樂高機(jī)器人巡線原理

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1、一、 前言 在機(jī)器人競賽中， 巡線”特指讓機(jī)器人沿著場地中一條固定線路（通常是黑線）行進(jìn)的任務(wù)。作 為一項(xiàng)搭建和編程的基本功， 巡線既可以是獨(dú)立的常規(guī)賽比賽項(xiàng)目， 也能成為其他比賽項(xiàng)目的重要技 術(shù)支撐，在機(jī)器人比賽中具有重要地位。 二、 光感中心與小車轉(zhuǎn)向中心 以常見的雙光感巡線為例， 光感的感應(yīng)中心是兩個光感連線的中點(diǎn)， 也就是黑線的中間位置。 而小車 的轉(zhuǎn)向，是以其車輪連線的中心為圓心進(jìn)行的。很明顯，除非將光感放置于小車轉(zhuǎn)向中心，否則機(jī)器 人在巡線轉(zhuǎn)彎的過程中， 探測線路與做出反應(yīng)之間將存在一定差距。 而若將光感的探測中心與轉(zhuǎn)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(shí)際存在的，車輛的轉(zhuǎn) 向帶動光感的轉(zhuǎn)動，同時(shí)又相互影響，造成機(jī)器人在巡線時(shí)對黑線的反應(yīng)過快或者過慢，很多巡線失 誤由此產(chǎn)生。 所以在實(shí)際操作中，一般通過程序與結(jié)構(gòu)的配合，在程序中加入一定的微調(diào)動作來彌補(bǔ)其中的誤差 而精準(zhǔn)的微調(diào)，需要根據(jù)比賽場地的實(shí)際情況進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。 三、車輛結(jié)構(gòu) 巡線任務(wù)的核心是讓機(jī)器人小車按照場地中畫出的路線行進(jìn)， 因此，根據(jù)任務(wù)需要選擇合適搭建方式 是完成巡線任務(wù)的第一步。 1、 前輪驅(qū)動 前輪驅(qū)動的小車一般由兩個動力輪和一個萬向輪構(gòu)成， 動力輪位于車頭，通過左右輪胎反轉(zhuǎn)或其 中一個輪胎停轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向， 前者的轉(zhuǎn)向中心位于兩輪胎連線

3、中點(diǎn)， 后者轉(zhuǎn)向中心位于停止不動的輪 胎上。由于轉(zhuǎn)向中心距離光感探測中心較近，可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，但由于機(jī)器人反應(yīng)時(shí)間的限制，轉(zhuǎn) 向精度有限。 2、 后輪驅(qū)動 后輪驅(qū)動的小車結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向中心與前輪驅(qū)動小車類似， 由于轉(zhuǎn)向中心靠后，相對于前輪驅(qū)動的小 車而言，位于車尾的動力輪需要轉(zhuǎn)動較大的幅度，才能使車頭的光感轉(zhuǎn)動同樣角度。因此，后輪驅(qū)動 的小車雖轉(zhuǎn)向速度較慢，但精度高于前輪驅(qū)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(qū)動和后輪驅(qū)動的結(jié)合產(chǎn)物， 勢在于轉(zhuǎn)向中心位于車身中部， 轉(zhuǎn)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(qū) 前后各有一個萬向輪作為支撐。 這樣的結(jié)構(gòu)在一 轉(zhuǎn)向速度和精度都介于兩者之間。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu) 甚至能以自身幾何中心為圓心進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向， 適合適 用于轉(zhuǎn)90。彎或數(shù)格子行進(jìn)等一些比較特殊的巡線線路 這種結(jié)構(gòu)最初應(yīng)用于 RCX機(jī)器人足球上，居中的動力源可以讓參賽選手為機(jī)器人安裝更多的固定和 防護(hù)裝置，以適應(yīng)比賽中激烈的撞擊，具有很好的穩(wěn)定性。而對于 NXT機(jī)器人而言，由于伺服電機(jī) 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(zhuǎn) 彎靈活性。 4、四輪驅(qū)動 四輪驅(qū)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(wù)的需要。 小車的轉(zhuǎn)向中心靠近 小車的幾何中心，因此能進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，具有較好的靈活性，特別適用于轉(zhuǎn) 90。彎或數(shù)格子行進(jìn) 等任務(wù)一些比較特殊的巡線線路。雖然與后輪驅(qū)動小車相比，轉(zhuǎn)向中心比較靠前，轉(zhuǎn)向精度較小，但 四輪驅(qū)動小車沒有萬向輪， 轉(zhuǎn)彎需要靠四個輪胎同時(shí)與地面摩擦， 加大轉(zhuǎn)彎的阻力，因而轉(zhuǎn)彎精度應(yīng) 介于菱形輪胎分布的小車和后輪驅(qū)動小車之間。 四輪驅(qū)動的小車最大優(yōu)勢在于具有普遍適應(yīng)性，熟練掌握此結(jié)構(gòu)的參賽選手能在參加 FLL工程挑戰(zhàn) 賽、WRO世界機(jī)器人奧林匹克等一些比較復(fù)雜的比賽中占據(jù)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(wù)中最基礎(chǔ)的方式，在行進(jìn)

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(cè)電機(jī)交替運(yùn)動的方式前進(jìn)， 行進(jìn)路線呈 之”字形。這種巡線方式結(jié)構(gòu)簡單易于掌 握，但由于只有一個光感，對無法在完成較為復(fù)雜的巡線任務(wù)（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(cè)，判黑則左輪不動右輪前進(jìn)，判白則右輪不動左輪前進(jìn)，如此交替 循環(huán)。參考程序如下圖： 2、單光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線 在很多比賽中，機(jī)器人需要做的不僅僅是沿著黑線行進(jìn)， 還需要完成一些其他任務(wù)，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(nèi)容。此時(shí)，單光感巡線已不能滿足要求。下面 以要求定點(diǎn)停車為例，

7、簡要介紹單光感巡線 +獨(dú)立光感數(shù)線的編程模式。 基本思路：在此任務(wù)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(shè) 置循環(huán)程序的條件實(shí)現(xiàn)這一功能。由于程序的設(shè)定，負(fù)責(zé)巡線的 3號光感在行進(jìn)時(shí)始終位于黑線的左 側(cè)，不會移動到黑線右側(cè)的白色區(qū)域，因此在黑線右側(cè)設(shè)置一個光感（ 4號）專門負(fù)責(zé)監(jiān)視行進(jìn)過程 中黑線右側(cè)的區(qū)域，當(dāng)此光感判黑時(shí)，即可判斷出小車行進(jìn)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(wù)，然后向前行進(jìn)一小段距離駛過垂直黑線，繼續(xù)單光感巡線任務(wù)。參考 程序如下圖： 上述程序只適用于停車一次的需要， 在實(shí)際比賽中需以定點(diǎn)停車、 蔽

8、障任務(wù)為基點(diǎn)，將巡線賽道 劃分為若干個小段依次設(shè)定程序，或采用兩重循環(huán)的程序，重復(fù)執(zhí)行巡線 定點(diǎn)停車任務(wù)： 3、 雙光感巡線 雙光感巡線是機(jī)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(cè)， 以夾住黑線的方式行進(jìn)。 根據(jù)兩個光感讀取的數(shù)值不同， 可以將光感的探測結(jié)果分為左白右黑、 左黑右白、雙白和雙黑四種情 況，根據(jù)這四種探測結(jié)果，分別執(zhí)行右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、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(jī)同時(shí)工作，機(jī)器人運(yùn)動的速度較快，同時(shí)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(jié)果設(shè)定與之對應(yīng)的程序反應(yīng)， 形成循環(huán)程序結(jié) 構(gòu)

9、，參考程序如下圖： 4、 雙光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線 一般而言，一個以巡線為基礎(chǔ)的比賽，會在巡線的基礎(chǔ)上增加定點(diǎn)停車、識別交叉口、繞開障礙等多 項(xiàng)任務(wù)，想要準(zhǔn)確識別并完成這些任務(wù)，需要在掌握上述雙光感巡線技術(shù)的基礎(chǔ)上，以定點(diǎn)停車、蔽 障任務(wù)為基點(diǎn)，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(wù)相對應(yīng)的程序，然后重新進(jìn)行巡線任務(wù)。 以雙光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線的模式為例，在雙光感巡線的基礎(chǔ)上，在其中一個光感的外側(cè)再放置一 個光感。由于使用雙光感巡線， 標(biāo)記行進(jìn)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(dá)停車地點(diǎn)或巡線路線交叉處，于是以第三個光感探測到黑線作為結(jié) 束循環(huán)的條件進(jìn)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(shí)候， 前兩個光感探頭必然同時(shí)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(shí)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(nèi)容為巡線任務(wù)的基礎(chǔ)知識， 僅根據(jù)光感的探測做出反應(yīng)， 簡單地將光感探測中心與小車轉(zhuǎn)向中 心重合（將小車視為一個僅有重量沒有體積的質(zhì)點(diǎn)） ，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(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)間， 將小車的轉(zhuǎn)向中心移動到彎道的 中心（如V”字形彎道的定點(diǎn)），此時(shí)光感全部脫離黑線，再原地轉(zhuǎn)動車身，當(dāng)負(fù)責(zé)夾住黑線行進(jìn)的光 感重新探測到黑線時(shí)，則小車已完成轉(zhuǎn)彎任務(wù)并回到循跡路線，然后繼續(xù)執(zhí)行巡線任務(wù)。 以上內(nèi)容僅為本人的一些經(jīng)驗(yàn)粗略總結(jié)， 如有不當(dāng)之處，敬請大家指正，希望能起到拋磚引玉的作用。