuzlu robot kol: Öneri ve gereksinimler. İki sayfalık öneri: test edilebilir kabul ölçütleri, ilk mimari (durum makinesi ya da ROS 2 grafiği), risk listesi, haftalık plan. Depo açıldı, CI ilk testi çalıştırıyor.