機器人比賽中巡線任務原理分析

李 然

(江蘇省昆山中學，江蘇 昆山 215300)

巡線任務既是機器人比賽中的常規項目，也是核心任務，是其他項目順利開展的重要技術支撐。對于機器人來說，能夠順利完成巡線任務，標志著其具有完成其他項目任務的深層次可能。巡線任務一般指讓機器人按照固定線路行進的一項任務，要求參賽者具有牢靠的編程和搭建基礎。

1 光感與轉向原理分析

機器人比賽中，最為常見的是雙光感巡線任務，其通過連接兩個光感中點以確定光感感應中心，再將其視為圓心，實現小車轉向，但操作過程往往會遇到很多問題，因為轉向中心無法與光感重合，導致小車在巡線轉彎時存在時間和精度差現象。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，因此車輛轉向帶動光感轉向，光感連線中心無法統一，二者相互影響，導致機器人巡線時無法及時準確反應黑線位置，造成巡線失誤。一旦出現巡線失誤，便會對機器人比賽后續進程造成較大影響，因此完成好最為基礎的巡線任務是每一個參賽機器人必須克服的問題。

實際操作中，為彌補誤差，參賽者往往需要將程序融入結構搭配中，通過微調使機器人，令其根據場地實際情況做出精準調整和反應。程序與結構搭配過程中，參賽者需要進行反復嘗試和調整[1]。

2 結構原理分析

機器人按照規定線路行進是巡線任務的核心內容。參賽者在機器人搭建過程中，選擇合適的搭建方法是完成巡線任務的首要工作。

2.1 前驅機器人

兩個動力輪和萬向輪是構成前輪驅動小車的主要部分，它們能夠為參賽機器人提供必要的驅動力。前驅機器人轉向是通過左右輪胎反轉或停止其中一個輪胎來實現的，但這種機器人往往存在一些限制問題，因為光感探測中心與轉向中心相近，即使前驅機器人轉向速度較快，其精度卻難以保證。

2.2 后驅機器人

另一種常見的驅動模式是后輪驅動小車與全輪驅動小車，它們在轉向中心和小車結構上是相似的，但是兩者轉動過程有差異。后輪驅動小車的轉向中心相對靠后，轉向時車尾動力輪需要轉動更大幅度，這導致轉向速度較慢。雖然轉動幅度較大，但是轉動精度更高，更適合精度要求高的比賽。

2.3 輪胎結構

輪胎結構是機器人設置中非常重要的環節。通常情況下，機器人由萬向輪支撐，兩個動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，結合了前、后驅動優勢，這一模式在轉彎90°的巡線線路或在格子中行進的巡線線路中具有較強優勢。由于轉向中心在車體中部，所以轉彎半徑相對較小，能夠達到以車體自身為幾何中心進行圓形旋轉的效果。這一分布模式能夠使機器人安裝更多防護裝備，提高機器人穩定性，最初出現在RCX機器人足球中。但對NXT機器人來說，由于動力輪在中部，且伺服電機形狀不規律，導致參賽者在搭建過程中面臨更多困難。機器人完成之后，車身轉彎過程中受重心較高的影響，其靈活性難以達到預期目標[2]。

2.4 四驅機器人

四驅機器人設置較為復雜，其對各種硬件設備要求也相對更高。其四個輪胎都安有動力，以更好地完成爬坡任務，還會在幾何中心上安裝轉向中心，使其具有靈活性。受轉向中心設置位置相對較前的影響，四輪驅動小車精度不高。但是四輪驅動小車沒有設置萬向輪，想要進行轉彎，要靠四個輪胎與地面摩擦來實現。在這種情況下，車輪與地面摩擦力更大，阻力也更大，受沒有設置萬向輪而導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 技術原理分析

3.1 單光感巡線原理分析

普遍適用性是四輪驅動小車最大的優勢。在 FLL工程挑戰賽、WRO世界機器人奧林匹克克賽中，如果參賽者能夠掌握四輪驅動小車結構，則更具優勢。

巡線任務中最基礎的是單光感巡線。巡檢路線往往呈“之”字型，單光感巡線只需要兩側電機交替運動即可實現。雖然容易掌握，但是卻無法完成像遇黑線停車一類的復雜任務，行進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，通過光感判斷背景顏色，若判斷結果為黑色，則只需要右輪前進，反之則只需要左輪前進。

3.2 單光感巡線+獨立光感數線原理分析

除了要沿著黑線行進，機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，因此單桿巡線無法滿足要求。以定點停車為例，分析單光感巡線與獨立光感數線結合的編程模式。基本思路：跳出單光感巡線程序體系，設置循環程序，完成垂直黑線處停車任務。

3.3 雙光感巡線原理分析

將機器人光感分別置于黑線兩側是最常見的雙光感巡線模式。機器人根據光感讀取的數值，將其分為四種情況，再將這四種情況指定為四種不同動作程序命令，即：雙黑表示停車、雙白表示直行、左黑右白表示左轉、左白右黑表示右轉。這種方法可以使兩個電機同時工作，運用兩個光感來探測黑線，達到運動速度更快、精確程度更高的效果。

基本思路：為建立循環程序結構，利用雙光感巡線原理，使用兩重光感分支程序疊加，使光感探測到四種不同結果，并將行動指令與四種結果一一對應。

3.4 雙光感巡線+獨立光感數線

機器人比賽中，若以尋線為基礎開展比賽，并在此基礎上增加識別交叉口、定點停車等多項難度更高的任務，參賽者則需掌握雙光感巡線技術。通過傳感器邏輯判斷方式，達到準確識別并完成任務的目的。以定點停車為例，可以將巡線賽道劃分為各個階段，在使用雙光感巡線循環程序的基礎上克服這一程序的不足，從而設計出能夠完成相應任務的程序。

以遇黑線停車任務為例，在雙光感程序上進行改造，在兩個光感之間添加第三個光感，第三個光感在探測到黑線時則會將其識別為停車地點。因此參賽者想要打造雙光感巡線+獨立光感巡線的模式，只需在光感外側增添第三個光感，并將其編程為探測黑線結束行徑的條件[3]。

巡線機器人能夠根據光照探測外界變化做出反應。每個機器人都具有一個光感探測中心，當其與小車轉向中心達到一致時，機器人便能夠按照一定路線行進。有時，一些巡線任務具有一定難度，巡線機器人很難進行定向識別，因此需要對其原理及構建進行更加科學的設計，結合線路實際情況，對轉向中心和探測中心進行差異化設置，從而順利完成比賽任務[4]。

當巡線機器人探測到這種較為困難的賽道時，要進行機器人時間設置，通過精密細致地操作使機器人轉向中心與彎道中心重合，確保光感探測能夠與巡線相分離，同時，立足原地進行掉頭，待光感探測再次檢索到巡線任務時，確保機器人順利通過相關任務，繼續完成后續巡線工作。

4 結語

通過對機器人競賽中巡線任務基本原理的分析，為后續參賽人員總結經驗。巡線僅僅是機器人的一項基礎功能，雖然對初學者來說有一定難度，但如果堅持科學探索，便能取得良好的實踐效果。