الحساسات في الروبوتات: كيف «يرى» الروبوت و«يشعر» بما حوله

الإنسان يرى بعينيه، ويسمع بأذنيه، ويشعر بالحرارة بجلده، ثم يقرر ماذا يفعل. والروبوت يحتاج إلى شيء مشابه لكي يتعامل مع العالم من حوله: الحساسات (Sensors). من دونها يصبح الروبوت آلة تكرر حركات ثابتة لا تعرف إن كان أمامها جدار أو حافة طاولة. في هذا المقال نشرح ما الحساس، والفرق بين الحساسات الرقمية والتناظرية، ونتعرف على أشهر الحساسات في مشروعات الروبوتات التعليمية: الموجات فوق الصوتية، والأشعة تحت الحمراء، والضوء، والحرارة، والحركة. ونتعلم كيف نقرؤها بالأردوينو، وكيف نتعامل مع القراءات غير المستقرة، ثم نختم بمشروع روبوت يتفادى العوائق يجمع كل ما تعلمناه.

ما هو الحساس؟

الحساس قطعة إلكترونية تحول ظاهرة فيزيائية، مثل الضوء أو المسافة أو الحرارة، إلى إشارة كهربائية يستطيع المتحكم الدقيق قراءتها. الأردوينو لا «يرى» الجدار؛ بل يقرأ رقمًا من الحساس، والبرنامج الذي كتبته أنت هو ما يحول الرقم إلى معنى: «المسافة أقل من 20 سنتيمترًا، إذن توقف». هذه الحلقة من القياس ثم القرار ثم الفعل هي جوهر كل روبوت.

رقمي أم تناظري؟

تنقسم الحساسات من حيث الإشارة التي تخرجها إلى نوعين:

• الحساس الرقمي يعطي حالتين فقط: نعم أو لا، أي HIGH أو LOW. مثل زر الضغط، أو حساس حركة يقول «هناك حركة» أو «لا توجد». نقرؤه بالدالة digitalRead.
• الحساس التناظري يعطي قيمة متدرجة، مثل شدة الضوء أو موضع مقبض دوار. تحولها المنافذ التناظرية في لوحة Uno إلى رقم بين 0 و1023، ونقرؤها بالدالة analogRead.

وهناك نوع ثالث تستخدمه حساسات كثيرة حديثة: حساسات «ذكية» فيها دوائر خاصة، ترسل قراءاتها كبيانات عبر بروتوكولات اتصال مثل I2C، وتحتاج غالبًا إلى مكتبة جاهزة لقراءتها بسهولة.

أشهر الحساسات في الروبوتات التعليمية

حساس الموجات فوق الصوتية: قياس المسافة

يعمل مثل الخفاش: يرسل موجة صوتية بتردد لا تسمعه الأذن، ثم ينتظر صداها بعد أن ترتد عن جسم أمامه. يقيس الأردوينو الزمن بين الإرسال والاستقبال، ويحسب المسافة لأن سرعة الصوت في الهواء معروفة تقريبًا، حوالي 343 مترًا في الثانية في درجة حرارة الغرفة. وبما أن الموجة تذهب وتعود، نقسم المسافة المحسوبة على اثنين. الطراز الأشهر في التعليم HC-SR04، وهو مناسب لقياس مسافات من بضعة سنتيمترات إلى بضعة أمتار. انتبه إلى أن الأسطح الناعمة أو المائلة جدًا قد تشتت الصدى فتعطي قراءات غير دقيقة.

حساسات الأشعة تحت الحمراء: تتبع الخط

يحتوي الحساس على مصباح يرسل أشعة تحت حمراء ومستقبل يقيس كمية ما ينعكس منها. السطح الأبيض يعكس كثيرًا، والأسود يمتص أكثر. بهذا يستطيع روبوت «تتبع الخط» أن يعرف هل هو فوق خط أسود مرسوم على أرضية بيضاء، فيصحح اتجاهه باستمرار. وتُستخدم الحساسات نفسها لكشف الحواف، حتى لا يسقط الروبوت عن الطاولة.

حساس الضوء

أبسطها المقاومة الضوئية (LDR)، وهي مقاومة تقل قيمتها كلما زاد الضوء. نوصلها مع مقاومة ثابتة فيما يسمى «مقسم الجهد»، فيتغير الجهد الذي يقرؤه المنفذ التناظري بتغير الإضاءة. مثالي لمشروع روبوت يتجه نحو مصدر الضوء، أو إضاءة تعمل تلقائيًا عند الظلام.

حساسات الحرارة والرطوبة

بعضها تناظري بسيط يعطي جهدًا يتناسب مع درجة الحرارة، وبعضها رقمي مثل عائلة DHT التي تقيس الحرارة والرطوبة معًا وتُقرأ بمكتبة جاهزة. مفيدة لمشروعات البيت الذكي والزراعة، ولمراقبة حرارة المحركات في الروبوتات الأكبر.

حساس الحركة PIR

يكشف الأشعة تحت الحمراء التي تصدرها أجسام البشر والحيوانات الدافئة، ويعطي إشارة رقمية عند رصد حركة. يُستخدم في أجهزة الإنذار والإضاءة التي تعمل عند مرور شخص.

وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU): التوازن والاتجاه

تجمع هذه الوحدة في شريحة صغيرة حساس تسارع يقيس الميل والاهتزاز، وجيروسكوب يقيس سرعة الدوران، وأحيانًا بوصلة إلكترونية. هي ما يجعل الهاتف يعرف أنك أدرته أفقيًا، وما يسمح للطائرات المسيرة بالبقاء متوازنة في الهواء. في الروبوتات التعليمية تُستخدم لبناء روبوت يتوازن على عجلتين، أو لمعرفة هل انقلب الروبوت، أو لقياس الزاوية التي استدارها بدقة أكبر من حساب زمن دوران العجلات. تُقرأ عادة عبر بروتوكول I2C بمكتبة جاهزة، وقراءاتها تحتاج إلى معالجة وتصفية أكثر من الحساسات البسيطة، لذلك تناسب المرحلة المتوسطة بعد إتقان الأساسيات.

تتناول الدورة الشاملة التالية من قناة freeCodeCamp.org الأردوينو والحساسات بالتفصيل، باللغة الإنجليزية:

القراءات المتذبذبة: كيف تتعامل مع الضوضاء؟

ستلاحظ سريعًا أن الحساس لا يعطي الرقم نفسه تمامًا في كل مرة، حتى لو لم يتغير شيء. هذه «ضوضاء» طبيعية في العالم الحقيقي. وهناك طرق بسيطة للتعامل معها:

• المتوسط: خذ عدة قراءات متتالية واحسب متوسطها بدل الاعتماد على قراءة واحدة.
• تجاهل الشاذ: قراءة مسافة صفر أو أكبر من مدى الحساس غالبًا خطأ؛ تجاهلها.
• هامش القرار: بدل أن يتوقف الروبوت عند 20 سنتيمترًا ويعود للحركة عند 21، اجعله يتوقف عند 20 ولا يتحرك إلا بعد 30. هذا يمنع التردد السريع بين القرارين.
• التوصيل الجيد: أسلاك مرتخية تسبب قراءات عشوائية، فثبّت التوصيلات جيدًا.

مشروع: روبوت يتفادى العوائق

هذا المشروع الكلاسيكي يجمع الحساسات بالمحركات. نحتاج إلى هيكل بعجلتين ومحركين، ودائرة قيادة للمحركات، وحساس موجات فوق صوتية في المقدمة، ولوحة أردوينو، وبطاريات. المنطق بسيط:

1. اقرأ المسافة أمام الروبوت، وخذ متوسط ثلاث قراءات.
2. إذا كانت المسافة أكبر من الحد الآمن، تقدم إلى الأمام.
3. إذا كانت أقل، توقف، ثم ارجع قليلًا، ثم استدر يمينًا أو يسارًا.
4. كرر ذلك في loop بلا توقف.

ولكي تتحكم في المحركات بأمان، اقرأ مقال المحركات في الروبوتات؛ فالمحرك لا يوصل مباشرة بمنافذ اللوحة أبدًا.

نصائح قبل أن تشتري حساسًا

• تأكد من جهد التشغيل: بعض الحساسات تعمل بـ 5 فولت، وبعضها بـ 3.3 فولت فقط وقد يتلف عند توصيله بجهد أعلى.
• ابحث عن ورقة البيانات (Datasheet) والمكتبة المتاحة للحساس قبل الشراء.
• ابدأ بالحساسات الشائعة التي تتوفر لها شروحات كثيرة.

إذا كنت في البداية، فاقرأ أولًا ما هو الأردوينو وأول برنامج على الأردوينو. وفي كورس الروبوتيكس والأنظمة المدمجة في أكاديمية بدر التعليمية نبني روبوتات تتفادى العوائق وتتتبع الخطوط بإشراف المدرب. ولمصادر إضافية زر المكتبة التعليمية، وجرّب أداة اكتشف مسارك.