樂高機器人巡線原理

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(shù)支撐，在機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(zhuǎn)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(zhuǎn)向中心， 否則機器人在巡線轉(zhuǎn)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(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，兩個中心的不統(tǒng)一是實際 存在的，車輛的轉(zhuǎn)向帶動光感的轉(zhuǎn)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(chǎn) 生。所以在實際操作中，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)動作來彌補其中的誤差。而精準的微調(diào)，需要根據(jù)比 賽場地的實際情況進行反復調(diào)試。三、車輛結(jié)構(gòu) 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(jù)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(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)來實現(xiàn)轉(zhuǎn) 向，前者的轉(zhuǎn)向中心位于兩輪胎連線中點，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 現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，但由于機器人反應時間的限制，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。對 于速度要求不高的比賽而言，一般米用后輪驅(qū)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，前后各有一一 個萬向輪作為支撐。這樣的結(jié)構(gòu)在一定程度上可以視為前輪驅(qū)動 和后輪驅(qū)動的結(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行原地轉(zhuǎn)向，適合適用于轉(zhuǎn)90。彎或數(shù)格子行進等一些比較特殊的巡線線路。這種結(jié)構(gòu)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(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 坡任務的需要。小車的轉(zhuǎn)向中心靠近小車的幾何中心，因此能進 行原地轉(zhuǎn)彎運動，具有較好的靈活性，特別適用于轉(zhuǎn)90 °彎或數(shù)格子行進等任務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與地面摩擦，加大轉(zhuǎn)彎的阻力，因而轉(zhuǎn)彎精度應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世界機器人奧林匹 克等一些比較復雜的比賽中占據(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中最基礎的方式，在行進過程中，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)電機交 替運動的方式前進，行進路線呈“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?；舅悸罚汗飧蟹胖糜诤诰€的左側(cè)，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(shù)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(nèi)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，簡要介紹單光感巡線+獨立光感數(shù)線的編程模式?；舅悸罚涸诖巳蝿罩幸笤诖怪焙诰€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(xiàn)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(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) 設置一個光感（4號）專門負責監(jiān)視行進過程中黑線右側(cè)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(cè)，以夾住黑線的方式行進。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?；舅悸罚菏褂脙芍毓飧蟹种С绦虔B加，為四種探測結(jié)果設定與 之對應的程序反應，形成循環(huán)程序結(jié)構(gòu)，參考程序如下圖：4、雙光感巡線+獨立光感數(shù)線般而言，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(shù)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(shù)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(cè)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一一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(jié)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(nèi)容為巡線任務的基礎知識，僅根據(jù)光感的探測做出反應，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），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行時 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），此時光感全部脫離黑線，再原地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)容僅為本人的一些經(jīng)驗粗略總結(jié)，如有不當之處，敬請大 家指正，希望能起到拋磚引玉的作用。