机器人比赛中巡线任务原理分析

李 然

(江苏省昆山中学，江苏 昆山 215300)

巡线任务既是机器人比赛中的常规项目，也是核心任务，是其他项目顺利开展的重要技术支撑。对于机器人来说，能够顺利完成巡线任务，标志着其具有完成其他项目任务的深层次可能。巡线任务一般指让机器人按照固定线路行进的一项任务，要求参赛者具有牢靠的编程和搭建基础。

1 光感与转向原理分析

机器人比赛中，最为常见的是双光感巡线任务，其通过连接两个光感中点以确定光感感应中心，再将其视为圆心，实现小车转向，但操作过程往往会遇到很多问题，因为转向中心无法与光感重合，导致小车在巡线转弯时存在时间和精度差现象。若想克服这一问题，参赛者在车辆搭建过程中将面临难度更大的搭建任务，因此车辆转向带动光感转向，光感连线中心无法统一，二者相互影响，导致机器人巡线时无法及时准确反应黑线位置，造成巡线失误。一旦出现巡线失误，便会对机器人比赛后续进程造成较大影响，因此完成好最为基础的巡线任务是每一个参赛机器人必须克服的问题。

实际操作中，为弥补误差，参赛者往往需要将程序融入结构搭配中，通过微调使机器人，令其根据场地实际情况做出精准调整和反应。程序与结构搭配过程中，参赛者需要进行反复尝试和调整[1]。

2 结构原理分析

机器人按照规定线路行进是巡线任务的核心内容。参赛者在机器人搭建过程中，选择合适的搭建方法是完成巡线任务的首要工作。

2.1 前驱机器人

两个动力轮和万向轮是构成前轮驱动小车的主要部分，它们能够为参赛机器人提供必要的驱动力。前驱机器人转向是通过左右轮胎反转或停止其中一个轮胎来实现的，但这种机器人往往存在一些限制问题，因为光感探测中心与转向中心相近，即使前驱机器人转向速度较快，其精度却难以保证。

2.2 后驱机器人

另一种常见的驱动模式是后轮驱动小车与全轮驱动小车，它们在转向中心和小车结构上是相似的，但是两者转动过程有差异。后轮驱动小车的转向中心相对靠后，转向时车尾动力轮需要转动更大幅度，这导致转向速度较慢。虽然转动幅度较大，但是转动精度更高，更适合精度要求高的比赛。

2.3 轮胎结构

轮胎结构是机器人设置中非常重要的环节。通常情况下，机器人由万向轮支撑，两个动力轮是菱形轮胎分布，这样的轮胎分布模式可满足速度和精度要求，结合了前、后驱动优势，这一模式在转弯90°的巡线线路或在格子中行进的巡线线路中具有较强优势。由于转向中心在车体中部，所以转弯半径相对较小，能够达到以车体自身为几何中心进行圆形旋转的效果。这一分布模式能够使机器人安装更多防护装备，提高机器人稳定性，最初出现在RCX机器人足球中。但对NXT机器人来说，由于动力轮在中部，且伺服电机形状不规律，导致参赛者在搭建过程中面临更多困难。机器人完成之后，车身转弯过程中受重心较高的影响，其灵活性难以达到预期目标[2]。

2.4 四驱机器人

四驱机器人设置较为复杂，其对各种硬件设备要求也相对更高。其四个轮胎都安有动力，以更好地完成爬坡任务，还会在几何中心上安装转向中心，使其具有灵活性。受转向中心设置位置相对较前的影响，四轮驱动小车精度不高。但是四轮驱动小车没有设置万向轮，想要进行转弯，要靠四个轮胎与地面摩擦来实现。在这种情况下，车轮与地面摩擦力更大，阻力也更大，受没有设置万向轮而导致精确度下降影响较为有限，因此其精确度高于菱形轮胎分布的小车。

3 技术原理分析

3.1 单光感巡线原理分析

普遍适用性是四轮驱动小车最大的优势。在 FLL工程挑战赛、WRO世界机器人奥林匹克克赛中，如果参赛者能够掌握四轮驱动小车结构，则更具优势。

巡线任务中最基础的是单光感巡线。巡检路线往往呈“之”字型，单光感巡线只需要两侧电机交替运动即可实现。虽然容易掌握，但是却无法完成像遇黑线停车一类的复杂任务，行进过程中存在速度较慢的问题。

基本思路：使光感处于黑线左侧，通过光感判断背景颜色，若判断结果为黑色，则只需要右轮前进，反之则只需要左轮前进。

3.2 单光感巡线+独立光感数线原理分析

除了要沿着黑线行进，机器人在比赛中还要完成如垂直黑线处停车一类的高难度任务，因此单杆巡线无法满足要求。以定点停车为例，分析单光感巡线与独立光感数线结合的编程模式。基本思路：跳出单光感巡线程序体系，设置循环程序，完成垂直黑线处停车任务。

3.3 双光感巡线原理分析

将机器人光感分别置于黑线两侧是最常见的双光感巡线模式。机器人根据光感读取的数值，将其分为四种情况，再将这四种情况指定为四种不同动作程序命令，即：双黑表示停车、双白表示直行、左黑右白表示左转、左白右黑表示右转。这种方法可以使两个电机同时工作，运用两个光感来探测黑线，达到运动速度更快、精确程度更高的效果。

基本思路：为建立循环程序结构，利用双光感巡线原理，使用两重光感分支程序叠加，使光感探测到四种不同结果，并将行动指令与四种结果一一对应。

3.4 双光感巡线+独立光感数线

机器人比赛中，若以寻线为基础开展比赛，并在此基础上增加识别交叉口、定点停车等多项难度更高的任务，参赛者则需掌握双光感巡线技术。通过传感器逻辑判断方式，达到准确识别并完成任务的目的。以定点停车为例，可以将巡线赛道划分为各个阶段，在使用双光感巡线循环程序的基础上克服这一程序的不足，从而设计出能够完成相应任务的程序。

以遇黑线停车任务为例，在双光感程序上进行改造，在两个光感之间添加第三个光感，第三个光感在探测到黑线时则会将其识别为停车地点。因此参赛者想要打造双光感巡线+独立光感巡线的模式，只需在光感外侧增添第三个光感，并将其编程为探测黑线结束行径的条件[3]。

巡线机器人能够根据光照探测外界变化做出反应。每个机器人都具有一个光感探测中心，当其与小车转向中心达到一致时，机器人便能够按照一定路线行进。有时，一些巡线任务具有一定难度，巡线机器人很难进行定向识别，因此需要对其原理及构建进行更加科学的设计，结合线路实际情况，对转向中心和探测中心进行差异化设置，从而顺利完成比赛任务[4]。

当巡线机器人探测到这种较为困难的赛道时，要进行机器人时间设置，通过精密细致地操作使机器人转向中心与弯道中心重合，确保光感探测能够与巡线相分离，同时，立足原地进行掉头，待光感探测再次检索到巡线任务时，确保机器人顺利通过相关任务，继续完成后续巡线工作。

4 结语

通过对机器人竞赛中巡线任务基本原理的分析，为后续参赛人员总结经验。巡线仅仅是机器人的一项基础功能，虽然对初学者来说有一定难度，但如果坚持科学探索，便能取得良好的实践效果。