巡線機(jī)器人中傳感器的運用

汪文韜??

【中圖分類號】 TP212 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0194-01

參加Roborave機(jī)器人大賽不僅可以鍛煉參與者解決問題能力，實踐動手能力，還能訓(xùn)練其工程思維能力。我們都知道，在數(shù)學(xué)上對于一個問題有許多解法，答案不是唯一的。工程上也是如此，解決問題的方法有很多，其中，容錯率和效率就是要考慮的重要指標(biāo)。這里我想討論一下如何把機(jī)器人巡線和在箱子里放固定數(shù)量的乒乓球做到又快又好，以下是我在準(zhǔn)備參加比賽和在比賽時所用的不同方案，經(jīng)過學(xué)習(xí)和比對得出的一些心得。

（圖為清華教授姜玉芹 、毛勇現(xiàn)場指導(dǎo)照片）

大賽機(jī)器人的運行環(huán)境是大賽的場地，比賽時場地的情況將非常復(fù)雜，因此，機(jī)器人必須知道自己當(dāng)前的位置才能決定要執(zhí)行怎樣的動作，定位是大賽機(jī)器人各種性能發(fā)揮的基礎(chǔ)，也是機(jī)器人全場路徑自動規(guī)劃的基礎(chǔ)。我們在Roborave機(jī)器人大賽中運用基于巡線技術(shù)的定位方案對大賽機(jī)器人來講是一種比較可靠和有針對性的方案。

Roborave對于巡線的要求并不高，用一個巡線傳感器和最簡單的if語句就可以完成。傳感器需要在黑線內(nèi)，因為它靠識別黑線上的白色來進(jìn)行巡線的。這個時候你會發(fā)現(xiàn)小車雖然可以前進(jìn)，但是會大幅度的左右搖擺，而且遇到一條以上的黑線比如路口就無法判斷方向了，并且小車速度不能過快，因為當(dāng)速度過快時，它會沖出范圍原地快速轉(zhuǎn)圈，而轉(zhuǎn)速很快時，小車沒有足夠的時間識別并做出反應(yīng)，導(dǎo)致很難繼續(xù)巡線，任務(wù)必然失敗。多加一個傳感器就成了一個很好的解決方案。當(dāng)我們有兩個傳感器時，可以同時進(jìn)行巡線，當(dāng)兩個傳感器都感應(yīng)到線的時候可以判定為路口然后停下，隨機(jī)進(jìn)入一個再判斷是否正確的入口，如果不是則掉頭。

當(dāng)選擇用兩個傳感器時，就可以完成Roborave的巡線要求，并有一定的判斷能力，但是在只有兩個傳感器的情況下，運行速度會受到很大的限制。如果速度過快，小車會沖出跑道，黑線不在兩個傳感器以內(nèi)，就無法自主返回。如果使用更多的傳感器提高冗余，進(jìn)一步提高容錯率，就可以使小車加速。即使黑線不在車最內(nèi)側(cè)的傳感器范圍內(nèi)，也就是沖出來跑道，依然可以通過外側(cè)的傳感器加大小車的轉(zhuǎn)向角度和速度使小車返回原位。通過多次實驗，我們用五個傳感器完美的實現(xiàn)這個功能，為了使小車在轉(zhuǎn)向時更快，可以在小車的最外側(cè)靠小車中間的地方再加兩個傳感器，功能是進(jìn)行直角轉(zhuǎn)彎。

我們在比賽中用于巡線的傳感器組合是由多組反射式紅外光電傳感器組成，組與組之間的工作相互獨立。其工作原理是：紅外發(fā)射管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外光，接受管用來檢測反射光的強(qiáng)度，由于場地的光線和黑色引導(dǎo)線的顏色相差很大，因此，引導(dǎo)線上的反射光強(qiáng)度和場地的反射光強(qiáng)度就會有較大的差別，這些都會影響傳感器的測量結(jié)果。因此在設(shè)計時采用了對對典型值進(jìn)行實地反復(fù)測量的方法。將一個場地的2個典型反射光強(qiáng)度進(jìn)行反復(fù)采樣，然后將結(jié)果存入控制器的flash中，作為比賽時的典型值，即實現(xiàn)對場地反光強(qiáng)度的記憶。

巡線完成之后的關(guān)鍵就是如何把小車上的乒乓球放入箱子里了。如果巡線足夠精準(zhǔn)，地上箱子的開口和車上的箱子的開口是剛好吻合的，所以巡線是很重要的一環(huán)。由于巡線車的大小有明確規(guī)定，一般在30cm*30cm*30cm以內(nèi)，在測試的時候，我們發(fā)現(xiàn)如果只是把車上箱子的開口打開讓乒乓球傾倒下來，效果不是很好，因為由于高度的限制乒乓球經(jīng)常會卡在開口處，導(dǎo)致整個任務(wù)失敗。于是我們想到加裝震動馬達(dá)，通過震動使乒乓球掉落，但是能使用的馬達(dá)功率太小達(dá)不到理想要求。最后我們改進(jìn)用舵機(jī)攪拌，同時讓小車小幅度的前后移動達(dá)到震動的效果。隨即要解決的問題是，通過一個主板沒有足夠長的線同時控制車上面的箱子和下面的馬達(dá)與傳感器，最用我們采用了連接兩塊主板的方式。

這樣，通過多個傳感器的協(xié)助，以及巧妙地設(shè)計箱子的代碼，終于可以完成Roborave的巡線任務(wù)。一個有我們親手設(shè)計制作的機(jī)器人在賽場上舞動身姿，完美通過每一個關(guān)口，最后用最快的速度將貨物準(zhǔn)確的送達(dá)目的地，成就感油然而生！

參賽指導(dǎo)老師：姜玉芹 、 毛勇