Realizzare un piccolo veicolo in grado di muoversi autonomamente evitando gli ostacoli è uno dei progetti più appaganti nel mondo dell’elettronica amatoriale. È un perfetto trampolino di lancio per imparare a controllare motori, leggere sensori di distanza e strutturare un software reattivo. La seguente configurazione privilegia reperibilità, costo contenuto e semplicità di montaggio.
Cos'è Arduino e Perché Usarlo
Arduino è una piattaforma di prototipazione open-source a basso costo, realizzata sotto il marchio Arduino.cc. La storia di Arduino ha inizio nel 2005, ad Ivrea, dalle menti di Massimo Banzi, Tom Igoe, David Cuartielles, Gianluca Martino e David Mellis.
Inizialmente la scheda veniva costruita da società esterne al progetto originale, che acquistavano da Arduino la licenza ad utilizzare il marchio ufficiale e il blueprint, permettendo così ad Arduino di percepire delle royalties. La diffusione di Arduino è ad oggi planetaria, con milioni di schede vendute e decine di modelli disponibili a seconda delle esigenze dei makers.
Per saper usare con efficacia Arduino è utile conoscere delle basi di elettrotecnica che ci aiutano a creare dei circuiti ben bilanciati, riducendo i rischi di danneggiamento sia per i componenti che per la scheda; almeno per i progetti più semplici, per principianti, è sufficiente fare attenzione a non creare cortocircuiti o collegare direttamente alimentazione e massa a terra.
Componenti Essenziali per il Robot
Il Telaio e la Meccanica
Per la struttura del robot, ho scelto di utilizzare i mattoncini Lego Technic perché ne possiedo in quantità industriale e sono molto versatili. Questo permette una grande flessibilità nella costruzione e nella modifica del telaio.
I Motori DC e il Ponte H
Il motore DC (DC = direct current = corrente continua) è uno dei device più utilizzati con Arduino per mettere in rotazione oggetti come ruote, palette o ventole. Il funzionamento di un motore DC è basato sull’interazione tra alcune bobine percorse da corrente continua e un campo magnetico generato da un magnete permanente: quest’ultimo induce una forza elettromotrice nelle prime che iniziano a ruotare. Normalmente i motori DC miniaturizzati per scopo di modellismo sono in grado di ruotare a delle velocità intorno ai 10000 rpm.
Per controllare questi motori, il ponte H (eng: H-bridge) è un circuito integrato fondamentale che serve per controllare due motori tramite schede esterne, ad esempio Arduino. Il gearbox utilizzato contiene due motori indipendenti, e ognuno è collegato ad un canale diverso del SN754410 (o un simile driver come l'L298N) in maniera da non sovraccaricare il circuito integrato.
Il Sensore Ultrasuoni SRF05/HC-SR04
Il cuore della capacità di evitamento ostacoli del robot è il sensore ultrasuoni. Il sensore SRF05 ha due modalità di funzionamento: pin separati per trigger ed echo oppure un unico pin per entrambi. Questo sensore misura la distanza da un oggetto inviando un'onda sonora e calcolando il tempo che impiega per tornare indietro.
Alimentazione del Robot
Una seconda soluzione, che si è dimostrata più stabile dell’utilizzo delle batterie, è quella di alimentare il robot con una power bank (quelle usate per la ricarica dei cellulari vanno bene), la quale si può direttamente collegare alla porta USB di Arduino e fornisce la tensione giusta (5V).
La Breadboard: Il Cuore dei Collegamenti
Per poter utilizzare i componenti senza saldature occorre una breadboard, una piastra di materiale plastico su cui sono praticati dei fori dove vengono posizionati i pin dei componenti e dei cavi. I collegamenti elettrici vengono realizzati per contatto tra le parti metalliche dei pin e dell’interno della breadboard.
Ne esistono di svariate dimensioni e forme ma tutte hanno le stesse caratteristiche, la differenza sta nel numero effettivo di punti. È buona norma non utilizzare le breadboard per circuiti ad alta tensione o ad alta frequenza, nonché quelli caratterizzati da cablaggi complessi, per i quali sono più opportune le schede forate. È possibile che dopo molti utilizzi i contatti si logorino e la breadboard perda la sua funzionalità. Nel nostro progetto utilizzeremo due breadboard. Solitamente i collegamenti tra i vari componenti non richiedono saldature. Se la tensione che passa ai capi di un elemento è troppo alta occorre limitare la corrente con una resistenza.
Assemblaggio del Robot Evita Ostacoli
Costruzione del Telaio e dello Sterzo
Iniziamo la costruzione del robot evita ostacoli procedendo dall’assemblaggio del telaio e delle ruote come da istruzioni contenute nella confezione (qualsiasi kit ne è provvisto). A montaggio ultimato, il vostro telaio si presenterà come quello desiderato.
Il secondo passo (nonché uno dei più complicati per me) è stata la costruzione dello sterzo con i pezzi che avevo a disposizione e l’innesto del servo comando con gli ingranaggi Lego. Questo garantisce la manovrabilità necessaria al robot.
Assemblaggio del Circuito Elettrico
Continuiamo cominciando ad assemblare il circuito elettrico. Una posizione ottimale per posizionare i componenti sul telaio è cruciale per la stabilità e la funzionalità. Il primo passo è la creazione della pista GND sulla breadboard e il posizionamento del ponte H sulla stessa. Si procede poi alla messa a terra dello stesso. Dopodiché si collega alla pista 5V, creata su un’altra fila della breadboard (possibilmente dalla parte opposta alla GND), del ponte H.
Mappatura dei Pin (Arduino Uno e L298N)
Di seguito una mappa chiara dei pin pensata per Arduino Uno e driver L298N, essenziale per un corretto cablaggio:
| Componente | Pin (L298N) | Pin (Arduino Uno) | Funzione |
|---|---|---|---|
| Motore 1 | OUT1, OUT2 | Controllo direzione e velocità motore sinistro | |
| Motore 2 | OUT3, OUT4 | Controllo direzione e velocità motore destro | |
| Abilitazione Motore 1 | ENA | PWM Pin (es. 9) | Controllo velocità (PWM) |
| Abilitazione Motore 2 | ENB | PWM Pin (es. 10) | Controllo velocità (PWM) |
| Input Motore 1 | IN1, IN2 | Digital Pin (es. 7, 6) | Direzione motore 1 |
| Input Motore 2 | IN3, IN4 | Digital Pin (es. 5, 4) | Direzione motore 2 |
| Alimentazione Logica | +5V | 5V (Arduino) | Alimentazione circuiti interni L298N |
| Alimentazione Motori | +12V (o batteria) | Alimentazione potenza motori | |
| Massa | GND | GND (Arduino) | Massa comune |
Collegamento dei Motori e del Ponte H
Si collegano poi i motori, tenendo a mente lo schema elettrico del ponte H.
Integrazione del Sensore Ultrasuoni
Il collegamento del sensore ultrasuoni richiede l’utilizzo di entrambe le breadboard: montiamo il sensore sulla seconda ma colleghiamo VCC e GND dello stesso alle piste della prima breadboard. Gli altri due pin del sensore, ECHO e TRIG, vanno montati come indicato negli schemi di collegamento.
Aggiunta dei LED (Opzionale)
Colleghiamo ora uno dei led, aggiunti per completezza, che si accenderà quando la macchina non ha ostacoli davanti. Entrambi i led che verranno montati sono facoltativi e facilmente escludibili dal progetto. Il led rosso, che sarà montato sulla seconda breadboard, si collega esattamente come il verde, scegliendo il pin su Arduino.
Sensore Ultrasuoni HC-SR04 con Arduino – Come funziona, collegamento e test completo
La Programmazione: Il Cervello del Robot
I vari componenti collegati tra loro e con la scheda Arduino non possono eseguire nessuna operazione se questa non viene prima programmata. Si rimanda a guide specifiche per le principali funzioni che si utilizzano nella scrittura di programmi (chiamati sketch). È consigliato leggere attentamente queste guide se non si è mai programmata una scheda Arduino e non si conoscono quindi le funzioni principalmente utilizzate.
Logica di Evitamento Ostacoli
La strategia base è semplice ma efficace: il sistema misura la distanza frontale; se è libera, procede. Quando rileva un ostacolo entro una soglia (qui impostata pari a 30 cm), si ferma, ruota il sensore a sinistra e a destra per “guardare” e calcola la direzione più libera; quindi esegue una rotazione in loco e riprende l’avanzamento. Si procede utilizzando le istruzioni condizionali per differenziare il comportamento del robot: se la distanza dall’ostacolo è minore di un valore prefissato, si dovrà far girare la macchina. L’operazione di sterzatura viene implementata andando ad attivare le ruote con una direzione l’una opposta all’altra. Si calcola poi la distanza come mostrato negli esercizi sul sensore ultrasuoni.
Struttura dello Sketch
Lo sketch implementa la logica descritta, con un controllo semplice dei motori via L298N, gestione del servo e lettura del sensore ultrasuoni. Nella prima parte definiamo tutte le variabili che si riferiscono ai pin cui sono collegati i componenti: i due led, le due direzioni per i motori, il sensore ultrasuoni. Si definiscono anche le due variabili che ci consentiranno di calcolare la distanza: duration e distance. Nella seconda parte scriviamo il setup(), dichiarando tutti i pin come OUTPUT ad eccezione del pin echo, che sarà un pin di input.
Nello sketch saranno presenti funzioni come:
- distanza(): il cui compito è rilevare la distanza tra il sensore e gli oggetti che si pongono davanti.
- avanti(): che accetta come valore la velocità a cui vuoi procedere.
- sterza(): che accetta come valore in INPUT i gradi a cui muovere il servo partendo dalla posizione iniziale.
Miglioramenti e Considerazioni Avanzate
Debug e Calibrazione
Prima di chiudere il telaio, testa ogni sottosistema. Verifica il senso di rotazione dei motori: se il veicolo va indietro quando dovrebbe avanzare, scambia IN1/IN2 o IN3/IN4 o inverti la polarità del motore. Allinea il servo in posizione centrale (90°) prima di montare il supporto per il sensore. Infine, ricordati di calibrare le temporizzazioni di rotazione: il delay di 350 ms per girare può variare in base al tipo di motori, batterie e superficie di contatto.
Sensori Avanzati e Controllo del Movimento
Per una maggiore precisione, gli encoder sulle ruote consentono di mantenere velocità simmetriche e rotazioni più precise. Puoi leggere gli impulsi su interrupt e usare un PID per correggere i PWM. I ToF (Time-of-Flight) come VL53L0X o piccoli LiDAR offrono misure più consistenti di fronte a superfici assorbenti. Applica mediana o media pesata esponenziale alle misure per attenuare gli outlier. Un filtro complementare che combini ToF e ultrasuoni aumenta la robustezza in scenari complessi.
Architettura del Firmware e Gestione dell'Alimentazione
Organizza il firmware secondo una macchina a stati chiari: Avanza, Scansione, Ruota, Libera-incastro, Diagnostica. Su microcontrollori a risorse limitate è possibile implementare una piccola griglia di occupazione in RAM (per esempio 16×16 celle) e una pianificazione locale (bug algorithm o potential fields) per attraversare corridoi o uscire da vicoli ciechi. Usa uno step-down 5 V dedicato per servo e logica sensori, separando le correnti dei motori. Aggiungi condensatori vicino ai driver, twist dei cavi motori, e cura il GND comune per limitare il rumore. Con ESP32 o un modulo seriale-BLE puoi inviare log (distanze, stato, velocità) a uno smartphone e aggiornare parametri in tempo reale.
Questo progetto offre un equilibrio ideale tra semplicità e potenzialità di crescita. Una volta ottenuto un comportamento affidabile nella versione base, puoi introdurre encoder, sensori ToF, un’architettura a stati e un controllo ad anello chiuso per trasformarlo in una piattaforma mobile capace di missioni più complesse. Pronto a costruire il tuo prototipo? Prepara i componenti, monta il telaio e carica lo sketch: se ti è stato utile, condividi i tuoi risultati e racconta quali upgrade vuoi implementare. Hai bisogno di supporto per adattare il codice o scegliere i sensori?