機(jī)器人比賽中巡線任務(wù)原理分析

李 然

(江蘇省昆山中學(xué)，江蘇 昆山 215300)

巡線任務(wù)既是機(jī)器人比賽中的常規(guī)項(xiàng)目，也是核心任務(wù)，是其他項(xiàng)目順利開展的重要技術(shù)支撐。對(duì)于機(jī)器人來說，能夠順利完成巡線任務(wù)，標(biāo)志著其具有完成其他項(xiàng)目任務(wù)的深層次可能。巡線任務(wù)一般指讓機(jī)器人按照固定線路行進(jìn)的一項(xiàng)任務(wù)，要求參賽者具有牢靠的編程和搭建基礎(chǔ)。

1 光感與轉(zhuǎn)向原理分析

機(jī)器人比賽中，最為常見的是雙光感巡線任務(wù)，其通過連接兩個(gè)光感中點(diǎn)以確定光感感應(yīng)中心，再將其視為圓心，實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向，但操作過程往往會(huì)遇到很多問題，因?yàn)檗D(zhuǎn)向中心無法與光感重合，導(dǎo)致小車在巡線轉(zhuǎn)彎時(shí)存在時(shí)間和精度差現(xiàn)象。若想克服這一問題，參賽者在車輛搭建過程中將面臨難度更大的搭建任務(wù)，因此車輛轉(zhuǎn)向帶動(dòng)光感轉(zhuǎn)向，光感連線中心無法統(tǒng)一，二者相互影響，導(dǎo)致機(jī)器人巡線時(shí)無法及時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)黑線位置，造成巡線失誤。一旦出現(xiàn)巡線失誤，便會(huì)對(duì)機(jī)器人比賽后續(xù)進(jìn)程造成較大影響，因此完成好最為基礎(chǔ)的巡線任務(wù)是每一個(gè)參賽機(jī)器人必須克服的問題。

實(shí)際操作中，為彌補(bǔ)誤差，參賽者往往需要將程序融入結(jié)構(gòu)搭配中，通過微調(diào)使機(jī)器人，令其根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況做出精準(zhǔn)調(diào)整和反應(yīng)。程序與結(jié)構(gòu)搭配過程中，參賽者需要進(jìn)行反復(fù)嘗試和調(diào)整[1]。

2 結(jié)構(gòu)原理分析

機(jī)器人按照規(guī)定線路行進(jìn)是巡線任務(wù)的核心內(nèi)容。參賽者在機(jī)器人搭建過程中，選擇合適的搭建方法是完成巡線任務(wù)的首要工作。

2.1 前驅(qū)機(jī)器人

兩個(gè)動(dòng)力輪和萬向輪是構(gòu)成前輪驅(qū)動(dòng)小車的主要部分，它們能夠?yàn)閰①悪C(jī)器人提供必要的驅(qū)動(dòng)力。前驅(qū)機(jī)器人轉(zhuǎn)向是通過左右輪胎反轉(zhuǎn)或停止其中一個(gè)輪胎來實(shí)現(xiàn)的，但這種機(jī)器人往往存在一些限制問題，因?yàn)楣飧刑綔y(cè)中心與轉(zhuǎn)向中心相近，即使前驅(qū)機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度較快，其精度卻難以保證。

2.2 后驅(qū)機(jī)器人

另一種常見的驅(qū)動(dòng)模式是后輪驅(qū)動(dòng)小車與全輪驅(qū)動(dòng)小車，它們?cè)谵D(zhuǎn)向中心和小車結(jié)構(gòu)上是相似的，但是兩者轉(zhuǎn)動(dòng)過程有差異。后輪驅(qū)動(dòng)小車的轉(zhuǎn)向中心相對(duì)靠后，轉(zhuǎn)向時(shí)車尾動(dòng)力輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)更大幅度，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)向速度較慢。雖然轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較大，但是轉(zhuǎn)動(dòng)精度更高，更適合精度要求高的比賽。

2.3 輪胎結(jié)構(gòu)

輪胎結(jié)構(gòu)是機(jī)器人設(shè)置中非常重要的環(huán)節(jié)。通常情況下，機(jī)器人由萬向輪支撐，兩個(gè)動(dòng)力輪是菱形輪胎分布，這樣的輪胎分布模式可滿足速度和精度要求，結(jié)合了前、后驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，這一模式在轉(zhuǎn)彎90°的巡線線路或在格子中行進(jìn)的巡線線路中具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。由于轉(zhuǎn)向中心在車體中部，所以轉(zhuǎn)彎半徑相對(duì)較小，能夠達(dá)到以車體自身為幾何中心進(jìn)行圓形旋轉(zhuǎn)的效果。這一分布模式能夠使機(jī)器人安裝更多防護(hù)裝備，提高機(jī)器人穩(wěn)定性，最初出現(xiàn)在RCX機(jī)器人足球中。但對(duì)NXT機(jī)器人來說，由于動(dòng)力輪在中部，且伺服電機(jī)形狀不規(guī)律，導(dǎo)致參賽者在搭建過程中面臨更多困難。機(jī)器人完成之后，車身轉(zhuǎn)彎過程中受重心較高的影響，其靈活性難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[2]。

2.4 四驅(qū)機(jī)器人

四驅(qū)機(jī)器人設(shè)置較為復(fù)雜，其對(duì)各種硬件設(shè)備要求也相對(duì)更高。其四個(gè)輪胎都安有動(dòng)力，以更好地完成爬坡任務(wù)，還會(huì)在幾何中心上安裝轉(zhuǎn)向中心，使其具有靈活性。受轉(zhuǎn)向中心設(shè)置位置相對(duì)較前的影響，四輪驅(qū)動(dòng)小車精度不高。但是四輪驅(qū)動(dòng)小車沒有設(shè)置萬向輪，想要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，要靠四個(gè)輪胎與地面摩擦來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，車輪與地面摩擦力更大，阻力也更大，受沒有設(shè)置萬向輪而導(dǎo)致精確度下降影響較為有限，因此其精確度高于菱形輪胎分布的小車。

3 技術(shù)原理分析

3.1 單光感巡線原理分析

普遍適用性是四輪驅(qū)動(dòng)小車最大的優(yōu)勢(shì)。在 FLL工程挑戰(zhàn)賽、WRO世界機(jī)器人奧林匹克克賽中，如果參賽者能夠掌握四輪驅(qū)動(dòng)小車結(jié)構(gòu)，則更具優(yōu)勢(shì)。

巡線任務(wù)中最基礎(chǔ)的是單光感巡線。巡檢路線往往呈“之”字型，單光感巡線只需要兩側(cè)電機(jī)交替運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。雖然容易掌握，但是卻無法完成像遇黑線停車一類的復(fù)雜任務(wù)，行進(jìn)過程中存在速度較慢的問題。

基本思路：使光感處于黑線左側(cè)，通過光感判斷背景顏色，若判斷結(jié)果為黑色，則只需要右輪前進(jìn)，反之則只需要左輪前進(jìn)。

3.2 單光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線原理分析

除了要沿著黑線行進(jìn)，機(jī)器人在比賽中還要完成如垂直黑線處停車一類的高難度任務(wù)，因此單桿巡線無法滿足要求。以定點(diǎn)停車為例，分析單光感巡線與獨(dú)立光感數(shù)線結(jié)合的編程模式?；舅悸罚禾鰡喂飧醒簿€程序體系，設(shè)置循環(huán)程序，完成垂直黑線處停車任務(wù)。

3.3 雙光感巡線原理分析

將機(jī)器人光感分別置于黑線兩側(cè)是最常見的雙光感巡線模式。機(jī)器人根據(jù)光感讀取的數(shù)值，將其分為四種情況，再將這四種情況指定為四種不同動(dòng)作程序命令，即：雙黑表示停車、雙白表示直行、左黑右白表示左轉(zhuǎn)、左白右黑表示右轉(zhuǎn)。這種方法可以使兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，運(yùn)用兩個(gè)光感來探測(cè)黑線，達(dá)到運(yùn)動(dòng)速度更快、精確程度更高的效果。

基本思路：為建立循環(huán)程序結(jié)構(gòu)，利用雙光感巡線原理，使用兩重光感分支程序疊加，使光感探測(cè)到四種不同結(jié)果，并將行動(dòng)指令與四種結(jié)果一一對(duì)應(yīng)。

3.4 雙光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線

機(jī)器人比賽中，若以尋線為基礎(chǔ)開展比賽，并在此基礎(chǔ)上增加識(shí)別交叉口、定點(diǎn)停車等多項(xiàng)難度更高的任務(wù)，參賽者則需掌握雙光感巡線技術(shù)。通過傳感器邏輯判斷方式，達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別并完成任務(wù)的目的。以定點(diǎn)停車為例，可以將巡線賽道劃分為各個(gè)階段，在使用雙光感巡線循環(huán)程序的基礎(chǔ)上克服這一程序的不足，從而設(shè)計(jì)出能夠完成相應(yīng)任務(wù)的程序。

以遇黑線停車任務(wù)為例，在雙光感程序上進(jìn)行改造，在兩個(gè)光感之間添加第三個(gè)光感，第三個(gè)光感在探測(cè)到黑線時(shí)則會(huì)將其識(shí)別為停車地點(diǎn)。因此參賽者想要打造雙光感巡線+獨(dú)立光感巡線的模式，只需在光感外側(cè)增添第三個(gè)光感，并將其編程為探測(cè)黑線結(jié)束行徑的條件[3]。

巡線機(jī)器人能夠根據(jù)光照探測(cè)外界變化做出反應(yīng)。每個(gè)機(jī)器人都具有一個(gè)光感探測(cè)中心，當(dāng)其與小車轉(zhuǎn)向中心達(dá)到一致時(shí)，機(jī)器人便能夠按照一定路線行進(jìn)。有時(shí)，一些巡線任務(wù)具有一定難度，巡線機(jī)器人很難進(jìn)行定向識(shí)別，因此需要對(duì)其原理及構(gòu)建進(jìn)行更加科學(xué)的設(shè)計(jì)，結(jié)合線路實(shí)際情況，對(duì)轉(zhuǎn)向中心和探測(cè)中心進(jìn)行差異化設(shè)置，從而順利完成比賽任務(wù)[4]。

當(dāng)巡線機(jī)器人探測(cè)到這種較為困難的賽道時(shí)，要進(jìn)行機(jī)器人時(shí)間設(shè)置，通過精密細(xì)致地操作使機(jī)器人轉(zhuǎn)向中心與彎道中心重合，確保光感探測(cè)能夠與巡線相分離，同時(shí)，立足原地進(jìn)行掉頭，待光感探測(cè)再次檢索到巡線任務(wù)時(shí)，確保機(jī)器人順利通過相關(guān)任務(wù)，繼續(xù)完成后續(xù)巡線工作。

4 結(jié)語

通過對(duì)機(jī)器人競(jìng)賽中巡線任務(wù)基本原理的分析，為后續(xù)參賽人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。巡線僅僅是機(jī)器人的一項(xiàng)基礎(chǔ)功能，雖然對(duì)初學(xué)者來說有一定難度，但如果堅(jiān)持科學(xué)探索，便能取得良好的實(shí)踐效果。