Робот R-D6 на Arduino Uno доставляет груз в браузерном городе с физикой и пешеходами

PinPort — онлайн-лаборатория для обучения робототехнике, где в браузере пишешь скетчи Arduino и видишь результат на эмуляторе. Разработчики создали 3D-город с машинами, светофорами и пешеходами, по которому ездит шестиколёсный робот R-D6. Он управляется настоящим скетчем Arduino Uno, компилируется на сервере через arduino-cli и исполняется на эмуляторе ATmega328P. Робот должен доставить заказ из точки A в Б, соблюдая правила дорожного движения.

Архитектура: три синхронизированных слоя

Система состоит из трёх частей, движущихся в едином темпе: эмулятор AVR (16 МГц, ШИМ, I2C, UART), физический движок Rapier (шаг 2 мс), город с логикой светофоров и пешеходов. Плата и физика работают поочередно: два миллисекунды эмуляции, затем физический шаг.

Датчики реализованы как I2C-регистры. Лидар (адрес 0×52) отдаёт 36 секторов по 10° с частотой 10 раз в секунду, дальность 20 м. Навигатор (0×53) обновляется 50 раз в секунду и выдаёт положение, курс, угол на цель, расстояния. Лидар состоит из трёх лучей в каждом секторе (−3°, 0°, +3°), берётся ближайшее попадание. Управление моторами через ШИМ на выводах ENA/ENB и уровни драйвера L298N. Встроенная библиотека RD6.h читает скан лидара (72 байта) тремя кусками по 24 байта, так как буфер Wire составляет всего 32 байта.

Город и его обитатели

План — сетка 3×3 с шагом 32 м, проезжая часть 8 м в каждую сторону, тротуары 3 м. Пять светофоров на перекрёстках (50-секундный цикл: 20 зелёный, 3 жёлтый, 2 все красные). Двенадцать машин ездят по полосам, держат дистанцию, на перекрёстке выбирают поворот случайно. Развороты: направо (радиус 2 м), налево (6 м).

Двадцать пешеходов ходят по петлям вдоль тротуаров. На зебре с вероятностью 0,4 решают перейти, на зелёный начинают переход, на мигающий — нет. Роботу пешеходы уступают: если он приближается ближе чем на 1,7 м, человек останавливается и через 0,6 с отступает. Машины и пешеходы — физические тела в Rapier, поэтому лидар их видит наравне с домами, а столкновения — реальные контакты в движке.

Маршрут строится алгоритмом Дейкстры по графу. Навигатор выдаёт направление не на следующую точку, а на «морковку» — позицию в 2,5 м впереди (классический pure pursuit). Без этого робот срезал бы к далёким точкам, отклонялся к бордюру и вставал перед деревьями (они растут через каждые 8 м). С морковкой робот держится середины тротуара и центра зебры. Окна на фасадах рисуются через 2,6 м по горизонтали и 3 м по вертикали. Финиш регистрируется, когда центр робота ближе 1,5 м к пункту Б.

Детерминизм и повторяемость

Вся система спроектирована ради одного результата на слабом ноутбуке и мощном компьютере. Три правила: случайность только из mulberry32 с фиксированным зерном, время исчисляется шагами физики (без Date.now()), решения машин и пешеходов принимаются раз в 20 мс на фиксированной сетке.

Проверка: прошивку запускают дважды с разной нарезкой времени (2 и 7,3 мс за вызов), сравнивают хеш состояния мира — совпадают. На соревновательной арене сервер гоняет прошивку участника в Node.js на тех же модулях, что браузер, и хеши совпадают до последнего знака.

Автопилот из пяти правил прошёл все 12 комбинаций «маршрут × случай» без нарушений. Доставка занимает 65–135 секунд модельного времени. Расширения: ночь (около 45% окон зажжены по хешу этажа и пролёта), час пик с 40 пешеходами, ремонт тротуара. Отрисовка на собственном WebGL-рендере без движков: дома как коробки, окна рисует фрагментный шейдер. Камера едет за роботом и поднимается, если дом его закрывает. Кроны деревьев на линии взгляда не рисуются. Доступен вид сверху на Canvas 2D для отладки: видны маршрут, сигналы всех светофоров и лучи лидара.