贏在創(chuàng)新

何文芝

機(jī)器人比賽以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和技術(shù)素養(yǎng)為宗旨，技術(shù)上要求學(xué)生有整體規(guī)劃、精心策劃、程序優(yōu)化、實(shí)施細(xì)化的全局觀念，從設(shè)計(jì)制作到調(diào)試應(yīng)用有一個(gè)總體的機(jī)器人架構(gòu)模型，是一項(xiàng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?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(jī)，重則前功盡棄，使訓(xùn)練時(shí)的汗水付之東流。

本文就FLL機(jī)器人在今年比賽訓(xùn)練中的幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行評(píng)析，以供選手參考。

一、機(jī)器人的搭建

機(jī)器人是活動(dòng)的基礎(chǔ)部分，其性能直接決定比賽成績(jī)。新一代樂(lè)高主控EV3有4個(gè)電機(jī)被控制器控制，2個(gè)電機(jī)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(jī)器人占用空間大小應(yīng)適中，長(zhǎng)、寬、高比例有一定的限度。太寬，窄地方過(guò)不去；太窄，整機(jī)必然升高，導(dǎo)致重心升高，易翻倒；太長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及轉(zhuǎn)向性能。

2.外掛的策略物應(yīng)性能優(yōu)良

要求外掛的策略物能配合機(jī)器人主機(jī)，運(yùn)用機(jī)械傳動(dòng)原理與機(jī)器人對(duì)接良好，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，最大限度減少對(duì)接時(shí)間，確保快速完成任務(wù)。

3.兩個(gè)主動(dòng)輪和萬(wàn)向輪的位置構(gòu)成等邊三角形

萬(wàn)向輪與動(dòng)力輪距離太近易翻車，太遠(yuǎn)則導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不靈活。機(jī)器人的重心最好集中在中點(diǎn)，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(jī)器人主機(jī)的數(shù)據(jù)線接口在實(shí)驗(yàn)階段最好用短線連接，此短線再與一根長(zhǎng)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(bào)廢。

4.傳感器的安裝位置要合理

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

二、創(chuàng)新點(diǎn)

1.北線任務(wù)

今年比賽北線任務(wù)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(dòng)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(guò)程是：機(jī)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(dòng)釋放，繼續(xù)前進(jìn)。光電傳感器檢測(cè)到第二條黑線后機(jī)器人實(shí)施定位，并倒退一次，使左邊的兩個(gè)導(dǎo)輪靠墻壁后帶著服務(wù)卡車運(yùn)動(dòng)一段距離。此時(shí)正好是工廠模型釋放甲烷的地方，由B電機(jī)帶著掛甲烷的軸旋轉(zhuǎn)45°，同時(shí)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(gè)投放點(diǎn)在同一直線上）。再前進(jìn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)。

桿之所以要提起，是因?yàn)榍懊嬗蟹诸惼髂Ｐ停绻惶饎t不能通過(guò)；能彎曲是因?yàn)闂U伸出的基部裝有萬(wàn)向器。

再繼續(xù)前行檢測(cè)到第三根黑線時(shí)，機(jī)器人重新定位，行進(jìn)一段距離后釋放卡車。推動(dòng)卡車前進(jìn)的機(jī)械手用線和掛甲烷的桿連接，由于線具有柔性，掛桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)受影響，而向上運(yùn)動(dòng)時(shí)由于長(zhǎng)度有限，線會(huì)跟隨掛桿向上運(yùn)動(dòng)而釋放卡車。

繼續(xù)往前運(yùn)動(dòng)檢測(cè)到第四條黑線，行駛一小段距離，放下帶小包裝箱的機(jī)械手，把小包裝箱帶回。回去仍然檢測(cè)到三條黑線，第二條黑線是標(biāo)志線，由機(jī)器人發(fā)出信號(hào)放下掛桿，將工廠西邊的環(huán)拉出，大掛件滑出再送進(jìn)去，然后抬起掛桿，讓機(jī)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(jī)經(jīng)減速帶動(dòng)掛桿的升降，掛桿的自轉(zhuǎn)由小電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人的直線行走是靠北面導(dǎo)輪起作用。

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

2.南線任務(wù)

南線任務(wù)有投放轎車的引擎/風(fēng)檔、取混合肥料、取回甲烷和清理垃圾袋。

機(jī)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(shí)的策略物裝有觸點(diǎn)傳感器的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并帶上能接肥料的小車。當(dāng)觸動(dòng)傳感器觸發(fā)右邊混合器模型的小輪時(shí)，機(jī)器人釋放小車，定位投放轎車的引擎/風(fēng)擋。

這時(shí)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(shí)間去完成其他任務(wù)。

機(jī)器人投放引擎/風(fēng)擋裝置再往前方運(yùn)動(dòng)一小段距離，挑起甲烷模型后迅速沿黑線繞過(guò)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(shí)制肥時(shí)間也即將臨近，由回到基地的機(jī)器人原地拉線把連著裝肥料餅的小車?yán)鼗兀@一過(guò)程就完成了。

需特別注意的是，機(jī)器人沿黑線行走是光電傳感器在起作用，編程過(guò)程中需用到PID算法，這種算法很復(fù)雜，限于篇幅這里僅做簡(jiǎn)單介紹。

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

預(yù)先測(cè)出亮的部分的平均值和暗的部分的平均值，用當(dāng)前值與這兩個(gè)值的平均值求差，差的絕對(duì)值越大說(shuō)明機(jī)器人偏離路線越遠(yuǎn)，反之就越小，繼而得出機(jī)器人大約偏離交界線的距離。

這一控制信號(hào)反映到控制器并做出判斷，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是機(jī)器人在行進(jìn)中不斷修正兩個(gè)電機(jī)功率、達(dá)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(jī)的基礎(chǔ)功率就能達(dá)到比較平順的巡線效果。

北線的巡線走直線主要是機(jī)械循跡，機(jī)器人的北面裝有兩個(gè)導(dǎo)向輪，在導(dǎo)向輪的作用下機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離墻壁的電機(jī)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(wù)策略物見圖三。

關(guān)于程序問(wèn)題應(yīng)先做好預(yù)案，比賽時(shí)應(yīng)注意被取消的任務(wù)，是取消程序還是改變策略物，視具體情況而定。