樂高機器人巡線原理

樂高機器人巡線原理一、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(wù)。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(yīng)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(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(yīng)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。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，一般采用后輪驅(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(yīng)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(yīng)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(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(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(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?；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(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，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。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)程序的條件實現(xiàn)這一功能。由于程序的設(shè)定，負責(zé)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(shè)置一個光感（4號）專門負責(zé)監(jiān)視行進過程中黑線右側(cè)的區(qū)域，當(dāng)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(wù)，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(wù)。參考程序如下圖：上述程序只適用于停車一次的需要，在實際比賽中需以定點停車、蔽障任務(wù)為基點，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→→定點停車任務(wù)：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(shè)定與之對應(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)上增加定點停車、識別交叉口、繞開障礙等多項任務(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，以定點停車、蔽障任務(wù)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(wù)相對應(yīng)的程序，然后重新進行巡線任務(wù)。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(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——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(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），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