小學虛擬機器人程序設計的優化策略

摘 要：怎樣在最短的時間內讓納英特虛擬機器人從起點巡線到任務區（目標點），機器人社團師生前后經過多次多角度的優化。記錄了為完成該任務多次多角度的優化過程，對優化過程中發現的問題進行思考和分析，探討了如何從分析任務特點入手，選擇符合任務特點的傳感器，合理運用編程策略及參數設置來更好地完成任務，從而取得更好的比賽成績。

關鍵詞：納英特虛擬機器人；程序設計；優化

虛擬機器人教學有利于發展創新思維，促進學生信息技術核心素養的發展，為學生將來的全面發展奠定堅實的基礎。在納英特虛擬機器人社團活動中，看似簡單任務的一次次優化，不僅提高了比賽成績，更對培養學生創新意識、創新思維有著非常突出的效果。下面就以納因特虛擬機器人的一個簡單任務優化過程為例，介紹小學虛擬機器人程序設計的優化策略。

一、任務介紹及任務要求

讓機器人從起點出發，在最短的時間內巡橫線到達“裝載貨物”任務區（目標點）停下。納英特虛擬機器人程序中不允許使用時間法或者類似時間法來行走，可使用紅外避障傳感器檢測障礙，灰度傳感器控制軌跡，指南針傳感器來轉彎（如圖1所示）。

二、優化過程

（一）優化前

1.機器人配置

除了控制器和輪子，只在左右兩側各設置一個灰度傳感器（以下稱“左灰度傳感器”“右灰度傳感器”）。

2.程序設計及說明

分四步完成任務：

（1）離開出發區。調用左灰度傳感器，如果左灰度傳感器沒有檢測到黑線，左輪低速，右輪高速離開出發區（如圖2所示）。

（2）巡線到豎線1。機器人離開出發區，左灰度傳感器檢測到黑線（橫線）后，調用右灰度傳感器，如果右灰度傳感器沒有檢測到黑線，巡線前進到豎線1（如圖3所示）。

（3）越過豎線1。機器人到達豎線1，右灰度傳感器檢測到黑線，機器人將停在豎線1上。程序中不能使用延時模塊，就用機器人用100的速度“沖”幾次，靠機器人慣性越過豎線1。

（4）到目標點停下。機器人越過豎線1，調用右灰度傳感器，如果右灰度傳感器沒有檢測到豎線2，巡線前進。右灰度傳感器檢測到豎線2停下（就是在目標點停下）。

3.思考與分析

（1）優點：運用的知識點比較簡單，只要懂得灰度傳感器的使用原理及相關的編程知識就能完成任務。

（2）不足：機器人離開出發區的行進軌跡是弧線，多走了不少彎路。離開出發區后機器人一直在用灰度傳感器檢測有沒有碰到黑線，實際走的線路是曲線，但是任務線路是直線，用巡線走的方法多走不少路，影響成績。

4.改進建議

（1）機器人的行進軌跡盡可能是直線。

（2）用豎線（黑線）作為目標點的標志物不夠唯一，因為豎線1和豎線2都是黑線，使編程變得復雜。可以利用紅外避障傳感器檢測目標點下方的“藍色貨物”，這樣目標點的標志物唯一，編程比較簡單。

（二）第一次優化

1.機器人配置

除了控制器和輪子，在機器人控制器上面設置一個指南針傳感器，再配置一個朝左側的紅外避障傳感器。

2.程序設計及說明

分兩步完成任務：

（1）利用指南針讓機器人原地向左轉，使機器人朝向目標點。

（2）到目標點停下。用左側的紅外避障傳感器檢測“藍色貨物”，如果沒有檢測到“藍色貨物”，機器人以100的速度直行，直到左側的紅外避障傳感器檢測到目標點下方的“藍色貨物”停下。

3.思考和分析

（1）優點：機器人的行進軌跡是直線，不走彎路，用時少。利用紅外避障傳感器檢測目標點下方的“藍色貨物”，目標點的標志物唯一，編程簡單。

（2）不足：成功率不高。因為轉方向的時候，車子有慣性，要讓機器人通過指南針傳感器精準地轉到朝向目標點方向，難度很大。從起點到目標點路程遠，方向上稍微有點偏差，機器人脫線的可能性就很大，機器人一旦脫線就被認定為比賽失敗。機器人在出發點轉方向的速度比較慢，因為轉方向速度越快，慣性就越大，機器人的方向就更難控制。

4.改進建議

可以考慮在機器人行進過程中用指南針傳感器控制行進的方向，這樣可以提高成功率。

（三）第二次優化

1.機器人配置

和第一次優化時的機器人相同。

2.程序設計和說明

分兩步完成任務：

（1）利用指南針讓機器人原地向左轉，使機器人朝向目標點。

（2）到目標點停下。利用指南針傳感器控制機器人前進方向，如果機器人的方向大于271度，機器人以左輪99右輪100的速度向左走，如果機器人的方向小于269度，機器人以右輪99左輪100的速度向右走。直到左側的紅外避障傳感器檢測到目標點下方的“藍色貨物”停下。

3.思考與分析

第二次優化后的程序，能在出發點以較快的速度轉向目標點方向，因為即使機器人轉的方向有誤差，也能在指南針傳感器的控制下微調機器人走向，使機器人朝著目標點前進，機器人脫線的概率極小，成功率極高。即使機器人在指南針傳感器的控制下微調機器人的走向，由于調整的角度非常小，機器人前進的軌跡也極其接近直線。

三、感悟與啟發

1.要營造一種精益求精的氛圍

會搭機器人，會編寫程序，完成預定任務僅僅是最基本的目標，但絕不能停留在這個目標。教師要努力營造一種精益求精、追求極致的氛圍，這是學生肯不斷進行程序優化創新的前提。

2.要鼓勵學生自主創新

老師要給學生營造一個寬松、和諧、進取的氛圍，鼓勵學生通過自主研究，圍繞問題展開充滿個性化的探索，大膽作出猜想，在實踐中不斷驗證自己的猜想，不怕失敗，勇于嘗試不同的編程方法，進一步完善程序，提升成績。對于提高比賽成績的一點點小小的改進，都是創新，可以說創新貫穿了優化的全過程。

3.要倡導團隊合作精神

一個學生的想法有時候不完整，通過交流，其他學生可能會在他的基礎上產生新的靈感，從而提出更好的方法。找到“最優化”的編程方案，往往凝聚著社團許多人共同的心血，他們一起探討方案，一起改寫程序，一起調試機器人……找到“最優化”方案后再一起分享，在社團中推廣。

4.要從分析任務特點入手

要具體任務具體分析，前面提到的“最優化”是針對某個任務而言的，離開某個特定的任務，就無所謂“最優化”。如巡線前進這個任務，如果線路復雜曲折，那利用灰度傳感器來巡線是理想的方案；如果是方向明確的直線，那利用指南針傳感器就比較理想。

參考文獻：

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[2]趙加興，楊改學.合作學習在中小學機器人教學中的應用[J].軟件導刊，2010（3）.

[3]李丹.虛擬機器人在農村小學機器人教學中的應用研究[J].長春教育學院學報，2015（1）.

作者簡介：黃呂慶，1970年9月出生，男，漢族，浙江嵊州人，小學高級教師。