樂高機器人巡線原理

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1、一、 前言 在機器人競賽中， 巡線”特指讓機器人沿著場地中一條固定線路（通常是黑線）行進的任務。作 為一項搭建和編程的基本功， 巡線既可以是獨立的常規(guī)賽比賽項目， 也能成為其他比賽項目的重要技 術支撐，在機器人比賽中具有重要地位。 二、 光感中心與小車轉向中心 以常見的雙光感巡線為例， 光感的感應中心是兩個光感連線的中點， 也就是黑線的中間位置。 而小車 的轉向，是以其車輪連線的中心為圓心進行的。很明顯，除非將光感放置于小車轉向中心，否則機器 人在巡線轉彎的過程中， 探測線路與做出反應之間將存在一定差距。 而若將光感的探測中心與轉向中 心重合，將大幅提升搭建難度并降低車輛靈活性。因

2、此，兩個中心的不統(tǒng)一是實際存在的，車輛的轉 向帶動光感的轉動，同時又相互影響，造成機器人在巡線時對黑線的反應過快或者過慢，很多巡線失 誤由此產生。 所以在實際操作中，一般通過程序與結構的配合，在程序中加入一定的微調動作來彌補其中的誤差 而精準的微調，需要根據比賽場地的實際情況進行反復調試。 三、車輛結構 巡線任務的核心是讓機器人小車按照場地中畫出的路線行進， 因此，根據任務需要選擇合適搭建方式 是完成巡線任務的第一步。 1、 前輪驅動 前輪驅動的小車一般由兩個動力輪和一個萬向輪構成， 動力輪位于車頭，通過左右輪胎反轉或其 中一個輪胎停轉來實現轉向， 前者的轉向中心位于兩輪胎連線

3、中點， 后者轉向中心位于停止不動的輪 胎上。由于轉向中心距離光感探測中心較近，可以實現快速轉向，但由于機器人反應時間的限制，轉 向精度有限。 2、 后輪驅動 后輪驅動的小車結構和轉向中心與前輪驅動小車類似， 由于轉向中心靠后，相對于前輪驅動的小 車而言，位于車尾的動力輪需要轉動較大的幅度，才能使車頭的光感轉動同樣角度。因此，后輪驅動 的小車雖轉向速度較慢，但精度高于前輪驅動小車。 動的搭建方式。 3、菱形輪胎分布 菱形輪胎分布是指小車的兩個動力輪位于小車中部， 定程度上可以視為前輪驅動和后輪驅動的結合產物， 勢在于轉向中心位于車身中部， 轉彎半徑很小， 對于速度要求不高的比賽而

4、言， 一般采用后輪驅 前后各有一個萬向輪作為支撐。 這樣的結構在一 轉向速度和精度都介于兩者之間。 這種結構的優(yōu) 甚至能以自身幾何中心為圓心進行原地轉向， 適合適 用于轉90。彎或數格子行進等一些比較特殊的巡線線路 這種結構最初應用于 RCX機器人足球上，居中的動力源可以讓參賽選手為機器人安裝更多的固定和 防護裝置，以適應比賽中激烈的撞擊，具有很好的穩(wěn)定性。而對于 NXT機器人而言，由于伺服電機 的形狀狹長不規(guī)律，將動力輪位于車身中部的做法將大幅提升搭建難度， 并使車身重心偏高，降低轉 彎靈活性。 4、四輪驅動 四輪驅動的小車四個輪胎都有動力， 能較好地滿足一些比賽中爬坡任

5、務的需要。 小車的轉向中心靠近 小車的幾何中心，因此能進行原地轉彎運動，具有較好的靈活性，特別適用于轉 90。彎或數格子行進 等任務一些比較特殊的巡線線路。雖然與后輪驅動小車相比，轉向中心比較靠前，轉向精度較小，但 四輪驅動小車沒有萬向輪， 轉彎需要靠四個輪胎同時與地面摩擦， 加大轉彎的阻力，因而轉彎精度應 介于菱形輪胎分布的小車和后輪驅動小車之間。 四輪驅動的小車最大優(yōu)勢在于具有普遍適應性，熟練掌握此結構的參賽選手能在參加 FLL工程挑戰(zhàn) 賽、WRO世界機器人奧林匹克等一些比較復雜的比賽中占據一定優(yōu)勢。 四、編程方案 1、單光感巡線 單光感巡線是巡線任務中最基礎的方式，在行進

6、過程中，光感在黑線與白色背景間來回晃動，因此， 這種巡線只能用兩側電機交替運動的方式前進， 行進路線呈 之”字形。這種巡線方式結構簡單易于掌 握，但由于只有一個光感，對無法在完成較為復雜的巡線任務（如遇黑線停車、識別線路交叉口等） 且速度較慢。 基本思路：光感放置于黑線的左側，判黑則左輪不動右輪前進，判白則右輪不動左輪前進，如此交替 循環(huán)。參考程序如下圖： 2、單光感巡線+獨立光感數線 在很多比賽中，機器人需要做的不僅僅是沿著黑線行進， 還需要完成一些其他任務，如在循跡路 線上增加垂直黑線要求停車、放置障礙物要求躲避等內容。此時，單光感巡線已不能滿足要求。下面 以要求定點停車為例，

7、簡要介紹單光感巡線 +獨立光感數線的編程模式。 基本思路：在此任務中要求在垂直黑線處停車， 則需要跳出單光感巡線的循環(huán)程序體系， 可以通過設 置循環(huán)程序的條件實現這一功能。由于程序的設定，負責巡線的 3號光感在行進時始終位于黑線的左 側，不會移動到黑線右側的白色區(qū)域，因此在黑線右側設置一個光感（ 4號）專門負責監(jiān)視行進過程 中黑線右側的區(qū)域，當此光感判黑時，即可判斷出小車行進到垂直黑線處， 于是終止單光感巡線的循 環(huán)程序，執(zhí)行規(guī)定的停車任務，然后向前行進一小段距離駛過垂直黑線，繼續(xù)單光感巡線任務。參考 程序如下圖： 上述程序只適用于停車一次的需要， 在實際比賽中需以定點停車、 蔽

8、障任務為基點，將巡線賽道 劃分為若干個小段依次設定程序，或采用兩重循環(huán)的程序，重復執(zhí)行巡線 定點停車任務： 3、 雙光感巡線 雙光感巡線是機器人競賽中最常見的巡線模式， 兩個光感分別位于黑線兩側， 以夾住黑線的方式行進。 根據兩個光感讀取的數值不同， 可以將光感的探測結果分為左白右黑、 左黑右白、雙白和雙黑四種情 況，根據這四種探測結果，分別執(zhí)行右轉、左轉、直行和停車四種動作的程序命令。由于這種方法能 讓兩個電機同時工作，機器人運動的速度較快，同時采取兩個光敏監(jiān)測黑線，精度也有所提高。 基本思路：使用兩重光感分支程序疊加， 為四種探測結果設定與之對應的程序反應， 形成循環(huán)程序結 構

9、，參考程序如下圖： 4、 雙光感巡線+獨立光感數線 一般而言，一個以巡線為基礎的比賽，會在巡線的基礎上增加定點停車、識別交叉口、繞開障礙等多 項任務，想要準確識別并完成這些任務，需要在掌握上述雙光感巡線技術的基礎上，以定點停車、蔽 障任務為基點，將巡線賽道劃分為若干個小段， 使用傳感器、邏輯判斷等方式跳出雙光感巡線的循環(huán) 程序，執(zhí)行與完成任務相對應的程序，然后重新進行巡線任務。 以雙光感巡線+獨立光感數線的模式為例，在雙光感巡線的基礎上，在其中一個光感的外側再放置一 個光感。由于使用雙光感巡線， 標記行進路線的黑線將始終位于前兩個光感之間， 因而第三個光感探 測到黑線只會是兩種情況

10、 抵達停車地點或巡線路線交叉處，于是以第三個光感探測到黑線作為結 束循環(huán)的條件進行編程，參考程序如下： 注：由于光感放置位置的原因， 使得第三個光感判黑的時候， 前兩個光感探頭必然同時處于黑線上或 十分接近，完全能以第三個光感判黑代替前兩個光感同時判黑的情況， 因此在巡線循環(huán)部分將雙光感 判黑的一個分支跳過不予編程。 五、延展 上述內容為巡線任務的基礎知識， 僅根據光感的探測做出反應， 簡單地將光感探測中心與小車轉向中 心重合（將小車視為一個僅有重量沒有體積的質點） ，可完成一些線路有弧度的平滑路線，對于較難 的巡線彎道，如直角彎、 V”字形彎道等特殊線路，則必須考慮轉向中心和探測中心的區(qū)別，需要特 殊對待。 一般而言，在探測到此類彎道之后， 需要先精確控制小車運行時間， 將小車的轉向中心移動到彎道的 中心（如V”字形彎道的定點），此時光感全部脫離黑線，再原地轉動車身，當負責夾住黑線行進的光 感重新探測到黑線時，則小車已完成轉彎任務并回到循跡路線，然后繼續(xù)執(zhí)行巡線任務。 以上內容僅為本人的一些經驗粗略總結， 如有不當之處，敬請大家指正，希望能起到拋磚引玉的作用。