張志歡 張佩星

(華東師范大學(xué)附屬紫竹小學(xué) 上海 200000)

關(guān)于樂(lè)高EV3單光感巡線的對(duì)比研究

張志歡 張佩星

(華東師范大學(xué)附屬紫竹小學(xué) 上海 200000)

本文對(duì)樂(lè)高ev3基礎(chǔ)小車(chē)單光感巡線的研究，以左側(cè)巡線為例，通過(guò)不同巡線方式下的實(shí)驗(yàn)研究，得出不同圖案中巡線的特點(diǎn)，從而為今后FLL比賽巡線任務(wù)中提供參考。

EV3;單光感;巡線方式;FLL比賽

一、研究背景

機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平和國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是打開(kāi)21世紀(jì)大門(mén)的鑰匙，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步得到重視。中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)是中國(guó)科協(xié)主辦的面向21世紀(jì)青少年的系列科技創(chuàng)新活動(dòng)之一；該活動(dòng)的競(jìng)賽宗旨在以豐富多彩、形式多樣的機(jī)器人研究項(xiàng)目，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神和動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)他們對(duì)科學(xué)技術(shù)以及機(jī)器人研究應(yīng)用的興趣，提高他們的科學(xué)素質(zhì)；它的競(jìng)賽項(xiàng)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(xiàng)賽事，其中FLL工程挑戰(zhàn)賽是比賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)、制作機(jī)器人并進(jìn)行編程，按照一定的規(guī)則，在兩分半的時(shí)間內(nèi)通過(guò)完成更多的任務(wù)來(lái)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(shè)有基地和任務(wù)區(qū)，場(chǎng)地中都會(huì)設(shè)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(jī)器沿著線的邊沿走，通過(guò)巡線機(jī)器能夠更準(zhǔn)確的到達(dá)預(yù)定位置或者安全返回到基地內(nèi)，脫離了巡線的機(jī)器就好比是沒(méi)有線的風(fēng)箏一盤(pán)散沙，只通過(guò)機(jī)器的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下完成任務(wù)是沒(méi)有問(wèn)題的，但場(chǎng)地一旦出現(xiàn)打滑或者機(jī)器空轉(zhuǎn)的時(shí)候，再讓機(jī)器完成任務(wù)就變的很牽強(qiáng)，所以巡線是機(jī)器人比賽中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，快速的巡線不僅能夠節(jié)省時(shí)間，還能夠更精準(zhǔn)的定位機(jī)器，所以對(duì)巡線的探究是很有必要的。

二、研究現(xiàn)狀

單光感巡線的種類(lèi)有很多，常見(jiàn)的有兩段式巡線、三段式巡線、比例控制巡線，筆者以EV3基礎(chǔ)小車(chē)單光感左側(cè)巡線為例，巡線方式如下：

兩段式巡線：機(jī)器人只能做兩件事轉(zhuǎn)左或轉(zhuǎn)右，除了方向相反，轉(zhuǎn)值是一樣的，給光值設(shè)定一個(gè)目標(biāo)值，當(dāng)光值低于目標(biāo)值時(shí)說(shuō)明靠近黑線，這時(shí)候需要機(jī)器向左側(cè)調(diào)整；當(dāng)光值高于目標(biāo)值時(shí)，說(shuō)明遠(yuǎn)離黑線，此時(shí)需要機(jī)器向右側(cè)調(diào)整。

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

比例控制巡線：用機(jī)器的實(shí)際光值與目標(biāo)光值做差，當(dāng)偏離線的時(shí)候差值就變大，機(jī)器就做大的調(diào)整；當(dāng)靠近線的時(shí)候，差值就變小，機(jī)器就做較小的調(diào)整；比例控制巡線常用的就是PID控制，將光值差乘以系數(shù)P得出比例部分，將光值差累加乘以系數(shù)I得出積分部分，將兩次偏差的差值作為錯(cuò)誤預(yù)測(cè)值乘以系數(shù)D得出導(dǎo)數(shù)部分，將三部分的值相加得出一個(gè)偏轉(zhuǎn)值,通過(guò)這個(gè)值來(lái)調(diào)整左右馬達(dá)的不同輸出。通過(guò)I、D的不同賦值，就有P、PI、PD和PID四種模式。

三、研究對(duì)象及方法

(一)研究對(duì)象

以EV3基礎(chǔ)小車(chē)為研究對(duì)象，馬達(dá)功率值均設(shè)為50，采用不同的巡線模式，實(shí)驗(yàn)中將書(shū)法軟筆固定小車(chē)頭部記錄軌跡(距離)，用程序記錄巡線時(shí)間(時(shí)間)，橫向距離最大差值作為擺幅(穩(wěn)定性)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(二)研究方法

1.文獻(xiàn)資料法

通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，查找國(guó)內(nèi)有關(guān)巡線研究的期刊、雜志等數(shù)據(jù)和資料，為研究提供理論指導(dǎo)，查閱中文樂(lè)高網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，觀看分享案例視頻及動(dòng)態(tài)資料，為研究提供參考。

2.實(shí)驗(yàn)法

綜合參賽選手們2016～2017兩個(gè)賽季工程賽事的場(chǎng)地任務(wù)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(shí)驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)，取直線、圓形、L形三種常用圖形進(jìn)行巡線，通過(guò)數(shù)據(jù)比較分析，從而得出結(jié)論。

3.邏輯分析法

結(jié)合所得的數(shù)據(jù)、相關(guān)理論以及實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果運(yùn)用分析與綜合、歸納與演繹、對(duì)比等方法進(jìn)行分析，尋求合理性的巡線方式。

四、結(jié)果與分析

(一)巡直線中的各巡線方式對(duì)比

直線是最常用的巡線圖案，通過(guò)巡直線可以幫助機(jī)器到達(dá)指定位置，從而讓機(jī)器人完成任務(wù)。通過(guò)對(duì)巡直線的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：兩段式和三段式巡線接近，兩段式無(wú)論在行走距離和用時(shí)上，還是在擺動(dòng)幅度上，都明顯優(yōu)于三段式；而比例巡線的優(yōu)勢(shì)更大，在距離、用時(shí)和穩(wěn)定性上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)段式巡線，其中P、PI、PD、PID四種巡線在行走距離、時(shí)間和擺動(dòng)幅度上很接近，都呈現(xiàn)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(duì)比

圓弧形巡線比賽中有時(shí)也會(huì)用到，如2016年FLL動(dòng)物之友的場(chǎng)地中，其中自動(dòng)擠奶任務(wù)就是巡圓弧形。通過(guò)圓弧形的巡線對(duì)比發(fā)現(xiàn)：兩段式巡線在行走距離、任務(wù)用時(shí)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(shí)間和穩(wěn)定性上有很大的優(yōu)勢(shì)，其中P、PI、PD、PID四種巡線模式差距不大，在穩(wěn)定性上，開(kāi)始前調(diào)整幅度較大，越往后修正的幅度越小，最后趨近直線達(dá)到終點(diǎn)。

(三)巡L形中的各巡線方式對(duì)比

L形圖案也很常見(jiàn)，如任務(wù)場(chǎng)地中用于區(qū)域劃分或任務(wù)導(dǎo)向的分割線。在L形的巡線中，無(wú)論如何調(diào)整PID數(shù)值，比例巡線始終無(wú)法完成；在穩(wěn)定變化的圖案中，比例巡線都能及時(shí)修正不會(huì)偏線，但在直角轉(zhuǎn)彎中，比例巡線很難調(diào)整到轉(zhuǎn)彎直線上，偏轉(zhuǎn)值大的時(shí)候，保證不了直線的巡線，偏轉(zhuǎn)值小的時(shí)候，保證不了轉(zhuǎn)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(shí)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(guò)程中的穩(wěn)定性，擺幅太大。

(四)對(duì)入線角度的對(duì)比研究

樂(lè)高FLL比賽任務(wù)中，沒(méi)有機(jī)器剛出發(fā)就有線可巡，都是在機(jī)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(duì)機(jī)器人的影響非同小可。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：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(wú)法巡線。所以要想在比賽中機(jī)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(jié)合。

五、結(jié)論

(一)巡直線圖案中，兩段式在距離、時(shí)間和穩(wěn)定性方面略微好于三段式，段式巡線遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如比例巡線，比例巡線四種模式差別不大，F(xiàn)LL比賽中沒(méi)有必要使用復(fù)雜多參數(shù)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(shí)間上稍好于三段式，穩(wěn)定性稍遜于三段式，段式巡線遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diào)整數(shù)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(wú)法成功，段式巡線中兩段式巡線無(wú)論在行走距離、時(shí)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(xiàn)一般，很難保證終點(diǎn)的位置，從而無(wú)法保證任務(wù)順利完成。

(四)在入線角度上，段式巡線對(duì)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(xiàn)飛線情況，在圖案變化不均勻或者入角無(wú)法精確的巡線時(shí)，最有效的方法是將段式巡線和比例巡線結(jié)合使用。

[1]詹國(guó)兵. 數(shù)字PID控制器在機(jī)器人巡線技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,03:80-82.

[2]王志勃,畢艷茹. 機(jī)器人PID控制算法研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2014,10:127-130.

[3]明子成,王雨,王俊霞,蔣騰淵. 競(jìng)賽機(jī)器人巡線算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)信息技術(shù)教育,2016,11:61-63.