環保機器人競賽流程設計實例

王銀鳳

我從2020年10月8日開始了環保機器人競賽的設計探究之旅，在此向大家介紹一下流程，以此引領學生真正的提升設計能力。

一、精心準備材料、做保障準備

比如：比賽完整視頻、器材安裝說明、器材使用說明、比賽詳細規則、比賽所用軟件。這些材料準備妥當，還缺什么呢？嗯，機器人，沒買教師用機，找學生借吧。還有電腦，安裝比賽所用軟件，咦？安裝出錯，哎，看來用了多年的Windows XP要下崗了，重裝了電腦系統，軟件終于能順利安裝了，完美！再找一個合適的場所，就5樓的空教室吧。好，現在萬事俱備，開干。

簡單介紹一下本次機器人用到的主要部件吧。

外形，小車的形狀。1個底盤，電機2個，輪子2個，與1個萬向輪一起構成了機器人的動力系統，用于實現機器人前進、后退、左轉、右轉的一系列動作。

主控器1個，通過輸入程序實現控制機器人完成相應的動作。

灰度傳感器5個，灰度傳感器的光線照在場地紙上，通過接收到反射回來光線值的大小，判斷灰度傳感器實時所處的區域，結合輸入程序，實現機器人沿線行走，類似于機器人看場地紙時的眼睛了。

機械臂1個，由2個舵機，1個氣泵，加一些結構輔件組成。用來實現取放方木塊。

二、認真安裝器材、做技術保障

學生對照步驟說明自行安裝。安裝完成的機器人，外表看起來沒問題，其實根本無法完成本次比賽的任務：用泵吸起方木塊，運送到垃圾桶里。哪里有問題呢？舵機的角度。要運送方木塊，用到了機械臂，本項比賽的機器人的機械臂，用到了2個舵機，通過搭建的結構輔件，實現了機械臂的功能。用到的舵機轉動角度是0～180度。學生們安裝時，機械臂安裝只是形似，沒有設置初始角度。我引導學生對機器做了改進：2個舵機，右側舵機接在數字端口D2上（實現前后伸展的長度控制），左側舵機接在數字端口D3上（實現機械臂上下伸展的高低控制），在程序中2個舵機均設置為90度，導入主控器后，打開主控器電源開關，開機情況下，將右側舵機（數字端口D2）臂豎直安裝，將左側舵機（數字端口D3）動力短臂水平安裝，有了初始安裝的角度，就能順暢地實現機械臂前后、上下伸展，輕松實現想要的伸展長度、伸展高度。機械臂的難題解決了，接下來就是編寫程序了。

本次比賽涉及到灰度的黑白檢測，自動程序，遙控程序3個任務的切換，需要做一個切換的程序。利用主控器上有一個運行按鈕，編程，輕松地實現了3個程序的自由切換。遙控程序也不難，這里就不詳述了。

三、細心分析細節、做優化改進

先介紹下自動程序的任務，如圖，右側的4個方塊位置比賽現場抽取3個，放置相應的紅、綠、藍3色的垃圾桶，左側u形狀、3個紅、綠、藍木塊也是比賽現場抽取放置的位置，其中紅色木塊放置在u形狀的135度位置。紅色原點就是機器人出發的位置，這個位置也是比賽現場抽取的。任務就是，自行編程將3個木塊運送到相應的垃圾桶中，搬運不分先后順序。

現以如圖位置為例簡述，先讓學生設計自己的搬運方案，大家一起集思廣益，找出最優化的搬運方案。最終同學們一致確定搬運順序藍方塊→綠方塊→紅方塊。

方案確定了，就是編程調試了。機器人出發前，整個機器人的豎直投影任何部位不能超出起始區域，出發位置放好后，機器人的灰度處在白色區域，要想實現后續的利用灰度傳感器實現沿黑線行走，此時的灰度因看不到任何黑線，無法識別運行，怎么辦呢？引出問題，學生思考解決方案。

學生提出，用左右電機前進，延時合適的時間，停止。新的問題來了，停止在哪里最合適呢？引導學生實踐研究，停在什么位置合適，要看機器人接下來做什么動作？接下來是左轉。那就試試什么樣的位置能實現后面完美的左轉動作，學生們經過實踐，發現機器人車身約1/3過黑線后停止（如圖），能完美的完成接下來的左轉動作。

在接下來的走線路中，又遇到了新的問題。走邊緣線路時，依靠左邊或右邊的灰度看路口，而機器人在巡線的過程中，很容易停在半途，什么原因呢？我引導學生思考，是什么原因引起的？參賽學生集思廣益，終于發現了問題的癥結所在：機器人在巡線的過程中，因機械原因，2個輪子給的速度值一樣，但實際巡線時會出現2個輪子有差速，導致會出現左側或右側灰度在正常的巡線時遇到黑線。

那怎么改進呢？需要尋求解決的方案，學生們來問我：“老師，怎樣讓這2個輪子巡線時，減少2個輪子的差速？”我沒有直接告訴他們答案，我需要實際調試測驗。接下來，我試了好多種方案，最終發現，原來是在初始化左右輪的速度時，可以把跑的過程中速度過快的輪子，初始化的時候，速度慢一點兒。比如：原初始化左電機100，右電機-100，巡線過程中發現，右輪速度較快，這時怎么辦？對，可以降低右輪子初始化時的速度值，比如是初始化左電機100，右電機-98，具體是多少值合適，需要實際測試，測試的目標是，尋求初始化左、右輪怎樣的數值，機器人近乎于走直線，盡可能走的直線距離越長越好。學生們根據我的思路，做了調整，邊緣巡線的問題妥善解決。

細節問題還有，無論什么問題，我們只要引導學生進行深入的分析、思考、診斷、改善，問題都會迎刃而解。

經過以上這些調試、改進，基本上容易出現的問題都得到了很好解決。在這次比賽的流程學習過程中，學生們動手、動腦能力，理論與實踐相結合的素養，不畏艱險、迎難而上的精神，以及團隊合作意識都得到了極大的提升。期待他們在未來人生道路上，自信向上，勇于探究，不管遇到什么困境，勇敢面對，積極尋求解決的方案，實現更高的攀登。