巡線機器人路口教學策略的優化研究

徐德生

【摘 要】本文嘗試對路口教學中出現的“迷失、缺失路口”問題進行深入分析研究，并提出了解決該問題的三種具體方案，以不斷優化教學策略，顯著提高學生的分析、解決問題的能力及動手實踐能力和創新思維能力。

【關鍵詞】路口教學;方案;優化;策略

【中圖分類號】G633.98 【文獻標識碼】A ?【文章編號】1671-8437（2020）16-0097-02

如何不斷優化機器人教育的教學策略，從而顯著提高教育教學的實效性。本文以路口教學為突破點，進行深入探究。

1 ? 教育機器人大賽的意義

WER（世界教育機器人大賽，World Educational Robot Contest）是面向全球青少年的教育機器人比賽。教育機器人大賽以科技含量高、學科跨度寬、參與面廣和展示性強等特點，吸引了越來越多的青年學生[1]。此項賽事活動旨在激發廣大青少年自身的發展潛能。

2 ? 巡線機器人路口教學的重要性

教育機器人大賽要求學生熟練掌握機器人編程軟件的使用方法和常見算法，并能根據實際情況靈活調整編寫程序[2]。場地（本文以白地黑線場地為研究對象）的黑線就是巡線機器人能否精確行走的參考依據。因此，實際教學中一定要加強巡線教學，提高學生的巡線技能。路口決定了巡線機器人的前進方向，因此，實際教學中引導學生掌握如何處理好巡線路口就顯得尤為重要。

3 ? 實際教學中存在的問題及其原因

3.1 ?問題

在實際教學時，為了使學生盡快熟悉如何處理左右路口，把場地中間區域的五邊形的各路口按順時針1—9編號。引導學生自行完成編寫任務程序：從基地出發，從路口1到路口9，順時針繞一周，返回基地。

各模塊的參數設置如下。

初始化模塊：左馬達屬性通道DC0，功率1.00;右馬達屬性通道DC1，功率-1.00，灰度屬性設置4、5、6、7、8（前進方向，從左到右）。啟動馬達出基地模塊：左、右馬達速度均為100，結束標志延時0.8s。路口巡線模塊：左側、右側路口速度均為100，沖過路口時間0.300s。左轉彎模塊：右馬達速度100，左馬達-100。右轉彎模塊：右馬達速度-100，左馬達100。

然而，巡線機器人在運行該程序時出現了兩種現象：第一種現象是巡線機器人在路口4應該直行卻左轉;第二種現象是巡線機器人在路口6應該右轉卻直行，沖出路口6。巡線機器人在巡線時偏離預定軌道，導致操作任務失敗。

3.2 ?原因

巡線機器人出現第一種情況，是由于高速運動的巡線機器人具有慣性，要保持原來的運動狀態，再加上右路口3、左路口4間的距離較短。巡線機器人在右路口3轉彎時，如果動力不足，或者場地阻力較大，巡線機器人就會轉彎不到位，身體不正。前面灰度同時檢測到左路口4，巡線機器人接著執行指令“沖過路口0.3秒”，直接導致巡線機器人巡線左路口4的左邊路徑，出現了在左路口4應該直行卻左轉的情況。巡線機器人出現第二種情況的原因是，巡線機器人在右路口3轉彎時，前面灰度4同時檢測到左路口4。如果巡線機器人動力強勁，或者場地阻力較小，巡線機器人原地轉彎到位，巡線機器人在以后巡線中，就會缺失左路口4，把左路口5當做左路口4，并在后期一直尋找左路口5，導致巡線機器人在右路口6沒有右轉，直接沖出運行軌道。

4 ? 解決方案

4.1 ?方案一

4.1.1 ?具體策略

根據以上分析，為了使巡線機器人在路口3轉彎時，不至于前面灰度4同時檢測到左路口4。在編寫操作程序時，啟發學生可在模塊“轉換右轉”和模塊“路口巡線 路口4”間插入模塊“啟動馬達”。其他模塊不變，啟動馬達模塊參數設置為：左馬達-100、右馬達-100、時間0.4s。通過設置啟動馬達模塊，使巡線小車強制后退到左路口4的后方，這樣巡線機器人過了右路口3后，再依次檢測到左路口4和左路口5，然后檢測到右路口6，成功實現右轉。從而圓滿解決巡線機器人在路口該轉不轉，不該轉亂轉的問題，順利完成“順時針繞路口1—9一周，返回基地”的任務。

4.1.2 ?缺點

此方案最大的缺點是無形中延長了巡線小車的運行時間。而在實際競賽時，巡線機器人任務多、時間緊。由此可見，方案一尚需進一步改進。

4.2 ?方案二

4.2.1 ?具體策略

為了避免巡線機器人先后退再前進而造成運行時間延長。編寫操作程序時，可僅改變右路口3和左路口4間“轉換右轉”模塊的參數，模塊參數設置為：左馬達速度20，右馬達速度-100，即巡線機器人左輪減速前進，右輪加速后退。其他模塊的參數均不變。這樣巡線機器人在實際巡線時，當檢測到右路口3轉彎時就不會因為慣性使前端灰度同時掃到左路口4，從而確保巡線機器人在右路口3右轉后，仍能檢測到左路口4。這樣巡線機器人就不會在實際巡線時因為少一個路口而一直尋找缺失的路口，也不會在車身不正時檢測到左路口4，該直行卻轉彎，偏離既定的路徑，導致整個操作任務的失敗。

4.2.2 ?優點

巡線機器人在右路口3僅減速前進，不需要先前進，再后退，再前進。這樣在競賽時可節省寶貴的時間。尤其在任務多、時間緊、要多次處理這樣的路口時，本方案就具有一定的實際意義。

4.2.3 ?缺點

認真分析“從基地出發順時針繞路口1—9一周返回基地”的操作任務，不難發現巡線機器人實際上并不需要完成尋找所有的左右路口。

4.3 ?方案三

4.3.1 ?具體策略

針對巡線機器人要實現“順時針繞路口1—9一周返回基地”的任務，編輯程序時可忽略左路口4、左路口5、左路口7。巡線機器人在右路口3轉彎時，前面灰度同時掃過左路口4，由于巡線機器人跳過檢測左路口4，直接檢測右路口6，因此巡線機器人就不存在遺漏路口的問題。

4.3.2 ?優點

這個方案符合機器人編程簡潔化的思想，簡單的就是最美的。不僅節省了選手的編程時間，而且回避了因線路復雜引起的“迷失、缺失路口”的情況。這樣巡線機器人在執行最簡化的操作程序時，出錯率低，巡線更穩定，能圓滿完成既定的操作任務。

綜上所述，通過對巡線機器人“迷失、缺失路口”問題進行深入分析和教學策略的優化探究，能使學生理解“程序是機器人的靈魂”的思想，能培養青少年實踐能力和創新精神。

【參考文獻】

[1]左岐，謝植.巡線機器人的發展與應用[J].機器人技術與應用，2007（2）.

[2]陳軍.輪式機器人巡線比賽路口常見問題分析[J].實驗教學與儀器，2011（6）.