关于乐高EV3单光感巡线的对比研究

张志欢 张佩星

(华东师范大学附属紫竹小学 上海 200000)

关于乐高EV3单光感巡线的对比研究

张志欢 张佩星

(华东师范大学附属紫竹小学 上海 200000)

本文对乐高ev3基础小车单光感巡线的研究，以左侧巡线为例，通过不同巡线方式下的实验研究，得出不同图案中巡线的特点，从而为今后FLL比赛巡线任务中提供参考。

EV3;单光感;巡线方式;FLL比赛

一、研究背景

机器人技术是一个国家科学技术水平和国民经济现代化的重要标志，也是打开21世纪大门的钥匙，随着机器人技术的发展，其在教育领域的应用也逐步得到重视。中国青少年机器人竞赛活动是中国科协主办的面向21世纪青少年的系列科技创新活动之一；该活动的竞赛宗旨在以丰富多彩、形式多样的机器人研究项目，培养青少年的创新精神和动手实践能力，激发他们对科学技术以及机器人研究应用的兴趣，提高他们的科学素质；它的竞赛项目有创意比赛、综合技能比赛、足球比赛、FLL工程挑战赛和VEX工程挑战赛五项赛事，其中FLL工程挑战赛是比赛队伍自行设计、制作机器人并进行编程，按照一定的规则，在两分半的时间内通过完成更多的任务来提高比赛得分。

FLL工程挑战赛每年都有不同的比赛主题，设有基地和任务区，场地中都会设有不同颜色的线段或者弧线，以黑色线条居多，巡线就是让机器沿着线的边沿走，通过巡线机器能够更准确的到达预定位置或者安全返回到基地内，脱离了巡线的机器就好比是没有线的风筝一盘散沙，只通过机器的精准设计，多数情况下完成任务是没有问题的，但场地一旦出现打滑或者机器空转的时候，再让机器完成任务就变的很牵强，所以巡线是机器人比赛中一项很重要的内容，快速的巡线不仅能够节省时间，还能够更精准的定位机器，所以对巡线的探究是很有必要的。

二、研究现状

单光感巡线的种类有很多，常见的有两段式巡线、三段式巡线、比例控制巡线，笔者以EV3基础小车单光感左侧巡线为例，巡线方式如下：

两段式巡线：机器人只能做两件事转左或转右，除了方向相反，转值是一样的，给光值设定一个目标值，当光值低于目标值时说明靠近黑线，这时候需要机器向左侧调整；当光值高于目标值时，说明远离黑线，此时需要机器向右侧调整。

三段式巡线：在两段式巡线基础上加上一段直行的调整区间，当光值低于直行最低值，机器向左调整，当高于直行最高值，机器向右调整，当光值在区间时，让机器不做调整保持直行，这样就减少了机器转弯的次数，提高了巡线的效率。

比例控制巡线：用机器的实际光值与目标光值做差，当偏离线的时候差值就变大，机器就做大的调整；当靠近线的时候，差值就变小，机器就做较小的调整；比例控制巡线常用的就是PID控制，将光值差乘以系数P得出比例部分，将光值差累加乘以系数I得出积分部分，将两次偏差的差值作为错误预测值乘以系数D得出导数部分，将三部分的值相加得出一个偏转值,通过这个值来调整左右马达的不同输出。通过I、D的不同赋值，就有P、PI、PD和PID四种模式。

三、研究对象及方法

(一)研究对象

以EV3基础小车为研究对象，马达功率值均设为50，采用不同的巡线模式，实验中将书法软笔固定小车头部记录轨迹(距离)，用程序记录巡线时间(时间)，横向距离最大差值作为摆幅(稳定性)，通过数据对比得出实验结果。

(二)研究方法

1.文献资料法

通过中国知网网络平台，查找国内有关巡线研究的期刊、杂志等数据和资料，为研究提供理论指导，查阅中文乐高网络平台，观看分享案例视频及动态资料，为研究提供参考。

2.实验法

综合参赛选手们2016～2017两个赛季工程赛事的场地任务方案，其中单光感巡线主要巡的有直线、弧线和L字形图案，为便于实验研究和统计，取直线、圆形、L形三种常用图形进行巡线，通过数据比较分析，从而得出结论。

3.逻辑分析法

结合所得的数据、相关理论以及实验统计的结果运用分析与综合、归纳与演绎、对比等方法进行分析，寻求合理性的巡线方式。

四、结果与分析

(一)巡直线中的各巡线方式对比

直线是最常用的巡线图案，通过巡直线可以帮助机器到达指定位置，从而让机器人完成任务。通过对巡直线的实验发现：两段式和三段式巡线接近，两段式无论在行走距离和用时上，还是在摆动幅度上，都明显优于三段式；而比例巡线的优势更大，在距离、用时和稳定性上都远远超过段式巡线，其中P、PI、PD、PID四种巡线在行走距离、时间和摆动幅度上很接近，都呈现出巡线摆幅逐渐较少最后趋近直线行走。

(二)巡圆弧形中的各巡线方式对比

圆弧形巡线比赛中有时也会用到，如2016年FLL动物之友的场地中，其中自动挤奶任务就是巡圆弧形。通过圆弧形的巡线对比发现：两段式巡线在行走距离、任务用时方面稍好于三段式巡线，但在稳定性上稍微略于三段式；比例巡线在距离、时间和稳定性上有很大的优势，其中P、PI、PD、PID四种巡线模式差距不大，在稳定性上，开始前调整幅度较大，越往后修正的幅度越小，最后趋近直线达到终点。

(三)巡L形中的各巡线方式对比

L形图案也很常见，如任务场地中用于区域划分或任务导向的分割线。在L形的巡线中，无论如何调整PID数值，比例巡线始终无法完成；在稳定变化的图案中，比例巡线都能及时修正不会偏线，但在直角转弯中，比例巡线很难调整到转弯直线上，偏转值大的时候，保证不了直线的巡线，偏转值小的时候，保证不了转弯后的巡线。段式巡线则能完成这种图案，两段式在距离、用时和稳定性方面稍微好于三段式，但段式巡线难以保证巡线过程中的稳定性，摆幅太大。

(四)对入线角度的对比研究

乐高FLL比赛任务中，没有机器刚出发就有线可巡，都是在机器出发一段距离之后才有的黑线，所以入线角度的大小对机器人的影响非同小可。通过实验对比发现：段式巡线的入线角度要求一般，三种图案中两段式巡线可以直角切入，三段式只能较小的角度切入；而比例巡线要求更高，只能很小的角度切入，否则无法巡线。所以要想在比赛中机器能够很顺畅的巡线，还是需要段式巡线和比例巡线的合理结合。

五、结论

(一)巡直线图案中，两段式在距离、时间和稳定性方面略微好于三段式，段式巡线远远不如比例巡线，比例巡线四种模式差别不大，FLL比赛中没有必要使用复杂多参数的程序，P巡线模式就足够比赛需要。

(二)巡圆弧形图案中，两段式在距离、时间上稍好于三段式，稳定性稍逊于三段式，段式巡线远远不如比例巡线，比例巡线四种模式差别不大，为避免程序的繁琐，降低调整数值的难度，建议选取P巡线模式。

(三)巡L形图案中，比例巡线始终无法成功，段式巡线中两段式巡线无论在行走距离、时间和稳定性方面要稍微好于三段式，但两者在稳定性方面都表现一般，很难保证终点的位置，从而无法保证任务顺利完成。

(四)在入线角度上，段式巡线对入线角度要求一般，尤其是两段式巡线，90度的入角都可以正常巡线。比例巡线要求很高，稍微偏离巡线方向就容易出现飞线情况，在图案变化不均匀或者入角无法精确的巡线时，最有效的方法是将段式巡线和比例巡线结合使用。

[1]詹国兵. 数字PID控制器在机器人巡线技术中的应用[J]. 工业控制计算机,2014,03:80-82.

[2]王志勃,毕艳茹. 机器人PID控制算法研究与实现[J]. 计算机技术与发展,2014,10:127-130.

[3]明子成,王雨,王俊霞,蒋腾渊. 竞赛机器人巡线算法的优化设计[J]. 中国信息技术教育,2016,11:61-63.