關于樂高EV3單光感巡線的對比研究

張志歡 張佩星

(華東師范大學附屬紫竹小學 上海 200000)

關于樂高EV3單光感巡線的對比研究

張志歡 張佩星

(華東師范大學附屬紫竹小學 上海 200000)

本文對樂高ev3基礎小車單光感巡線的研究，以左側巡線為例，通過不同巡線方式下的實驗研究，得出不同圖案中巡線的特點，從而為今后FLL比賽巡線任務中提供參考。

EV3;單光感;巡線方式;FLL比賽

一、研究背景

機器人技術是一個國家科學技術水平和國民經濟現代化的重要標志，也是打開21世紀大門的鑰匙，隨著機器人技術的發(fā)展，其在教育領域的應用也逐步得到重視。中國青少年機器人競賽活動是中國科協(xié)主辦的面向21世紀青少年的系列科技創(chuàng)新活動之一；該活動的競賽宗旨在以豐富多彩、形式多樣的機器人研究項目，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神和動手實踐能力，激發(fā)他們對科學技術以及機器人研究應用的興趣，提高他們的科學素質；它的競賽項目有創(chuàng)意比賽、綜合技能比賽、足球比賽、FLL工程挑戰(zhàn)賽和VEX工程挑戰(zhàn)賽五項賽事，其中FLL工程挑戰(zhàn)賽是比賽隊伍自行設計、制作機器人并進行編程，按照一定的規(guī)則，在兩分半的時間內通過完成更多的任務來提高比賽得分。

FLL工程挑戰(zhàn)賽每年都有不同的比賽主題，設有基地和任務區(qū)，場地中都會設有不同顏色的線段或者弧線，以黑色線條居多，巡線就是讓機器沿著線的邊沿走，通過巡線機器能夠更準確的到達預定位置或者安全返回到基地內，脫離了巡線的機器就好比是沒有線的風箏一盤散沙，只通過機器的精準設計，多數情況下完成任務是沒有問題的，但場地一旦出現打滑或者機器空轉的時候，再讓機器完成任務就變的很牽強，所以巡線是機器人比賽中一項很重要的內容，快速的巡線不僅能夠節(jié)省時間，還能夠更精準的定位機器，所以對巡線的探究是很有必要的。

二、研究現狀

單光感巡線的種類有很多，常見的有兩段式巡線、三段式巡線、比例控制巡線，筆者以EV3基礎小車單光感左側巡線為例，巡線方式如下：

兩段式巡線：機器人只能做兩件事轉左或轉右，除了方向相反，轉值是一樣的，給光值設定一個目標值，當光值低于目標值時說明靠近黑線，這時候需要機器向左側調整；當光值高于目標值時，說明遠離黑線，此時需要機器向右側調整。

三段式巡線：在兩段式巡線基礎上加上一段直行的調整區(qū)間，當光值低于直行最低值，機器向左調整，當高于直行最高值，機器向右調整，當光值在區(qū)間時，讓機器不做調整保持直行，這樣就減少了機器轉彎的次數，提高了巡線的效率。

比例控制巡線：用機器的實際光值與目標光值做差，當偏離線的時候差值就變大，機器就做大的調整；當靠近線的時候，差值就變小，機器就做較小的調整；比例控制巡線常用的就是PID控制，將光值差乘以系數P得出比例部分，將光值差累加乘以系數I得出積分部分，將兩次偏差的差值作為錯誤預測值乘以系數D得出導數部分，將三部分的值相加得出一個偏轉值,通過這個值來調整左右馬達的不同輸出。通過I、D的不同賦值，就有P、PI、PD和PID四種模式。

三、研究對象及方法

(一)研究對象

以EV3基礎小車為研究對象，馬達功率值均設為50，采用不同的巡線模式，實驗中將書法軟筆固定小車頭部記錄軌跡(距離)，用程序記錄巡線時間(時間)，橫向距離最大差值作為擺幅(穩(wěn)定性)，通過數據對比得出實驗結果。

(二)研究方法

1.文獻資料法

通過中國知網網絡平臺，查找國內有關巡線研究的期刊、雜志等數據和資料，為研究提供理論指導，查閱中文樂高網絡平臺，觀看分享案例視頻及動態(tài)資料，為研究提供參考。

2.實驗法

綜合參賽選手們2016～2017兩個賽季工程賽事的場地任務方案，其中單光感巡線主要巡的有直線、弧線和L字形圖案，為便于實驗研究和統(tǒng)計，取直線、圓形、L形三種常用圖形進行巡線，通過數據比較分析，從而得出結論。

3.邏輯分析法

結合所得的數據、相關理論以及實驗統(tǒng)計的結果運用分析與綜合、歸納與演繹、對比等方法進行分析，尋求合理性的巡線方式。

四、結果與分析

(一)巡直線中的各巡線方式對比

直線是最常用的巡線圖案，通過巡直線可以幫助機器到達指定位置，從而讓機器人完成任務。通過對巡直線的實驗發(fā)現：兩段式和三段式巡線接近，兩段式無論在行走距離和用時上，還是在擺動幅度上，都明顯優(yōu)于三段式；而比例巡線的優(yōu)勢更大，在距離、用時和穩(wěn)定性上都遠遠超過段式巡線，其中P、PI、PD、PID四種巡線在行走距離、時間和擺動幅度上很接近，都呈現出巡線擺幅逐漸較少最后趨近直線行走。

(二)巡圓弧形中的各巡線方式對比

圓弧形巡線比賽中有時也會用到，如2016年FLL動物之友的場地中，其中自動擠奶任務就是巡圓弧形。通過圓弧形的巡線對比發(fā)現：兩段式巡線在行走距離、任務用時方面稍好于三段式巡線，但在穩(wěn)定性上稍微略于三段式；比例巡線在距離、時間和穩(wěn)定性上有很大的優(yōu)勢，其中P、PI、PD、PID四種巡線模式差距不大，在穩(wěn)定性上，開始前調整幅度較大，越往后修正的幅度越小，最后趨近直線達到終點。

(三)巡L形中的各巡線方式對比

L形圖案也很常見，如任務場地中用于區(qū)域劃分或任務導向的分割線。在L形的巡線中，無論如何調整PID數值，比例巡線始終無法完成；在穩(wěn)定變化的圖案中，比例巡線都能及時修正不會偏線，但在直角轉彎中，比例巡線很難調整到轉彎直線上，偏轉值大的時候，保證不了直線的巡線，偏轉值小的時候，保證不了轉彎后的巡線。段式巡線則能完成這種圖案，兩段式在距離、用時和穩(wěn)定性方面稍微好于三段式，但段式巡線難以保證巡線過程中的穩(wěn)定性，擺幅太大。

(四)對入線角度的對比研究

樂高FLL比賽任務中，沒有機器剛出發(fā)就有線可巡，都是在機器出發(fā)一段距離之后才有的黑線，所以入線角度的大小對機器人的影響非同小可。通過實驗對比發(fā)現：段式巡線的入線角度要求一般，三種圖案中兩段式巡線可以直角切入，三段式只能較小的角度切入；而比例巡線要求更高，只能很小的角度切入，否則無法巡線。所以要想在比賽中機器能夠很順暢的巡線，還是需要段式巡線和比例巡線的合理結合。

五、結論

(一)巡直線圖案中，兩段式在距離、時間和穩(wěn)定性方面略微好于三段式，段式巡線遠遠不如比例巡線，比例巡線四種模式差別不大，FLL比賽中沒有必要使用復雜多參數的程序，P巡線模式就足夠比賽需要。

(二)巡圓弧形圖案中，兩段式在距離、時間上稍好于三段式，穩(wěn)定性稍遜于三段式，段式巡線遠遠不如比例巡線，比例巡線四種模式差別不大，為避免程序的繁瑣，降低調整數值的難度，建議選取P巡線模式。

(三)巡L形圖案中，比例巡線始終無法成功，段式巡線中兩段式巡線無論在行走距離、時間和穩(wěn)定性方面要稍微好于三段式，但兩者在穩(wěn)定性方面都表現一般，很難保證終點的位置，從而無法保證任務順利完成。

(四)在入線角度上，段式巡線對入線角度要求一般，尤其是兩段式巡線，90度的入角都可以正常巡線。比例巡線要求很高，稍微偏離巡線方向就容易出現飛線情況，在圖案變化不均勻或者入角無法精確的巡線時，最有效的方法是將段式巡線和比例巡線結合使用。

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[2]王志勃,畢艷茹. 機器人PID控制算法研究與實現[J]. 計算機技術與發(fā)展,2014,10:127-130.

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