Мягкие края и концевики: программные ограничители углов, защита механики

Выдвижную полку стола с паяльным хозяйством я перевёл на серво осенью: SG90 на кронштейне, зубчатая тяга, скетч на десять строк — write(0), полка закрыта, write(170), открыта. Месяц всё работало идеально, а потом полка начала доезжать с металлическим щелчком, который я поначалу записал в фичи. Щелчком был рог, бьющийся о механический упор на полной скорости — по три-четыре раза в день, пятьдесят градусов хода с разгоном. Через две недели люфт качалки стал заметен пальцем: нейлоновые шестерни SG90 не прощают таких приездов, и это была самая дорогая экономия десяти строк кода в моей практике.

Масштаб разрушения тут такой: удар о стопор — это не трение, а инерция рычага, которая бьёт по зубьям в момент, когда двигатель уже остановлен границей. MG996R с металлическим редуктором такие встречи переживёт, но ему жалко уже не шестерни, а качалку и винт крепления. Дешевле всего проблема закрывается не железом, а двумя числами в скетче: не ездить до механического края вовсе, а останавливаться в паре градусов до него и подъезжать к этой границе замедляясь. Так у меня появились мягкие края — программные ограничители, о которых дальше вся речь.

Базу для этого урока я закладывал в двух местах: что делает команда за границу и почему constrain режет её молча — в уроке про упоры и constrain, а пошаговый ход по миллис, на котором тут всё ездит, — в уроке про шаг по градусу. Здесь надстраиваю следующий этаж: границы живут не в write(), а в отдельной паре констант, край тормозит, а концевик служит судьёй, если механика скажет «дальше нельзя».

Механика мягкого края проще, чем кажется. Держу два числа: SOFT_MIN и SOFT_MAX — рабочий коридор внутри честного хода. Пока серво едет в середине коридора, шаг обычный — один градус каждые двенадцать миллисекунд. Как только до ближайшей границы остаётся меньше двадцати градусов, шаг растягивается: один градус за сорок миллисекунд. На языке скоростей это 83 градуса в секунду против 25 — последние сантиметры хода полка проползает, и даже если что-то пойдёт не так, удар получится втрое слабее.

Второй слой — сама цель. Ручка или команда могут просить угол за коридором: map от потенциометра честно выдаст и ноль, и сто восемьдесят. Мягкий край означает, что цель пережимается в коридор ещё до движения: попросили десять — едем до пятнадцати, попросили сто восемьдесят — до ста шестидесяти пяти. Все команды идут через одну функцию с constrain внутри; никаких прямых write(tsel) в скетче, иначе через неделю кто-то добавит ветку, которая пишет мимо ограничителя, — у меня так один раз и случилось.

Пятая графа расходов — запас. Мои границы стоят в пяти градусах от физических упоров не для красоты: механика живёт, усыхает, гуляет от сезона, и качалка, которой сегодня хватает запаса, зимой доедет на градус дальше. Если поставить SOFT_MAX вплотную к упору, один холодный месяц — и вы снова слушаете щелчок, только теперь ещё и с недоумением, куда делся ограничитель.

Автокалибровка делается ползучим ходом: серво идёт к упору по градусу каждые сорок миллисекунд, пока контакт не щёлкнет, потом откатывает пять градусов и записывает это число в память. Вся процедура занимает три-четыре секунды и блокирует loop — при старте платы я это прощаю, в рабочем цикле нет. Перекалибровка при каждом включении означала бы, что полка бьётся об упор на старте — ровно то, от чего мы уходим, поэтому границы живут в EEPROM: если magic-байт не наш, берутся заводские оценки, а не мусор из свежих ячеек. Саму схему magic-байта я разбирал в уроке про серво, которая помнит угол, а записи через update() не дёргают ячейку зря — про износ подробнее в уроке про update и износ ячеек.

Пара слов о выборе концевика. Для полки в метре от платы хватает любого тактильного с двумя контактами; если линия длинная или на улице, берите нормально закрытый — обрыв провода превратится в постоянное «граница найдена», а не в тихий сбой, полный разбор НО и НЗ я делал в уроке про ворота с концевиком. Дребезг контакта калибровке не страшен: щелчок ищется уровнем, а не фронтом, и откат на пять градусов выводит механизм из зоны болтанки — отдельные анти-дребезговые приёмы пригодятся, только если концевик работает как кнопка события в основном цикле.

В симуляторе логика живёт без железа: ручка задаёт сырую цель, диод показывает, что вас просят за коридор, а серво всё равно останавливается на мягкой границе и тормозит последние двадцать градусов. Кнопка играет концевик: щёлкните у края — механика скажет «дальше нельзя», серво откатит три градуса и напечатает это в монитор. На настоящей полке между кнопкой и концевиком разницы никакой: тот же INPUT_PULLUP, тот же LOW при нажатии, чтение пина переносится один в один из урока про кнопку.

Числа торможения подобраны под SG90 и полку весом в триста граммов: интервал сорок миллисекунд на градус даёт 25 градусов в секунду — глазами медленно, по инерции мягко. Для тяжёлой створки с MG996R я растягиваю зону до тридцати градусов и интервал до пятидесяти: чем больше масса на плече, тем раньше надо начинать тормозить. Универсальных цифр нет, есть один честный тест: поставьте стакан воды рядом с механизмом и прогоните десять циклов — если вода дрожит, край недостаточно мягкий.

Мягкий край лечит удар о границу, но не затор посреди хода: если в направляющую попала стружка, серво будет честно ползти к цели и упрётся в препятствие на полной скорости середины диапазона. От этого слоя защиты один шаг — тайм-аут: движение к цели, которое не закончилось за отведённое время, снимается с задачи, а автомат поднимает тревогу. Стопорный ток при заторе тот же, что при ударе: SG90 ест до 650 мА и греется уже через десятки секунд, бюджет питания под такой случай и поведение платы при провале я считал в уроке про пиковый ток и сброс.

Второй случай, где мягкий край бессилен, — просьба за границу из внешнего источника: расписания, чужого кода, монитора порта. Я ловил это дважды: скетч из туториала писал write(180) напрямую, и все мои константы наблюдали за этим со стороны. Дисциплина тут скучная, но железная: единственная функция в скетче, имеющая право вызвать write, — ограничитель, всё остальное передаёт ему сырую цель. Именно она держит механику целой, когда проект разрастается ветками и авторами.

Люфт после ударов слышен раньше, чем виден: серво начинает гудеть на месте приезда, потому что побитые зубья дают рогу свободу в пару градусов, и контур постоянно их выбирает. Мой тест на износ простой: двигаю рог пальцем при снятом питании — свободный ход до щелчка зубьев и есть глубина повреждения. Полка после двух недель ударов имела три градуса люфта; после перехода на мягкие края прогресс остановился, дальше люфт не рос.

Границы я прогоняю на столе до установки: двадцать циклов от края до края, и смотрю два момента — доезжает ли серво до мягкой границы ровно, без удара, и что происходит при просьбе за коридор. Если при цели за границей слышен щелчок об упор, constrain стоит не на всех путях: чаще всего забывают ветку, которая пишет угол напрямую мимо функции-ограничителя. Одна точка прохода для угла — правило, которое экономит шестерни: заведите отдельную функцию с constrain внутри и не пускайте ни один write мимо неё, что бы ни добавляли в скетч дальше.

Мой чек-лист при установке на место короткий, но я его держу. Первое: после монтажа прокалибровать заново — геометрия кронштейна съедает пару градусов по сравнению со столом. Второе: прогнать десять циклов и потрогать серво — нагрев к третьему циклу говорит о механическом клине, который на столе не проявлялся. Третье: выключить и включить плату — границы должны подтянуться из EEPROM, а не искать щелчок заново; если при каждом старте слышна поездка до упора, что-то в схеме magic-байта я сломал.