樂高機(jī)器人巡線原理

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1、在機(jī)器人競(jìng)賽中，“巡線”特指讓機(jī)器人沿著場(chǎng)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(gè)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(cè)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(cè)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。因此，兩個(gè)中心的不統(tǒng)一是實(shí)際

2、存在的，車輛的轉(zhuǎn)向帶動(dòng)光感的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又相互影響，造成機(jī) 器人在巡線時(shí)對(duì)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(dòng)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(chǎng)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?qǐng)龅刂挟嫵龅穆肪€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(dòng) 前輪驅(qū)動(dòng)的小車一般由兩個(gè)動(dòng)力輪和一個(gè)萬向輪構(gòu)成，動(dòng)力 輪位于車頭，通過左右輪胎反轉(zhuǎn)或其中一個(gè)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中點(diǎn)，后者轉(zhuǎn)向中心位于停 止不動(dòng)

3、的輪胎上。由于轉(zhuǎn)向中心距離光感探測(cè)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(dòng) 后輪驅(qū)動(dòng)的小車結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向中心與前輪驅(qū)動(dòng)小車類似，由于 轉(zhuǎn)向中心靠后，相對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)的小車而言，位于車尾的動(dòng)力輪 需要轉(zhuǎn)動(dòng)較大的幅度，才能使車頭的光感轉(zhuǎn)動(dòng)同樣角度。因此， 后輪驅(qū)動(dòng)的小車雖轉(zhuǎn)向速度較慢，但精度高于前輪驅(qū)動(dòng)小車。對(duì) 于速度要求不高的比賽而言，一般米用后輪驅(qū)動(dòng)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(gè)動(dòng)力輪位于小車中部，前后各有一一 個(gè)萬向輪作為支撐。這樣的結(jié)構(gòu)在一定程度上可以視為前輪驅(qū)動(dòng) 和后輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)合產(chǎn)物，轉(zhuǎn)向速度和精度都介于兩者

4、之間。這種 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)向中心位于車身中部，轉(zhuǎn)彎半徑很小，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(dòng)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(duì)于 NXT機(jī)器人而言，由于伺服 電機(jī)的形狀狹長(zhǎng)不規(guī)律，將動(dòng)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(dòng) 四輪驅(qū)動(dòng)的小車四個(gè)輪胎都有動(dòng)力，能較好地滿足一些比賽中爬 坡任務(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

5、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)小車沒有 萬向輪，轉(zhuǎn)彎需要靠四個(gè)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(dòng)小車之間。 四輪驅(qū)動(dòng)的小車最大優(yōu)勢(shì)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(shì)。 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)過程中，光感在 黑線與白色背景間來回晃動(dòng)，因此，這種巡線只能

6、用兩側(cè)電機(jī)交 替運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單易于掌握，但由于只有一個(gè)光感，對(duì)無法在完成較為復(fù)雜的 巡線任務(wù)（如遇黑線停車、識(shí)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(dòng)右輪前進(jìn)， 判白則右輪不動(dòng)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，簡(jiǎn)要介紹單光感巡線 +獨(dú)立光 感數(shù)線的編程模式。 基本思

7、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(hào)光感在行進(jìn)時(shí)始終位于 黑線的左側(cè)，不會(huì)移動(dòng)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(gè)光感（4號(hào)）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、蔽障任務(wù)為基點(diǎn)，將巡線賽道劃分為若干個(gè)小段依次設(shè)定 程序，或采用兩重循環(huán)

8、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(jìng)賽中最常見的巡線模式，兩個(gè)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(gè)光感讀取的數(shù)值 不同，可以將光感的探測(cè)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(cè)結(jié)果，分別執(zhí)行右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、直 行和停車四種動(dòng)作的程序命令。由于這種方法能讓兩個(gè)電機(jī)同時(shí) 工作，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度較快，同時(shí)采取兩個(gè)光敏監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果設(shè)定與 之對(duì)應(yīng)的程序反應(yīng)，形成循環(huán)程序結(jié)構(gòu)，參考程序如下圖： 4、雙光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線 —般而言，一個(gè)以巡線為基礎(chǔ)的比賽，

9、會(huì)在巡線的基礎(chǔ)上增加定 點(diǎn)停車、識(shí)別交叉口、繞開障礙等多項(xiàng)任務(wù)，想要準(zhǔn)確識(shí)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(gè)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(duì)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(gè)光感的外側(cè)再放置一個(gè)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(gè)光感之間，因而第三 個(gè)光感探測(cè)到黑線只會(huì)是兩種情況一一抵達(dá)停車地點(diǎn)或巡線路 線交叉處，于是以第三個(gè)光感探測(cè)到黑線作為結(jié)束循環(huán)的條件進(jìn) 行編程，參

10、考程序如下： 注：由于光感放置位置的原因，使得第三個(gè)光感判黑的時(shí)候，前 兩個(gè)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(gè) 光感判黑代替前兩個(gè)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(gè)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(shí)，僅根據(jù)光感的探測(cè)做出反應(yīng)， 簡(jiǎn)單地將光感探測(cè)中心與小車轉(zhuǎn)向中心重合（將小車視為一個(gè)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(duì)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(cè)中心的區(qū)別，需要特殊對(duì)待。 一般而言，在探測(cè)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(dòng)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(dòng)車身，當(dāng)負(fù)責(zé)夾住 黑線行進(jìn)的光感重新探測(cè)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(qǐng)大 家指正，希望能起到拋磚引玉的作用。