雙感光探頭實(shí)現(xiàn)復(fù)雜路況巡線的程序?qū)嵗骄?/h1>
2019-09-10 02:22:19傅文昊張悅
高考·下 2019年2期
傅文昊 張悅
摘 要：在高中創(chuàng)新活動(dòng)中，為完成機(jī)器人復(fù)雜路線尋跡，通常使用三個(gè)或以上多感光探頭。我們?cè)趦H有兩個(gè)探頭的情況下，通過巧妙的程序設(shè)計(jì)，完成了復(fù)雜路線循跡，并就出現(xiàn)的多個(gè)復(fù)雜路況問題進(jìn)行了針對(duì)性算法設(shè)計(jì)，做到了創(chuàng)新。
關(guān)鍵詞：高中創(chuàng)新;機(jī)器人巡線;復(fù)雜路線;雙感光探頭;程序設(shè)計(jì)
一、問題背景
在2018年暑假舉行的寧港臺(tái)三地青少年科技交流活動(dòng)中，舉行了一次科創(chuàng)機(jī)器人大賽，內(nèi)容為自主設(shè)計(jì)機(jī)器人巡線，并在自制編鐘上敲奏一首樂曲。其中機(jī)器人巡線問題較為復(fù)雜。本次圖紙為定量+變量1+變量2。定量、變量1、變量2實(shí)物分別為三張獨(dú)立的寫真紙，根據(jù)抽簽結(jié)果，臨時(shí)將兩個(gè)變量擺放于定量底圖的寫真紙上，變量1將在定量的A、B場地隨機(jī)出現(xiàn)，變量2則在定量的C、D場地隨機(jī)出現(xiàn)。起點(diǎn)位于圖的最右側(cè)一條豎線中點(diǎn)右側(cè)，終點(diǎn)位于圖的最左側(cè)一條橫線中點(diǎn)。
大賽要求機(jī)器人尺寸不超過50CM立方，我們小組制作的機(jī)器人實(shí)際尺寸約為30CM立方。
通常，在出現(xiàn)這種復(fù)雜路線圖的情況下，會(huì)用3個(gè)或3個(gè)以上感光探頭進(jìn)行同時(shí)檢測，通過調(diào)整各個(gè)感光探頭之間的距離，將所有不同的岔道口的特征都覆蓋到，然后根據(jù)不同的特征對(duì)機(jī)器人發(fā)出指令。然而，我校的機(jī)器人小組只有兩個(gè)感光探頭，只能通過程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
在實(shí)驗(yàn)中，我們以如圖所示的其中一種，變量1出現(xiàn)在D場地，變量2出現(xiàn)在A場合，對(duì)此進(jìn)行分析。
二、關(guān)于程序的初步設(shè)想
思路如下：主探頭GrayA負(fù)責(zé)引路，副探頭GrayB檢測是否為岔路口;同時(shí)加入計(jì)次變量Ci，GrayB每檢測到一次黑線，則認(rèn)為經(jīng)過一個(gè)岔路口，同時(shí)Ci+1;預(yù)估所經(jīng)過的每一個(gè)岔路口的情況，根據(jù)Ci的數(shù)值，以一定角度轉(zhuǎn)彎。最終到達(dá)終點(diǎn)。根據(jù)地圖，預(yù)計(jì)期間一共經(jīng)過8個(gè)岔路口，下文分別用岔路1-岔路8來表示。
第一次偽代碼算法如下：
Ci=0
循環(huán)，時(shí)間間隔0.2秒
IfCi=8then向后1圈，停止所有電機(jī)
else
GrayA=True，跟隨該軌跡走
IfGaryB=TrueThenCi=Ci+1
IfCi=2then右拐90度
IfCi=3then左拐225度
IfCi=4then左拐45度
IfCi=5then右拐45度
IfCi=6then右拐135度
IfCi=7then左拐90度
Endif
三、程序燒錄被機(jī)器人執(zhí)行后產(chǎn)生的問題與解決過程
理論上完全可行的程序在燒錄后出現(xiàn)了數(shù)個(gè)問題，經(jīng)過大家的討論，我們將其現(xiàn)象與解決過程例如入如下：
問題1現(xiàn)象：在岔路3處，發(fā)生轉(zhuǎn)彎動(dòng)作完成后，嚴(yán)重偏離主路線。
原因探究：我們發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑較大，在現(xiàn)有程序指令下，無法避免偏離問題。
問題解決：將GrayB在岔路3處第一次探測到的黑線（對(duì)角線）拋棄，繼續(xù)前行，在該處探測到的第二次黑線（上邊線）記錄為有效數(shù)值，指示左轉(zhuǎn)彎，這樣就較好地解決了上述問題。
程序?qū)崿F(xiàn)：GrayB第一次探測到的黑線記錄為Ci=N，無指令;
ifCi=N+1，then左拐225度
問題2現(xiàn)象：Ci變量在某些岔路口寫入的數(shù)值與預(yù)期不符（GrayB探測判斷的實(shí)際岔路超過預(yù)期數(shù)量），例如，第一次在經(jīng)過岔路2之后，我們預(yù)期Ci=2，但是實(shí)際上Ci=3。
原因探究：在達(dá)到岔路2時(shí)，GrayB掃過一根豎線，Ci=2，轉(zhuǎn)彎;較大的身軀在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，GrayB又掃到一根橫線，記錄為Ci=3，因此，雖然只經(jīng)過一個(gè)岔路口，但是GrayB實(shí)際經(jīng)過兩根黑線。值得提出的是，后來我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)彎動(dòng)作發(fā)生過程中GrayB探測到的黑線不被記錄到Ci中。
問題解決：我們通過調(diào)整GrayB與GrayA的距離解決了這個(gè)問題，縮短距離，使得GrayB的第二次探測黑線被拋棄。
程序?qū)崿F(xiàn)：程序不變。
問題3現(xiàn)象：行程的后半段遭遇了最難解決的問題。非常意外的，每次在到達(dá)岔路5時(shí)，機(jī)器人就出現(xiàn)了動(dòng)作紊亂。
原因探究：我們?cè)O(shè)置了Ci變量在機(jī)器人的小顯示屏上實(shí)時(shí)輸出。觀察發(fā)現(xiàn)，每次到達(dá)岔路5時(shí)，Ci的值瞬間增加，進(jìn)退間，Ci變化記錄的數(shù)值與預(yù)期嚴(yán)重不符（GrayB探測判斷的實(shí)際岔路遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期數(shù)量），且數(shù)額每次都不定！變化范圍檢測到了13-26，導(dǎo)致機(jī)器人無法按照Ci的數(shù)值執(zhí)行相應(yīng)指令。再經(jīng)過仔細(xì)研究，我們發(fā)現(xiàn)，問題出在了這里各條邊之間的距離上。由于該路口機(jī)器人的尺寸有超出最下側(cè)邊界，且這個(gè)路口動(dòng)作大，且GrayA也在反復(fù)探測調(diào)整線路，因此GrayB會(huì)多次在該區(qū)域微動(dòng)多次來回探測到黑線;且變量1圖紙與定量底圖的重合邊界上，GrayB在掃過兩張圖組合的復(fù)雜岔路時(shí)，將會(huì)把它視為兩種不同的黑色路徑，甚至在探測過程中，因?yàn)楣饩€的變化，而出現(xiàn)不同的Ci變化。
經(jīng)過討論，我們決定，在經(jīng)過復(fù)雜路口之后，將Ci賦值為一個(gè)大數(shù)值，即GrayB在該路口肯定達(dá)不到的數(shù)值，掩蓋掉了這個(gè)矛盾。同理，在經(jīng)過岔路6時(shí)，我們遇到同樣問題，同樣處理。
程序?qū)崿F(xiàn)：在經(jīng)過岔路5的時(shí)候，做這樣的語句調(diào)整（在經(jīng)過岔路4之后，Ci=6）
IfCi=7then左拐45度，Ci=50
IfCi=51then右拐135度
四、最終算法呈現(xiàn)
經(jīng)過多次測試之后，最終我們用如下算法實(shí)現(xiàn)了功能，在僅有兩個(gè)感光探頭的情況下，準(zhǔn)確地完成了這個(gè)復(fù)雜線路的循跡功能。偽代碼如下：
Ci=0
循環(huán)，時(shí)間間隔0.2秒
IfCi=52then向后1圈，停止所有電機(jī)
else
GrayA=True，跟隨該軌跡走
IfGaryB=TrueThenCi=Ci+1
IfCi=2then右拐90度
IfCi=4then左拐225度
IfCi=5then左拐45度
IfCi=7then左拐45度，Ci=50
IfCi=51then右拐135度
Endif
五、探究心得
在這次參加寧港臺(tái)青少年科創(chuàng)大賽的高中機(jī)器人隊(duì)伍中，我們學(xué)校成立時(shí)間比較短，與南京市的幾家名校相比，設(shè)備比較簡陋。誠然，在設(shè)備先進(jìn)的情況下，機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作會(huì)更簡單。但是，在我們?cè)O(shè)備有限的情況下，隊(duì)友們能夠另辟蹊徑，通過程序設(shè)計(jì)來完成一樣的功能，我們覺得非常開心，這才是編程的樂趣，創(chuàng)新的意義。
傅文昊 張悅
摘 要：在高中創(chuàng)新活動(dòng)中，為完成機(jī)器人復(fù)雜路線尋跡，通常使用三個(gè)或以上多感光探頭。我們?cè)趦H有兩個(gè)探頭的情況下，通過巧妙的程序設(shè)計(jì)，完成了復(fù)雜路線循跡，并就出現(xiàn)的多個(gè)復(fù)雜路況問題進(jìn)行了針對(duì)性算法設(shè)計(jì)，做到了創(chuàng)新。
關(guān)鍵詞：高中創(chuàng)新;機(jī)器人巡線;復(fù)雜路線;雙感光探頭;程序設(shè)計(jì)
一、問題背景
在2018年暑假舉行的寧港臺(tái)三地青少年科技交流活動(dòng)中，舉行了一次科創(chuàng)機(jī)器人大賽，內(nèi)容為自主設(shè)計(jì)機(jī)器人巡線，并在自制編鐘上敲奏一首樂曲。其中機(jī)器人巡線問題較為復(fù)雜。本次圖紙為定量+變量1+變量2。定量、變量1、變量2實(shí)物分別為三張獨(dú)立的寫真紙，根據(jù)抽簽結(jié)果，臨時(shí)將兩個(gè)變量擺放于定量底圖的寫真紙上，變量1將在定量的A、B場地隨機(jī)出現(xiàn)，變量2則在定量的C、D場地隨機(jī)出現(xiàn)。起點(diǎn)位于圖的最右側(cè)一條豎線中點(diǎn)右側(cè)，終點(diǎn)位于圖的最左側(cè)一條橫線中點(diǎn)。
大賽要求機(jī)器人尺寸不超過50CM立方，我們小組制作的機(jī)器人實(shí)際尺寸約為30CM立方。
通常，在出現(xiàn)這種復(fù)雜路線圖的情況下，會(huì)用3個(gè)或3個(gè)以上感光探頭進(jìn)行同時(shí)檢測，通過調(diào)整各個(gè)感光探頭之間的距離，將所有不同的岔道口的特征都覆蓋到，然后根據(jù)不同的特征對(duì)機(jī)器人發(fā)出指令。然而，我校的機(jī)器人小組只有兩個(gè)感光探頭，只能通過程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
在實(shí)驗(yàn)中，我們以如圖所示的其中一種，變量1出現(xiàn)在D場地，變量2出現(xiàn)在A場合，對(duì)此進(jìn)行分析。
二、關(guān)于程序的初步設(shè)想
思路如下：主探頭GrayA負(fù)責(zé)引路，副探頭GrayB檢測是否為岔路口;同時(shí)加入計(jì)次變量Ci，GrayB每檢測到一次黑線，則認(rèn)為經(jīng)過一個(gè)岔路口，同時(shí)Ci+1;預(yù)估所經(jīng)過的每一個(gè)岔路口的情況，根據(jù)Ci的數(shù)值，以一定角度轉(zhuǎn)彎。最終到達(dá)終點(diǎn)。根據(jù)地圖，預(yù)計(jì)期間一共經(jīng)過8個(gè)岔路口，下文分別用岔路1-岔路8來表示。
第一次偽代碼算法如下：
Ci=0
循環(huán)，時(shí)間間隔0.2秒
IfCi=8then向后1圈，停止所有電機(jī)
else
GrayA=True，跟隨該軌跡走
IfGaryB=TrueThenCi=Ci+1
IfCi=2then右拐90度
IfCi=3then左拐225度
IfCi=4then左拐45度
IfCi=5then右拐45度
IfCi=6then右拐135度
IfCi=7then左拐90度
Endif
三、程序燒錄被機(jī)器人執(zhí)行后產(chǎn)生的問題與解決過程
理論上完全可行的程序在燒錄后出現(xiàn)了數(shù)個(gè)問題，經(jīng)過大家的討論，我們將其現(xiàn)象與解決過程例如入如下：
問題1現(xiàn)象：在岔路3處，發(fā)生轉(zhuǎn)彎動(dòng)作完成后，嚴(yán)重偏離主路線。
原因探究：我們發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑較大，在現(xiàn)有程序指令下，無法避免偏離問題。
問題解決：將GrayB在岔路3處第一次探測到的黑線（對(duì)角線）拋棄，繼續(xù)前行，在該處探測到的第二次黑線（上邊線）記錄為有效數(shù)值，指示左轉(zhuǎn)彎，這樣就較好地解決了上述問題。
程序?qū)崿F(xiàn)：GrayB第一次探測到的黑線記錄為Ci=N，無指令;
ifCi=N+1，then左拐225度
問題2現(xiàn)象：Ci變量在某些岔路口寫入的數(shù)值與預(yù)期不符（GrayB探測判斷的實(shí)際岔路超過預(yù)期數(shù)量），例如，第一次在經(jīng)過岔路2之后，我們預(yù)期Ci=2，但是實(shí)際上Ci=3。
原因探究：在達(dá)到岔路2時(shí)，GrayB掃過一根豎線，Ci=2，轉(zhuǎn)彎;較大的身軀在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，GrayB又掃到一根橫線，記錄為Ci=3，因此，雖然只經(jīng)過一個(gè)岔路口，但是GrayB實(shí)際經(jīng)過兩根黑線。值得提出的是，后來我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)彎動(dòng)作發(fā)生過程中GrayB探測到的黑線不被記錄到Ci中。
問題解決：我們通過調(diào)整GrayB與GrayA的距離解決了這個(gè)問題，縮短距離，使得GrayB的第二次探測黑線被拋棄。
程序?qū)崿F(xiàn)：程序不變。
問題3現(xiàn)象：行程的后半段遭遇了最難解決的問題。非常意外的，每次在到達(dá)岔路5時(shí)，機(jī)器人就出現(xiàn)了動(dòng)作紊亂。
原因探究：我們?cè)O(shè)置了Ci變量在機(jī)器人的小顯示屏上實(shí)時(shí)輸出。觀察發(fā)現(xiàn)，每次到達(dá)岔路5時(shí)，Ci的值瞬間增加，進(jìn)退間，Ci變化記錄的數(shù)值與預(yù)期嚴(yán)重不符（GrayB探測判斷的實(shí)際岔路遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期數(shù)量），且數(shù)額每次都不定！變化范圍檢測到了13-26，導(dǎo)致機(jī)器人無法按照Ci的數(shù)值執(zhí)行相應(yīng)指令。再經(jīng)過仔細(xì)研究，我們發(fā)現(xiàn)，問題出在了這里各條邊之間的距離上。由于該路口機(jī)器人的尺寸有超出最下側(cè)邊界，且這個(gè)路口動(dòng)作大，且GrayA也在反復(fù)探測調(diào)整線路，因此GrayB會(huì)多次在該區(qū)域微動(dòng)多次來回探測到黑線;且變量1圖紙與定量底圖的重合邊界上，GrayB在掃過兩張圖組合的復(fù)雜岔路時(shí)，將會(huì)把它視為兩種不同的黑色路徑，甚至在探測過程中，因?yàn)楣饩€的變化，而出現(xiàn)不同的Ci變化。
經(jīng)過討論，我們決定，在經(jīng)過復(fù)雜路口之后，將Ci賦值為一個(gè)大數(shù)值，即GrayB在該路口肯定達(dá)不到的數(shù)值，掩蓋掉了這個(gè)矛盾。同理，在經(jīng)過岔路6時(shí)，我們遇到同樣問題，同樣處理。
程序?qū)崿F(xiàn)：在經(jīng)過岔路5的時(shí)候，做這樣的語句調(diào)整（在經(jīng)過岔路4之后，Ci=6）
IfCi=7then左拐45度，Ci=50
IfCi=51then右拐135度
四、最終算法呈現(xiàn)
經(jīng)過多次測試之后，最終我們用如下算法實(shí)現(xiàn)了功能，在僅有兩個(gè)感光探頭的情況下，準(zhǔn)確地完成了這個(gè)復(fù)雜線路的循跡功能。偽代碼如下：
Ci=0
循環(huán)，時(shí)間間隔0.2秒
IfCi=52then向后1圈，停止所有電機(jī)
else
GrayA=True，跟隨該軌跡走
IfGaryB=TrueThenCi=Ci+1
IfCi=2then右拐90度
IfCi=4then左拐225度
IfCi=5then左拐45度
IfCi=7then左拐45度，Ci=50
IfCi=51then右拐135度
Endif
五、探究心得
在這次參加寧港臺(tái)青少年科創(chuàng)大賽的高中機(jī)器人隊(duì)伍中，我們學(xué)校成立時(shí)間比較短，與南京市的幾家名校相比，設(shè)備比較簡陋。誠然，在設(shè)備先進(jìn)的情況下，機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作會(huì)更簡單。但是，在我們?cè)O(shè)備有限的情況下，隊(duì)友們能夠另辟蹊徑，通過程序設(shè)計(jì)來完成一樣的功能，我們覺得非常開心，這才是編程的樂趣，創(chuàng)新的意義。
