CSE 435 · Robotics · Zagazig University · Term 1 2026/2027Robotics MidKit

• This midterm: 3 theoretical questions · 1.5 hours · short, focused answers on separate paper · one robot-design question (which sensors and motors and why).ميد السنة دي: 3 أسئلة نظري، ساعة ونص، إجابات قصيرة ومركزة، وسؤال منهم تصميم روبوت. الامتحانين (الميد والفاينال) على منهج الميد بس.
• Mid 2026 (Nov 2025): 1 hr, 20 marks · Q1 = six short “explain / compare” items · Q2 = eight MCQs.ميد السنة اللي فاتت: 6 أسئلة قصيرة (قارن / اشرح) + 8 اختيار.
• Final 2026 (Jan 2026): 7 questions · two design questions (Q1 any robot application, Q7 tracked robot) · small calculations (sonar distance, PWM duty cycle, encoder ticks).الفاينال: 7 أسئلة، منهم 2 تصميم، وحسابات بسيطة (sonar، PWM، encoder).
• Repeats: comparisons (feedback ±, differential vs Ackermann, active vs passive, IR vs laser, standard vs continuous servo), encoders (Gray code, pulses), inclinometer + gyroscope, sonar problems, PWM / H-bridge, distributed processing.الحاجات المتكررة: المقارنات، الـ encoders، gyro + inclinometer، مشاكل الـ sonar، PWM وH-bridge، والـ distributed processing.

• In the past: mobile robots were controlled by heavy, large, and expensive computer systems that could not be carried.زمان: الروبوت كان بيتحكم فيه كمبيوتر كبير وتقيل وغالي مينفعش يتشال عليه.
• Today: small mobile robots with numerous actuators and sensors, controlled by inexpensive, small, and light embedded computer systems carried on-board.دلوقتي: روبوت صغير، فيه sensors وactuators كتير، والكنترولر embedded صغير ورخيص راكب عليه.
• Same trend as computers: mainframe → workstations → PCs → handheld devices.نفس اللي حصل للكمبيوتر: من الأجهزة الضخمة لحد الموبايل.

Why mobile robots instead of math models / simulation?

• 1. Tangible: a robot is a tangible, self-contained piece of real-world hardware; students relate to it better than to software; its tasks are practical and directly “make sense”.أولًا: حاجة حقيقية بتلمسها، والطالب بيفهمها أكتر من برنامج، والمسائل عملية ليها معنى.
• 2. Real-world is harder: no “perfect world”; any actuator is positioned only to a certain accuracy and all sensors have intrinsic reading errors → a working robot program must be a robust system that overcomes inaccuracies and imperfections.ثانيًا: الدنيا الحقيقية مش مثالية؛ الموتور مش دقيق 100% والسنسور فيه أخطاء، فلازم البرنامج يبقى robust يستحمل ده.
• 3. Enjoyable & inspiring: a moving system whose behavior is set by software is a challenge, amplified by robot competitions.ثالثًا: ممتعة وبتحمّس، خصوصًا مع مسابقات الروبوتات.

• Five types: wheeled, tracked, legged, flying, underwater.5 أنواع: بعجل، بجنزير، برجول، طاير، وتحت المية.
• Called the “EyeBot family” because they all use the same embedded controller “EyeCon”.اسمهم عيلة EyeBot لأنهم كلهم بنفس الكنترولر EyeCon.

• Wheeled robots are the simplest mobile robots: one or more driven wheels + optional passive or caster wheels + possibly steered wheels.أبسط نوع: عجلة أو أكتر عليها موتور، وممكن عجل حر (caster) وعجل بيلف للتوجيه.
• Most designs require two motors for driving and steering.أغلب التصميمات محتاجة موتورين: واحد للحركة وواحد للتوجيه، أو موتور لكل عجلة.

• One disadvantage of all wheeled robots: they require a street or some sort of flat surface for driving.عيب أي روبوت بعجل: محتاج أرض مستوية.

• Final category of land-based robots; like tracked robots they can navigate over rough terrain or climb up stairs.زي الجنزير: يمشي على أرض وعرة ويطلع سلالم.
• General rule: the more legs, the easier to balance.كل ما الرجول تزيد، التوازن يبقى أسهل.
• Six-legged: three legs on the ground, three in the air → always stable on a tripod (if the center of mass falls in the triangle of the three legs).أبو 6 رجول: 3 على الأرض و3 في الهوا، فهو واقف دايمًا على مثلث (tripod) — بشرط مركز الثقل جوه المثلث.
• Legged robots usually need two or more motors (“degrees of freedom”) per leg → a six-legged robot needs at least 12 motors.كل رجل محتاجة موتورين على الأقل (DOF)، يعني 6 رجول = 12 موتور على الأقل.
• Biped (two legs) cannot use a supporting triangle → other balancing techniques needed; many bipeds have five or more motors per leg → many DOF, considerable weight and cost.أبو رجلين مفيش عنده مثلث يسنده، فمحتاج طرق توازن تانية، وغالبًا 5 موتورات أو أكتر في الرجل ← تقيل وغالي.

• Braitenberg vehicles [1984]: a conceptual abstraction of actuators, sensors, and control. A light sensor activated by light proportionally increases the speed of the motor it is linked to.عربيات Braitenberg: كل سنسور ضوء متوصل بموتور، وكل ما الضوء يزيد الموتور يسرع.
• Straight wiring (left sensor → left motor, right → right): robot drives toward the light, but when it gets close and slightly off course, the nearer sensor speeds up its own side → curve away → misses the light source.توصيل مستقيم: لما ينحرف، الموتور اللي ناحية النور يسرع فيبعده أكتر ← يفوّت النور.
• Crossed wiring (left sensor → right motor, right → left): if it veers right, the left sensor gets more light → right motor faster → left curve → brought back on track → finds the light source.توصيل متعاكس: لو انحرف يمين، السنسور الشمال ياخد نور أكتر فيسرّع الموتور اليمين ← يلف شمال ويرجع للنور. ده negative feedback.

• The centerpiece of all robot designs: a small and versatile embedded controller carried on-board.قلب كل الروبوتات: كنترولر صغير راكب على الروبوت نفسه.
• Called “EyeCon” because its chief specification was an interface for a digital camera → drive a mobile robot using on-board image processing.اسمه EyeCon لأن أهم حاجة فيه إنه يتوصل بكاميرا ويعمل image processing على الروبوت.
• Main specs: 25 MHz 32-bit controller (Motorola M68332), 1 MB RAM (→2 MB), 512 KB ROM, 1 parallel + 3 serial ports, 8 digital inputs, 8 digital outputs, 16 timing processor unit I/O, 8 analog inputs, graphics LCD 128×64.مواصفات: معالج 25 ميجا 32 بت، رامات 1 ميجا، روم 512 كيلو، مداخل ومخارج ديجيتال وأنالوج، وشاشة.
• Connectors for: digital camera, 2 DC motors with encoders, 12 servos, 6 infrared sensors, 6 free analog inputs.بيتوصل بيه: كاميرا، موتورين DC بـ encoders، 12 سيرفو، 6 IR، و6 مداخل أنالوج.
• Interfaces on most embedded systems: digital inputs, digital outputs, analog inputs. Analog outputs are not always required and would need additional amplifiers to drive actuators.الكنترولر بيبقى فيه digital in/out وanalog in. الـ analog out مش دايمًا محتاجينه، ولو احتجناه لازم amplifier عشان يشغّل موتور.

• Mobile robot: an automatic machine that is capable of movement in any given environment.الروبوت المتحرك = ماكينة أوتوماتيك تقدر تتحرك في أي بيئة.
• Activities of mobile robots: (1) moving around, (2) detecting and responding to light, (3) proximity, (4) contact, (5) communication, (6) navigation.6 أنشطة احفظهم بالترتيب: الحركة، الضوء، القُرب، اللمس، التواصل، الملاحة.

Moving around

• All mobile robots move from place to place; they need to move forward, reverse, and turn left or right. Variable speed is less important and often unnecessary.لازم يتحرك قدام وورا ويلف يمين وشمال؛ تغيير السرعة مش مهم أوي.

Detecting & responding to light

• Problem: light sensors may be confused by room lighting or sunlight → solution: pulsed light sources.مشكلة سنسور الضوء إن نور الأوضة أو الشمس بيلخبطه، والحل نستخدم مصدر نور نابض (pulsed) يتميّز عن النور العادي.

Proximity

• Proximity sensors tell the robot when it is near to, but not actually touching an object; can also measure the distance to an object.سنسور القُرب بيقولك إنك قربت من حاجة من غير ما تلمسها، وممكن يقيس المسافة.
• How a light sensor detects a nearby object: (1) it detects the light reflected back from the object; (2) if the reflected intensity exceeds a certain level, the robot knows something is there; (3) a light detector aimed sideways can keep a robot at a fixed distance from a wall.إزاي: النور بيرجع منعكس من الحاجة، ولو شدته عدّت حد معين يبقى فيه حاجة قدامي. ولو السنسور متوجه للجنب يخلي الروبوت ماشي على مسافة ثابتة من الحيطة.

Contact

• How the robot contacts an obstacle (a massive object or a wall): (1) bumpers or wiry ‘antennae’ touched when the robot runs into anything; (2) usual response: reverse a short distance, turn slightly left or right, then move forward to try again; (3) with a pair of bumpers (front left and right) the robot can work out the best direction to turn.بالـ bumpers أو "أنتينات" سلك. لما يخبط: يرجع شوية، يلف شوية، ويكمل. ولو فيه bumper شمال وbumper يمين يعرف يلف ناحية أنهي.

Communication

• Most robots need to interact with humans; robots that play games interact more than most; also multi-robot communication.الروبوت محتاج يتواصل مع البني آدمين ومع روبوتات تانية.

• A mobile robot should know where it is. Basic navigation methods: (1) wall following — common behavior, used by maze-solving robots; (2) line following — a special form of contact behavior: the robot stays in contact with a line painted on the surface; one of the most reliable techniques for guiding a robot; (3) homing on a light source.طرق الملاحة: يمشي جنب الحيطة (المتاهات)، يمشي على خط مرسوم (أكتر طريقة موثوقة)، أو يروح ناحية مصدر نور.
• Free space (no lines, walls, beacons): switching motors on for precisely controlled periods does not work in practice: the two motors do not run at exactly the same speed, the turning angle cannot be controlled precisely, and these errors are cumulative → robot loses its bearings.في المساحة المفتوحة: إنك تشغّل الموتور وقت محدد مش هينفع، لأن الموتورين مش بنفس السرعة بالظبط وزاوية اللف مش دقيقة، والأخطاء بتتراكم لحد ما يتوه.
• Counteract motor differences with tachometers or stepper motors, but even these may not fully solve it: there is always a small amount of slipping (surface and tyres).الحل الجزئي: tachometer (يقيس السرعة) أو stepper، بس برضه فيه انزلاق بسيط على الأرض.

• Operates over a clearly defined rectangular area; picks up objects from any point and sets them down at another point.بيشتغل في مساحة مستطيلة محددة: يشيل حاجة من مكان ويحطها في مكان تاني.
• The tool (often a gripper) hangs from a small trolley-like frame and can be lowered and raised; the frame has wheels and runs on a pair of rails.الـ gripper متعلق في frame بيتحرك على قضبان، وبينزل ويطلع.
• Mobile robots are apt to lose their bearings, but because the frames can be precisely positioned by keeping track of their x and y coordinates, a gantry robot can never lose its bearings → easier to program for precise navigation.الروبوت المتحرك ممكن يتوه، لكن الـ gantry عارف مكانه دايمًا بالـ x و y، فبرمجته أسهل لما نحتاج دقة.
• Used in industry when very heavy loads are to be handled.بيستخدم في المصانع للأحمال التقيلة جدًا.

• Example — refrigerator: when the inside temperature rises above a level, the pump turns on until it falls to a given level → temperature held within close limits. This is negative feedback because an increase in temperature results in cooling down.التلاجة: الحرارة تعلى ← الموتور يشتغل يبرّد ← الحرارة تنزل. اسمه سالب لأن الزيادة بتعمل نقصان.
• Feedback in robotics (wall following): when the robot veers toward the wall, reflected IR increases; the sensor detects it; the program steers the robot to the right, away from the wall; the reverse happens when it veers away.في الروبوت: لو قرّب من الحيطة الـ IR المنعكس يزيد ← البرنامج يبعده. لو بعد ← يقرّبه. فيفضل على مسافة ثابتة.
• Negative feedback holds things constant → produces stability.السالب = ثبات واستقرار.
• Positive feedback: if the motor output lines were swapped by mistake, the slightest deviation causes dramatic results: the robot veers permanently away from the wall or crashes into it → instability, to be avoided.الموجب: لو بدلت أسلاك الموتورين غلط، أي انحراف صغير يكبر ← يا يخبط في الحيطة يا يبعد خالص. ده عدم استقرار.
• Another feedback type, virtually essential in a robot system: feedback based on limit switches (e.g. a pusher arm opens/closes switches at its end positions).نوع تالت مهم جدًا: الـ limit switches — مفتاح بيتقفل لما الجزء المتحرك يوصل لآخره، فالبرنامج يعرف يوقف.

• Run a short randomly-chosen distance, turn through a random angle, repeat indefinitely → totally random path = Monte Carlo Walk (usually stays in more-or-less the same place).يمشي مسافة عشوائية ويلف زاوية عشوائية ويكرر = Monte Carlo walk، وغالبًا بيلف في نفس المنطقة.
• Produced in software by a random number generator; its output is a predictable series that repeats after a very long interval → pseudo-random.العشوائية من السوفتوير، وهي مش عشوائية حقيقي (pseudo-random) لأنها بتتكرر بعد فترة طويلة جدًا.
• Serious use: a maze robot makes a random choice at each junction, remembers which choices reached the goal → eventually runs the maze correctly = learning by trial and error.استخدام مهم: في المتاهة يختار عشوائي عند كل تقاطع ويفتكر الاختيارات اللي نجحت ← يتعلم بالتجربة والخطأ.

• Robot is homing on a lamp. At point A its proximity detector detects an obstacle between it and the light → it immediately stops homing and enters avoidance behavior.الروبوت رايح ناحية اللمبة. عند A يلاقي عائق ← يوقف سلوك الـ homing فورًا ويبدأ سلوك تفادي العائق.
• It turns and proceeds to B; still detects the obstacle, so turns more toward C.يلف ويروح B، لسه شايف العائق، يلف أكتر ويروح C.
• At C there is a clear path to the lamp → it resumes homing.عند C الطريق فاضي ← يرجع للـ homing تاني.
• Idea: a higher-priority behavior (avoidance) subsumes (overrides) a lower one (homing) while its condition is active.الفكرة: سلوك أهم (التفادي) بيغطي على سلوك أقل (الـ homing) طول ما فيه سبب.

• Programming simultaneous activities on a single controller is possible but difficult.إنك تبرمج كذا حاجة شغالين مع بعض على كنترولر واحد ممكن بس صعب.
• Solution: split the tasks between two or more controllers; each runs independently, except for occasional handshaking signals telling the other what it is doing = distributed processing.الحل: نقسم الشغل على كذا كنترولر، كل واحد شغال لوحده، وبيبعتوا لبعض إشارات handshaking من وقت للتاني.
• Example: the Horseshoe game on the Gantry robot: PIC1 on the main frame, PIC2 on the x-frame.المثال: لعبة Horseshoe على الـ gantry: PIC1 على الـ frame الرئيسي وPIC2 على الـ x-frame.

• A robot = Sensing → Planning → Acting: sensing gives information about the environment, acting is an action on the environment.الروبوت = يحس ← يخطط ← ينفذ. السنسور بيجيب معلومات عن البيئة، والـ actuator بيأثر فيها.
• Robots need sensors for: localization (where am I?), obstacle detection (will I hit anything?), and specific tasks (where is the cropline? → autonomous harvesting; where is the face? → face detection & tracking).ليه السنسورز؟ عشان يعرف هو فين، ويتفادى العوائق، ويعمل مهام معينة زي الحصاد أو تتبع الوش.

• Sensor: a device that measures a physical quantity and converts it into an electrical signal which can be read by an instrument; its job is to convert a parameter in one form and report it in another form of energy (e.g. a pressure sensor converts pressure to electricity for a remote gauge).السنسور: بيقيس كمية فيزيائية ويحولها لإشارة كهربا (زي سنسور الضغط).
• Detector: a device that receives a signal (heat, pressure, light, motion) and responds to it in a distinctive manner; usually = a sensor + a decision circuit (e.g. a smoke detector uses a smoke sensor and produces an alarm if the level is high).الـ detector: سنسور + دايرة قرار؛ زي كاشف الدخان: يقيس الدخان ولو عالي يضرب إنذار.
• Scope: more on interfacing sensors to controllers than on their internal construction.المادة مركزة على توصيل السنسور بالكنترولر مش على تركيبه من جوه.
• Choosing the right sensor: measurement technique, size, weight, operating temperature range, power consumption, price range.تختار السنسور على أساس: طريقة القياس، الحجم، الوزن، درجة حرارة التشغيل، استهلاك الكهربا، والسعر — اكتبهم في سؤال التصميم كمبرر.

• Data transfer from sensor to CPU is either CPU-initiated (polling) or sensor-initiated (via interrupt).نقل الداتا: يا الـ CPU هو اللي يسأل (polling)، يا السنسور هو اللي ينبّه (interrupt).
• Polling: the CPU keeps checking whether the sensor is ready by reading a status line in a loop → much more time consuming.الـ polling: الـ CPU فاضل يسأل في loop "جاهز؟" ← بيضيّع وقت.
• Interrupt: requires an interrupt line; the sensor signals that data is ready and the CPU reacts immediately.الـ interrupt: محتاج خط interrupt، والسنسور يقول "جاهز" والـ CPU يرد فورًا.

Engineer’s view — by output signal (for interfacing)

Robot’s view — by application

• Local / on-board (mounted on the robot) vs global (mounted outside in the environment, transmitting data back to the robot).local = راكب على الروبوت. global = برّه في البيئة وبيبعت للروبوت.
• Internal (monitor the robot’s internal state) vs external (monitor the robot’s environment).internal = بيقيس حالة الروبوت نفسه. external = بيقيس اللي حواليه.
• Passive: monitor the environment without disturbing it (digital camera, gyroscope). Active: stimulate the environment for their measurement (sonar, laser scanner, infrared sensor).passive = بيستقبل بس من غير ما يبعت حاجة. active = بيبعت إشارة (صوت/ضوء) ويستقبل رجوعها.

• Binary sensors: the simplest; return a single bit (0 or 1); typical example: tactile sensor.أبسط سنسور: بيرجع 0 أو 1 بس، زي سنسور اللمس (bumper).
• Analog sensors need an A/D converter to connect to a microcontroller; e.g. microphone, analog IR distance sensor, analog compass, barometer.الأنالوج محتاج A/D عشان الكنترولر يقراه.
• Digital sensors are usually more complex and often more accurate; output can be parallel (8 or 16 lines), serial (RS232), or synchronous serial.الديجيتال أعقد وغالبًا أدق، وبيطلع parallel أو serial أو synchronous serial.
• Synchronous serial: the value is read bit by bit: after setting chip-enable, the CPU sends pulses on the serial clock line and reads 1 bit from the sensor’s D output each pulse (e.g. on each rising edge).synchronous serial: الـ CPU يبعت clock، ومع كل نبضة يقرا bit واحدة من السنسور.
• TC72 temperature sensor: synchronous serial; a shift register converts serial to 8-bit parallel: set CS high then low, then pulse the clock high/low for 9 cycles.مثال TC72: shift register يحوّل الـ serial لـ 8 bit parallel؛ CS عالي ثم واطي، و9 نبضات clock.

• Shaft encoders are a fundamental feedback sensor for motor control. Most common types: magnetic or optical.الـ encoder أهم سنسور feedback للموتور: بيعد اللفات. نوعين: ضوئي ومغناطيسي.
• Optical: a sector disk with black and white segments + an LED and a photo-diode; the photo-diode detects reflected light during a white segment, not a black one. 16 white + 16 black → 16 pulses per revolution.الضوئي: قرص أبيض وأسود + LED + photo-diode. الأبيض بيعكس ← نبضة. عدد النبضات في اللفة = عدد الأبيض.
• Magnetic: a Hall-effect sensor + a rotating disk with magnets (e.g. 16) → 16 pulses (“ticks”) per revolution.المغناطيسي: Hall sensor + قرص عليه مغناطيسات؛ كل مغناطيس يعدي = tick.
• One sensor element cannot tell clockwise from counter-clockwise → most encoders have two sensors with a small phase shift; whichever receives the pulse first gives the direction (Enc1 first → CW, Enc2 first → CCW).سنسور واحد ميعرفش الاتجاه، فبنحط اتنين بينهم فرق بسيط: اللي ياخد النبضة الأول يحدد الاتجاه.
• Practical: reading the two lines as digital inputs would force the CPU to constantly poll; instead, pulse counting registers count pulses independently of the CPU → CPU free for higher-level programs.بدل ما الـ CPU يفضل يقرا، فيه hardware اسمه pulse counting register بيعد لوحده.
• Mounting: directly on the motor shaft, before the gearbox → full resolution. 16 ticks/rev × gearbox 100:1 → 1,600 ticks per wheel revolution.بيتركب على عمود الموتور قبل الجيربوكس عشان الدقة تتضرب في نسبة التروس: 16 × 100 = 1600 tick للفة العجلة.
• Both types are incremental: they only count segments from a starting point → not sufficient to locate the absolute position of the shaft.الاتنين incremental: بيعدوا من نقطة بداية، ومش بيعرفوا الزاوية الحقيقية.

• Absolute encoders measure the absolute (true) angular position; incremental ones measure the change in angular position.الـ absolute بيقيس الزاوية الحقيقية، والـ incremental بيقيس التغيير بس.
• Usually a Gray-code disk with a set of sensors; the number of sensors sets the resolution: 3 sensors → 2³ = 8 sectors.قرص Gray code وعليه كذا سنسور؛ n سنسور = 2ⁿ قطاع.
• In Gray code, between any two neighboring sectors only a single bit changes (not true for standard binary) → still a proper reading if the disk stops between two segments. With binary the result would be arbitrary when passing between 111 and 000.الـ Gray code: بين أي قطاعين جنب بعض bit واحدة بس بتتغير، فلو القرص وقف على الحد بين قطاعين القراية تبقى واحد من الاتنين الصح. في الـ binary كذا bit بيتغيروا مع بعض، فممكن تقرا رقم ملوش علاقة.

• Translates an analog signal into a digital value. Characteristics: accuracy (bits per value, e.g. 10-bit), speed (max conversion rate, e.g. 500 conversions/s), measurement range (volts, e.g. 0→5 V).الـ A/D بيحول الفولت لرقم. مواصفاته: عدد البتات (الدقة)، السرعة، ومدى الفولت.
• Digital = integer(V_in × 2ⁿ / V_REF), n = number of bits, V_REF = reference voltage.القانون: الرقم = الجزء الصحيح من (الفولت الداخل × 2ⁿ ÷ فولت المرجع).
• Output: parallel (e.g. up to 8 bits) or synchronous serial (no limit on the number of bits).الخرج parallel لحد 8 بت، أو serial من غير حد.
• Many A/D modules include a multiplexer (analog MUX) that allows the connection of several sensors.فيه MUX جوه الـ A/D عشان نوصل كذا سنسور على نفس المحوّل.

• Distance sensors are among the most important: they measure the distance to the nearest obstacle for navigation. In the past most robots used sonar; narrow cone → a typical configuration needs 24 sensors (about 15° each).سنسورات المسافة من أهم السنسورات. زمان كان sonar، وعشان الشعاع ضيق كان بيتحط 24 واحد كل واحد بيغطي 15° تقريبًا.
• Principle: a short acoustic signal (~1 ms) at an ultrasonic frequency of 50–250 kHz is emitted; the time until the echo returns is measured. Time-of-flight ∝ twice the distance → d = v·t / 2.بيبعت نبضة صوت فوق السمعية ويقيس الوقت لحد ما الصدى يرجع؛ الوقت ده رايح جاي، فالمسافة = السرعة × الوقت ÷ 2.
• No echo within a time limit → no obstacle within that distance. Measurements repeated ~20 times per second → typical clicking sound.لو مفيش صدى في وقت معين يبقى مفيش عائق. بيقيس 20 مرة في الثانية ودي "التكتكة".
• Problems: narrow range, reflections, interference. Reflection off a wall at an angle → obstacle seems further away. Interference: several sonars at once (24 on one robot or several robots) → one sensor picks up another’s signal.عيوبه: مداه ضيق، الانعكاس (لو الحيطة مايلة الصوت يتعكس بعيد فيبان العائق أبعد)، والتداخل (سنسور يسمع صدى سنسور تاني).
• Solution to interference: coded sonar signals, e.g. pseudo-random codes.الحل: كل سنسور يبعت إشارة بكود مختلف (pseudo-random) فيعرف صداه هو.

• Today sonars are often replaced by infrared or laser sensors. Laser sensors are the current standard: an almost perfect local 2D map or even a complete 3D distance map — but still too large, heavy, and expensive for small mobile robots.الليزر هو الأفضل (خريطة 2D/3D شبه مثالية) بس كبير وتقيل وغالي على الروبوتات الصغيرة.
• IR does not use time-of-flight (a photon’s time-of-flight is too short to measure cheaply). It uses a pulsed infrared LED at about 40 kHz + a detection array; the angle of the received reflected beam changes with distance → measure of distance. Wavelength typically 880 nm (invisible; seen with IR detector cards or an IR-sensitive camera).الـ IR مش بيقيس الوقت (الضوء أسرع من إنه يتقاس برخص)؛ بيبعت IR نابض 40 كيلوهرتز، والزاوية اللي الشعاع راجع بيها على مصفوفة الاستقبال بتتغير مع المسافة (triangulation).
• Two variations: Sharp GP2D12 (analog output: voltage related to distance, not proportional) and Sharp GP2D02 (digital serial: 8-bit value sent bit-wise on one line, clocked by the CPU).نوعين: GP2D12 أنالوج (فولت مش متناسب مع المسافة)، وGP2D02 ديجيتال serial بـ 8 بت.
• Raw reading vs distance is not linear → post-processing with a lookup table calibrated per sensor; 8 bits → 256 entries; calibration once per sensor, transparent to the program.العلاقة مش خطية ← نعمل lookup table لكل سنسور (256 خانة) مرة واحدة.
• Distances below about 6 cm are below the range and give an incorrect reading of a higher distance; cannot be fixed simply → mount the sensor mechanically so an obstacle can never get closer than 6 cm.أقل من 6 سم بيدي قراية غلط (بيقول أبعد)، والحل نركّبه لجوه بحيث مفيش حاجة تقرب منه أقل من 6 سم.

• Much simpler than IR PSDs: an electronic equivalent of tactile binary sensors; returns 0 or 1 depending on free space (e.g. 1–2 cm) in front.نسخة إلكترونية من سنسور اللمس: 0 أو 1 حسب فيه حاجة على بعد سنتيمتر أو اتنين ولا لأ.
• Can replace tactile sensors for obstacles with reflective surfaces; advantage: no moving parts compared to mechanical micro-switches. (Black surfaces absorb light → used in line followers.)ينفع بدل الـ bumper مع الأسطح العاكسة، وميزته مفيهوش أجزاء بتتحرك. والأسود بيمتص النور، فده اللي بيستخدم في line follower.

• Very useful for self-localization: an autonomous robot relies on on-board sensors to track its position and orientation.الـ compass مهم عشان الروبوت يعرف مكانه واتجاهه.
• Standard method: shaft encoders on each wheel + “dead reckoning”: start from a known initial position and orientation, then add all driving and turning actions.dead reckoning: تبدأ من مكان معروف وتجمع كل الحركات واللفات من الـ encoders.
• Due to wheel slippage and other factors, the dead-reckoning error grows over time → add a compass to get the absolute orientation.بس الانزلاق بيخلي الغلط يكبر مع الوقت، فبنحط compass يدينا الاتجاه الحقيقي.
• Next step to global sensors: GPS receiver — works only outdoors in unobstructed areas.الـ GPS بيشتغل برّه في مكان مفتوح بس.
• Analog compass: simplest, only eight directions as different voltage levels; cheap; connect to an analog input + thresholds. Digital compass: more complex, much higher resolution: 1° resolution, 2° accuracy, usable indoors.الأنالوج: 8 اتجاهات بس ورخيص. الديجيتال: دقة درجة واحدة وبيشتغل جوه المباني.

• Orientation sensors give the robot’s orientation in 3D; required for tracked, balancing, walking robots and autonomous planes. One sensor = one axis; two or three combined for more axes.سنسورات الاتجاه في الفراغ: لازمة للجنزير والروبوت المتوازن واللي بيمشي والطيارة.
• Accelerometer: acceleration along one axis (ADXL05 analog; ADXL202 dual-axis PWM). Gyroscope: rotational change of orientation (angular velocity ω) about one axis (HiTec GY 130, PWM). Inclinometer: absolute orientation angle about one axis (Seika N3 analog, N3d PWM).accelerometer = عجلة. gyroscope = سرعة اللف (التغيير). inclinometer = زاوية الميل الحقيقية.
• Accelerometer + gyroscope = inertial sensors, built with MEMS; three gyros on orthogonal axes measure yaw, pitch, roll rates ω.الاتنين اسمهم inertial ومعمولين MEMS، و3 جيروز بيقيسوا yaw وpitch وroll.
• Orientation angle θ = integration of ω over time; digitally: an accumulator sum θ(nT) = T·Σω(k).الزاوية = تكامل السرعة الزاوية، ورقميًا = مجموع القراءات × زمن العينة.
• Position: knowing orientation (gyro), subtract gravity to get world accelerations, then double integration over time + known starting position (calibration).المكان: نشيل الجاذبية من العجلة ونكامل مرتين ونبدأ من مكان معروف.
• MPU6050: complete 6-axis motion tracking device: 3-axis gyroscope + 3-axis accelerometer + Digital Motion Processor + on-chip temperature sensor; I2C interface; auxiliary I2C for a 3-axis magnetometer → 9-axis motion fusion.MPU6050: جيرو 3 محاور + أكسيليروميتر 3 محاور + معالج، بـ I2C، ولو ضفت magnetometer يبقى 9 محاور.
• Inclinometer: measures the absolute angle (not the derivative) → seems better than a gyroscope, but suffers a time lag and is prone to oscillation under positional noise (e.g. servo jitter). For immediate response (balancing robots) gyroscopes have the advantage. Ideal solution: a combination of inclinometer and gyroscope.الـ inclinometer بيدي الزاوية الحقيقية بس بطيء ويتهز مع الاهتزاز. الجيرو سريع بس بيقيس التغيير. الحل الأمثل: الاتنين مع بعض — الجيرو للسرعة والـ inclinometer كمرجع ثابت.

• The most complex sensors in robotics; not used in embedded systems until recently because of the required processor speed and memory.الكاميرا أعقد سنسور؛ مكانتش بتتحط في الأنظمة الصغيرة لأنها محتاجة معالج وذاكرة كبار.
• For mobile robots we want a high frame rate (robot is moving, data must be fresh); trade-off with resolution → 60×80 pixels is sufficient for small robots (e.g. detect colored objects or obstacles, robot soccer).المهم سرعة الفريمات مش الدقة؛ 60×80 بكسل كفاية تشوف كورة ملونة أو عائق.

• Actuators are used to produce mechanical movement in robots. Types: electrical, hydraulic, pneumatic, others.الـ actuator هو اللي بيعمل الحركة. أنواعه: كهربا، هيدروليك (زيت)، نيوماتيك (هوا).
• Electric motors: the most common actuators in mobile robots; convert electrical energy into mechanical energy.الموتور الكهربا هو الأشهر في الروبوتات المتحركة: كهربا ← حركة.
• Pneumatic & hydraulic: use compressed air / oil; used in industry for large manipulation tasks but seldom for mobile robots.الهيدروليك والنيوماتيك: في المصانع للحاجات الكبيرة، ونادرًا في الروبوت المتحرك.
• Electrical actuator types: DC motors, AC motors, stepper motors, servos.أنواع الكهربا: DC، AC، stepper، servo.

• Principle: a current through a conductor (coil) placed within a magnetic field → a force on the wire causing it to move (rotate).المبدأ: سلك فيه تيار جوه مجال مغناطيسي ← عليه قوة ← يلف.
• North and south magnetic poles → strong magnetic field; bulky ferrous material → outer casing = stator.الأقطاب المغناطيسية هي الغلاف الخارجي الثابت (stator).
• Armature (rotor): cylindrical ferrous core rotating within the stator, carrying many windings.الـ rotor: الجزء اللي بيلف جوه، وعليه ملفات.
• Commutator: rotates with the armature; copper contacts at the ends of the windings. Brushes: fixed, in contact with the commutator; carry DC to the coils.الـ commutator بيلف مع الـ rotor، والـ brushes ثابتة وبتوصّل التيار له.
• How it works: the commutator (a rotary switch) reverses the current twice every cycle so the armature’s electromagnet poles push and pull against the permanent magnets; during the switching instant, inertia keeps the motor going.الـ commutator بيعكس التيار مرتين كل لفة عشان الشد والزق يفضلوا في نفس الاتجاه، ولحظة العكس الـ inertia بتكمّل اللفة.

• DC motor speed: 1000–5000 rpm → too high for mobile robots. Reduce it by a gearbox or by reducing driving power (voltage/current).الموتور سريع جدًا (1000–5000 لفة/دقيقة)، فبنقلل السرعة بجيربوكس أو بتقليل الفولت.
• Motor shaft on the smaller gear, output from the bigger gear → speed reduction (the opposite increases speed); reduction ∝ N1/N2 (teeth numbers).الموتور على الترس الصغير والخرج من الكبير ← السرعة تقل؛ والنسبة = عدد سنان الترسين.
• Multiple gears → high reduction ratio = gearbox; torque increases as speed is reduced.كذا ترس ورا بعض = جيربوكس؛ وكل ما السرعة تقل العزم يزيد.
• Encapsulated motor: a single package with DC motor + gearbox + (even) shaft encoder.الموتور الـ encapsulated: موتور + جيربوكس + encoder في علبة واحدة — ده اللي تختاره لعجل الروبوت.
• Advantages of DC motors: simple, cheap, easy to control.مميزات الـ DC: بسيط، رخيص، سهل التحكم.

• H-bridge: an electronic circuit that allows a motor to be driven in both directions (forward/backward, CW/CCW); 4 electronic switches in a bridge configuration.الـ H-bridge دايرة بـ 4 مفاتيح بتخلي الموتور يلف في الاتجاهين.
• Closing SW1 and SW2 → current from left to right (forward). Closing SW3 and SW4 → current from right to left (reverse).SW1+SW2 ← التيار من الشمال لليمين (قدام). SW3+SW4 ← من اليمين للشمال (ورا).
• Half H-bridge = 2 switches (SW1, SW4); outputs either Vcc or GND: IN = 0 V → SW4 closed; IN = 5 V → SW1 closed. A full H-bridge = two half H-bridges.نص H-bridge = مفتاحين بس، خرجه يا Vcc يا أرضي. والكامل = نصين.

• L293D: an IC for DC motor drive = two full H-bridges = four half H-bridges; used with a microcontroller to run a DC motor forward and backward; controls two motors.L293D = 2 H-bridge كاملين = 4 أنصاص؛ يشغّل موتورين في الاتجاهين.
• Needs 3 signals per motor: one enable + two inputs.كل موتور محتاج 3 إشارات: enable واتنين input.
• Pins: VCC1 = logic supply (5 V) · VCC2 = motor supply (12 V) · Enable 1,2 = turn half H-bridges 1,2 on/off · Input1 / Output1 = input / output of half H-bridge 1.VCC1 للّوجيك 5 فولت، VCC2 للموتور 12 فولت، والـ enable بيشغّل ويطفي.
• Simulation: IN1 = 1, IN2 = 0, EN = 1 → forward · IN1 = 0, IN2 = 1, EN = 1 → backward · EN = 0 → motor off.IN1=1 وIN2=0 ← قدام. IN1=0 وIN2=1 ← ورا. ولو EN=0 الموتور يقف (سلايد 25 عنوانه forward بس الـ EN=0 والموتور واقف 0.00).
• Speed + direction: put the PWM signal on the enable pin (slides 32–35: forward/backward at 10 %, 50 %, 90 %).عشان نتحكم في السرعة بنحط الـ PWM على الـ enable، والاتجاه من IN1 وIN2.

• Speed is controlled by increasing/decreasing the effective voltage: high voltage → faster; low → slower.السرعة بتتحكم فيها بالفولت الفعّال: فولت أعلى = أسرع.
• Method 1 — resistor (voltage divider): lower resistance → more voltage → faster. Not practical: the resistor consumes large power (low efficiency) and a high-power resistor is big.بالمقاومة: بتحرق طاقة كتير وكبيرة الحجم ← مش عملي.
• Method 2 — PWM: an effective way to adjust power to a load (speed, brightness…): repeated POWER ON / POWER OFF at high frequency; varying the ON/OFF ratio varies the average power proportionally.الـ PWM: نفتح ونقفل الكهربا بسرعة جدًا، ونسبة وقت الفتح هي اللي بتحدد متوسط القدرة.
• PWM produces digital pulses at the full rated voltage; varying the pulse width in software changes the effective voltage → speed. Microcontroller PWM: fewer components + duty cycle/frequency changed on-the-fly in software.النبضة دايمًا بالفولت الكامل، وبنغيّر عرضها بالسوفتوير. ميزته: مكونات أقل وتغيير فوري.
• Duty cycle (pulse-width ratio) = T_ON / T_period × 100 %: 0 % → motor fully off; 100 % → fully on.الـ duty cycle = وقت التشغيل ÷ الزمن الكلي. 0% واقف، 100% شغال على الآخر.

• The relation between duty cycle and motor speed is not linear → calibrate each motor: measure its speed at various duty cycles (0–100 %) and record a motor calibration table.السرعة مش متناسبة مع الـ duty cycle، فبنعمل جدول معايرة: نقيس السرعة عند كل نسبة.
• With an H-bridge + PWM we can (1) drive forward/backward and (2) change speed — but we have no way of telling the actual speed for a given duty cycle.بالـ H-bridge والـ PWM نقدر نغيّر الاتجاه والسرعة، بس منعرفش السرعة الحقيقية كام.
• The actual speed depends also on external factors such as the load (vehicle weight, roughness of the ground) → needs feedback (shaft encoders).لأن السرعة بتتأثر بالحمل ونوع الأرض ← محتاجين encoder يقيسها (feedback).

• By control method, robots are servo or non-servo. Non-servo robots are essentially open-loop devices whose movements are limited to predetermined mechanical stops. Servo robots use closed-loop control.الروبوت يا non-servo (open loop، حركته محدودة بحاجات ميكانيكية)، يا servo (closed loop).
• Open-loop (non-feedback) controller: computes its input to the system using only the current state and its model; it does not observe the output. Used in simple processes for simplicity and low cost where feedback is not critical.الـ open loop: بيحسب من غير ما يبص على النتيجة. بسيط ورخيص، وينفع لما الدقة مش مهمة.
• For more accurate or adaptive control, feed the output back to the controller’s input (closed loop).لو عايز دقة: رجّع الخرج للكنترولر (closed loop) — زي encoder على الموتور.

• A servo is a mechanism based on feedback control: a high-quality DC motor qualified for “servoing”, with a feedback device; electronics control speed and position.السيرفو = موتور DC كويس + feedback + دايرة تحكم.
• Two types: standard servo turns 0 → 180°; continuous servo turns 0 → 360°.نوعين: standard من 0 لـ 180°، وcontinuous بيلف 360° على طول.
• A unit combining motor + simple feedback electronics for position control; set by a PWM signal — the ratio determines servo position, not speed!في السيرفو العادي الـ PWM بيحدد الزاوية مش السرعة.
• Three wires: power, ground, PWM signal. PWM frequency 50 Hz (T = 20 ms); pulse width 0.5–2 ms. Example: 0.7 ms → leftmost (−120°), 1.7 ms → rightmost (+120°) (1.2 ms ≈ middle).3 أسلاك: كهربا، أرضي، إشارة. الإشارة كل 20 ms، وعرض النبضة 0.5–2 ms بيحدد الزاوية.
• Uses: precision positioning — robotic arms and legs, sensor scanners, RC helicopters, airplanes, cars.استخدامه: أي حاجة محتاجة زاوية دقيقة: دراع، رجل، سنسور بيلف، طيارات وعربيات لعبة.
• Pros: high performance, small size, wide variety of components, high speeds with specialized controls. Cons: slightly higher cost, high performance limited by controls.مميزات: أداء عالي، صغير، أنواع كتير. عيوب: أغلى شوية، وأداؤه محدود بالتحكم.

• A stepper motor moves in steps; can do position or speed control; used in simple open-loop systems, adequate for low accelerations with static loads; forward or reverse.الـ stepper بيتحرك خطوات؛ ينفع للمكان أو السرعة، وبيشتغل open loop مع أحمال ثابتة وعجلة قليلة.
• Stator = two coils A and B, driven in a sequence → rotating magnetic field; the rotor is a permanent magnet that follows it.الـ stator فيه ملفين A وB بيتشغلوا بترتيب فيعملوا مجال بيلف، والـ rotor مغناطيس بيمشي وراه.
• Stepper motors do not require feedback; can be driven one step at a time, forward or backward; a fixed, consistent angular movement.مش محتاج feedback؛ بتعدّ الخطوات.
• Characteristics: steps per revolution (e.g. 200 → 1.8° per step) and max steps per second (“stepping rate” → max speed).مواصفاته: عدد الخطوات في اللفة (200 = 1.8°) وأقصى خطوات في الثانية (= أقصى سرعة).
• Full-step mode needs a 4-step switching sequence; half-step an 8-step sequence (higher resolution).full step = 4 خطوات في التسلسل، half step = 8 (دقة أعلى).

• Example (two-phase): each step rotates 45° clockwise; reverse order (5, 6, A, 9) → counter-clockwise; a full cycle needs 8 steps (9, A, 6, 5, 9, A, 6, 5).في المثال كل خطوة 45°، والعكس بنعكس الترتيب، واللفة الكاملة 8 خطوات.
• Speed is set by the delay between steps: 2 cycles/s × 8 steps = 16 steps/s → step delay = 1/16 s.السرعة من الـ delay بين الخطوات: 2 لفة/ث × 8 = 16 خطوة/ث ← delay = 1/16 ث.
• Slide formula: α = 360° / (2·m·p), m = number of phases, p = number of pole pairs.ملحوظة: السلايد كاتب 360/(2·4·2) وده يطلع 22.5°، بس الشرح والرسمة بيقولوا 45° للـ full step (8 خطوات في اللفة) — لو اتسألت اكتب 45° للـ full step و22.5° للـ half step زي الشرح.

• Advantages: control directly compatible with digital technology; can run open loop by counting steps with an accuracy of ±1 step; usable as holding devices (high holding torque when stationary).مميزات: سهل مع الديجيتال، open loop بعدّ الخطوات بدقة خطوة، وبيمسك مكانه بعزم عالي وهو واقف.
• Disadvantages: resonance and long settling times; rough at low speed unless micro-stepping; undetected position loss (open loop); consumes current regardless of load (coils always energized); high losses at speed → heating, often noisy.عيوب: رنين، خشن في السرعات البطيئة، ممكن يفوّت خطوات من غير ما تعرف، بيسحب تيار طول الوقت، بيسخن ودوشة.
• Examples: Arduino Nano + L293D drives a bipolar stepper; Arduino + ULN2004 drives a unipolar stepper (speed pot + direction switch).الأمثلة: bipolar مع L293D، وunipolar مع ULN2004.

• Sentence pattern: “[Sensor] — to [task], because it [lecture advantage]; it is [external/internal, active/passive].”النمط: السنسور ← عشان يعمل إيه ← ليه هو (ميزة) ← تصنيفه. نفس الكلام للموتور.
• Always justify the choice against an alternative: “IR instead of laser because laser is too large, heavy and expensive for a small robot.”قارن باختصار ببديل: ده بيبيّن إنك فاهم ليه اخترت.
• Mention one limitation + fix (IR < 6 cm → mount back; sonar interference → coded signals; dead-reckoning drift → compass).اكتب عيب واحد وحلّه — بيجيب الدرجة الكاملة.