樂高機(jī)器人巡線原理

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1、、八 、前言 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。

2、因此，兩個(gè)中心的不統(tǒng)一 是實(shí)際存在的，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) 于車 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 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

3、于兩輪胎連線中點(diǎn)，后者轉(zhuǎn)向中心位于停止不動(dòng)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)

4、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)

5、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(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、WR（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

6、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

7、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

8、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)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

9、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 一般而言，一個(gè)以巡線為基礎(chǔ)的比賽，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， 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

10、 線只會(huì)是兩種情況— —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 地將 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 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。