雙感光探頭實現復雜路況巡線的程序實例探究

傅文昊 張悅

摘 要：在高中創新活動中，為完成機器人復雜路線尋跡，通常使用三個或以上多感光探頭。我們在僅有兩個探頭的情況下，通過巧妙的程序設計，完成了復雜路線循跡，并就出現的多個復雜路況問題進行了針對性算法設計，做到了創新。

關鍵詞：高中創新;機器人巡線;復雜路線;雙感光探頭;程序設計

一、問題背景

在2018年暑假舉行的寧港臺三地青少年科技交流活動中，舉行了一次科創機器人大賽，內容為自主設計機器人巡線，并在自制編鐘上敲奏一首樂曲。其中機器人巡線問題較為復雜。本次圖紙為定量+變量1+變量2。定量、變量1、變量2實物分別為三張獨立的寫真紙，根據抽簽結果，臨時將兩個變量擺放于定量底圖的寫真紙上，變量1將在定量的A、B場地隨機出現，變量2則在定量的C、D場地隨機出現。起點位于圖的最右側一條豎線中點右側，終點位于圖的最左側一條橫線中點。

大賽要求機器人尺寸不超過50CM立方，我們小組制作的機器人實際尺寸約為30CM立方。

通常，在出現這種復雜路線圖的情況下，會用3個或3個以上感光探頭進行同時檢測，通過調整各個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，然后根據不同的特征對機器人發出指令。然而，我校的機器人小組只有兩個感光探頭，只能通過程序設計來實現。

在實驗中，我們以如圖所示的其中一種，變量1出現在D場地，變量2出現在A場合，對此進行分析。

二、關于程序的初步設想

思路如下：主探頭GrayA負責引路，副探頭GrayB檢測是否為岔路口;同時加入計次變量Ci，GrayB每檢測到一次黑線，則認為經過一個岔路口，同時Ci+1;預估所經過的每一個岔路口的情況，根據Ci的數值，以一定角度轉彎。最終到達終點。根據地圖，預計期間一共經過8個岔路口，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，時間間隔0.2秒

IfCi=8then向后1圈，停止所有電機

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、程序燒錄被機器人執行后產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了數個問題，經過大家的討論，我們將其現象與解決過程例如入如下：

問題1現象：在岔路3處，發生轉彎動作完成后，嚴重偏離主路線。

原因探究：我們發現，由于機器人轉彎半徑較大，在現有程序指令下，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（對角線）拋棄，繼續前行，在該處探測到的第二次黑線（上邊線）記錄為有效數值，指示左轉彎，這樣就較好地解決了上述問題。

程序實現：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現象：Ci變量在某些岔路口寫入的數值與預期不符（GrayB探測判斷的實際岔路超過預期數量），例如，第一次在經過岔路2之后，我們預期Ci=2，但是實際上Ci=3。

原因探究：在達到岔路2時，GrayB掃過一根豎線，Ci=2，轉彎;較大的身軀在轉動時，GrayB又掃到一根橫線，記錄為Ci=3，因此，雖然只經過一個岔路口，但是GrayB實際經過兩根黑線。值得提出的是，后來我們在實驗過程中發現，在轉彎動作發生過程中GrayB探測到的黑線不被記錄到Ci中。

問題解決：我們通過調整GrayB與GrayA的距離解決了這個問題，縮短距離，使得GrayB的第二次探測黑線被拋棄。

程序實現：程序不變。

問題3現象：行程的后半段遭遇了最難解決的問題。非常意外的，每次在到達岔路5時，機器人就出現了動作紊亂。

原因探究：我們設置了Ci變量在機器人的小顯示屏上實時輸出。觀察發現，每次到達岔路5時，Ci的值瞬間增加，進退間，Ci變化記錄的數值與預期嚴重不符（GrayB探測判斷的實際岔路遠遠超過預期數量），且數額每次都不定！變化范圍檢測到了13-26，導致機器人無法按照Ci的數值執行相應指令。再經過仔細研究，我們發現，問題出在了這里各條邊之間的距離上。由于該路口機器人的尺寸有超出最下側邊界，且這個路口動作大，且GrayA也在反復探測調整線路，因此GrayB會多次在該區域微動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雜岔路時，將會把它視為兩種不同的黑色路徑，甚至在探測過程中，因為光線的變化，而出現不同的Ci變化。

經過討論，我們決定，在經過復雜路口之后，將Ci賦值為一個大數值，即GrayB在該路口肯定達不到的數值，掩蓋掉了這個矛盾。同理，在經過岔路6時，我們遇到同樣問題，同樣處理。

程序實現：在經過岔路5的時候，做這樣的語句調整（在經過岔路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

經過多次測試之后，最終我們用如下算法實現了功能，在僅有兩個感光探頭的情況下，準確地完成了這個復雜線路的循跡功能。偽代碼如下：

Ci=0

循環，時間間隔0.2秒

IfCi=52then向后1圈，停止所有電機

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

在這次參加寧港臺青少年科創大賽的高中機器人隊伍中，我們學校成立時間比較短，與南京市的幾家名校相比，設備比較簡陋。誠然，在設備先進的情況下，機器人的設計與制作會更簡單。但是，在我們設備有限的情況下，隊友們能夠另辟蹊徑，通過程序設計來完成一樣的功能，我們覺得非常開心，這才是編程的樂趣，創新的意義。