贏在創(chuàng)新

何文芝

機器人比賽以培養(yǎng)學生的團隊合作和技術(shù)素養(yǎng)為宗旨，技術(shù)上要求學生有整體規(guī)劃、精心策劃、程序優(yōu)化、實施細化的全局觀念，從設(shè)計制作到調(diào)試應用有一個總體的機器人架構(gòu)模型，是一項科學嚴謹?shù)南到y(tǒng)工程。任何環(huán)節(jié)上的失誤，輕則影響比賽成績，重則前功盡棄，使訓練時的汗水付之東流。

本文就FLL機器人在今年比賽訓練中的幾個創(chuàng)新點進行評析，以供選手參考。

一、機器人的搭建

機器人是活動的基礎(chǔ)部分，其性能直接決定比賽成績。新一代樂高主控EV3有4個電機被控制器控制，2個電機的端口輸出要成水平式，以供策略物使用。

1.結(jié)構(gòu)緊湊、牢固是關(guān)鍵。

機器人占用空間大小應適中，長、寬、高比例有一定的限度。太寬，窄地方過不去；太窄，整機必然升高，導致重心升高，易翻倒；太長，運動性能大為降低，轉(zhuǎn)向不靈活。如我們選用大的摩托車輪做輪子，以保證機器人的運動速度及轉(zhuǎn)向性能。

2.外掛的策略物應性能優(yōu)良

要求外掛的策略物能配合機器人主機，運用機械傳動原理與機器人對接良好，轉(zhuǎn)動靈活，最大限度減少對接時間，確保快速完成任務。

3.兩個主動輪和萬向輪的位置構(gòu)成等邊三角形

萬向輪與動力輪距離太近易翻車，太遠則導致轉(zhuǎn)向不靈活。機器人的重心最好集中在中點，控制器的屏幕和按鍵要在外層，便于觀察數(shù)據(jù)和操作。充電插口和數(shù)據(jù)線插口前不能有障礙物，方便充電和下載程序。機器人主機的數(shù)據(jù)線接口在實驗階段最好用短線連接，此短線再與一根長約3米的USB公母頭線配合，避免接口插入頻繁而被損壞，使控制器報廢。

4.傳感器的安裝位置要合理

傳感器要能接收傳感信號又不影響正常工作，還要能適應不同策略物的要求。各種引線應合理布局，彈簧（橡皮筋）在機械行業(yè)應用廣泛，特別是一些儲能裝置，機器人的某些場合可合理使用。

二、創(chuàng)新點

1.北線任務

今年比賽北線任務占了大部分。包括取回大包裝箱模型、在卡車和工廠釋放甲烷模型、取回分類器西邊的塑料袋模型、推動卡車及掉到卡車上的黃色垃圾箱模型、黃色垃圾箱模型的釋放、將小包裝模型帶回基地。

具體過程是：機器人從基地出發(fā)，帶著接大包裝箱的小車，遇到工廠模型小車后在彈簧的作用下自動釋放，繼續(xù)前進。光電傳感器檢測到第二條黑線后機器人實施定位，并倒退一次，使左邊的兩個導輪靠墻壁后帶著服務卡車運動一段距離。此時正好是工廠模型釋放甲烷的地方，由B電機帶著掛甲烷的軸旋轉(zhuǎn)45°，同時放下處于工廠模型的甲烷和卡車上的甲烷（由程序保證兩個投放點在同一直線上）。再前進一小段距離把掛甲烷的桿（稱之為掛桿）落下，掛到垃圾袋上并旋轉(zhuǎn)此軸，使垃圾袋牢牢地掛在轉(zhuǎn)動桿上，將掛桿提起與水平面成50°角后繼續(xù)前行，卡車和黃色垃圾箱一起運動。

桿之所以要提起，是因為前面有分類器模型，如果不抬起則不能通過；能彎曲是因為桿伸出的基部裝有萬向器。

再繼續(xù)前行檢測到第三根黑線時，機器人重新定位，行進一段距離后釋放卡車。推動卡車前進的機械手用線和掛甲烷的桿連接，由于線具有柔性，掛桿向下運動時不會受影響，而向上運動時由于長度有限，線會跟隨掛桿向上運動而釋放卡車。

繼續(xù)往前運動檢測到第四條黑線，行駛一小段距離，放下帶小包裝箱的機械手，把小包裝箱帶回。回去仍然檢測到三條黑線，第二條黑線是標志線，由機器人發(fā)出信號放下掛桿，將工廠西邊的環(huán)拉出，大掛件滑出再送進去，然后抬起掛桿，讓機器人旋轉(zhuǎn)80°左右，再次放下掛桿，使掛桿的頂部伸入大包裝箱內(nèi)并向下壓，由桿的壓力將大包裝箱帶回基地。由大功率電機經(jīng)減速帶動掛桿的升降，掛桿的自轉(zhuǎn)由小電機驅(qū)動。機器人的直線行走是靠北面導輪起作用。

機器人結(jié)構(gòu)圖見圖一，策略物見圖二。經(jīng)實踐操作，我們的機器人需20秒左右完成任務，但能獲得300分。

2.南線任務

南線任務有投放轎車的引擎/風檔、取混合肥料、取回甲烷和清理垃圾袋。

機器人由基地出發(fā)，由雙光電傳感器找到向東的黑線并直行。這時的策略物裝有觸點傳感器的聯(lián)動機構(gòu)，并帶上能接肥料的小車。當觸動傳感器觸發(fā)右邊混合器模型的小輪時，機器人釋放小車，定位投放轎車的引擎/風擋。

這時的小車是用線連著的，線的一端仍在基地，可利用混合肥料落下的十幾秒時間去完成其他任務。

機器人投放引擎/風擋裝置再往前方運動一小段距離，挑起甲烷模型后迅速沿黑線繞過肥料混合器并返回，最后推倒建筑物取到貴重物品回到基地。

這時制肥時間也即將臨近，由回到基地的機器人原地拉線把連著裝肥料餅的小車拉回基地，這一過程就完成了。

需特別注意的是，機器人沿黑線行走是光電傳感器在起作用，編程過程中需用到PID算法，這種算法很復雜，限于篇幅這里僅做簡單介紹。

機器人在巡線過程中用雙光電傳感器挾著黑線前進，因傳感器接收的光線亮度變化是一個漸變的過程，從亮的部分往交界線可看成光線越來越暗，從暗的部分往交界線可看成光線越來越亮，由此獲取數(shù)據(jù)。

預先測出亮的部分的平均值和暗的部分的平均值，用當前值與這兩個值的平均值求差，差的絕對值越大說明機器人偏離路線越遠，反之就越小，繼而得出機器人大約偏離交界線的距離。

這一控制信號反映到控制器并做出判斷，控制電機的轉(zhuǎn)速，實際上是機器人在行進中不斷修正兩個電機功率、達到巡線目的。傳感器的安裝位置不能距前輪太近，調(diào)整好它離桌面的高度、電機的基礎(chǔ)功率就能達到比較平順的巡線效果。

北線的巡線走直線主要是機械循跡，機器人的北面裝有兩個導向輪，在導向輪的作用下機器人做直線運動，遠離墻壁的電機功率需稍大。光電傳感器起定位作用，碰到黑線釋放或帶回模型。南線任務策略物見圖三。

關(guān)于程序問題應先做好預案，比賽時應注意被取消的任務，是取消程序還是改變策略物，視具體情況而定。