环保机器人竞赛流程设计实例

王银凤

我从2020年10月8日开始了环保机器人竞赛的设计探究之旅，在此向大家介绍一下流程，以此引领学生真正的提升设计能力。

一、精心准备材料、做保障准备

比如：比赛完整视频、器材安装说明、器材使用说明、比赛详细规则、比赛所用软件。这些材料准备妥当，还缺什么呢？嗯，机器人，没买教师用机，找学生借吧。还有电脑，安装比赛所用软件，咦？安装出错，哎，看来用了多年的Windows XP要下岗了，重装了电脑系统，软件终于能顺利安装了，完美！再找一个合适的场所，就5楼的空教室吧。好，现在万事俱备，开干。

简单介绍一下本次机器人用到的主要部件吧。

外形，小车的形状。1个底盘，电机2个，轮子2个，与1个万向轮一起构成了机器人的动力系统，用于实现机器人前进、后退、左转、右转的一系列动作。

主控器1个，通过输入程序实现控制机器人完成相应的动作。

灰度传感器5个，灰度传感器的光线照在场地纸上，通过接收到反射回来光线值的大小，判断灰度传感器实时所处的区域，结合输入程序，实现机器人沿线行走，类似于机器人看场地纸时的眼睛了。

机械臂1个，由2个舵机，1个气泵，加一些结构辅件组成。用来实现取放方木块。

二、认真安装器材、做技术保障

学生对照步骤说明自行安装。安装完成的机器人，外表看起来没问题，其实根本无法完成本次比赛的任务：用泵吸起方木块，运送到垃圾桶里。哪里有问题呢？舵机的角度。要运送方木块，用到了机械臂，本项比赛的机器人的机械臂，用到了2个舵机，通过搭建的结构辅件，实现了机械臂的功能。用到的舵机转动角度是0～180度。学生们安装时，机械臂安装只是形似，没有设置初始角度。我引导学生对机器做了改进：2个舵机，右侧舵机接在数字端口D2上（实现前后伸展的长度控制），左侧舵机接在数字端口D3上（实现机械臂上下伸展的高低控制），在程序中2个舵机均设置为90度，导入主控器后，打开主控器电源开关，开机情况下，将右侧舵机（数字端口D2）臂竖直安装，将左侧舵机（数字端口D3）动力短臂水平安装，有了初始安装的角度，就能顺畅地实现机械臂前后、上下伸展，轻松实现想要的伸展长度、伸展高度。机械臂的难题解决了，接下来就是编写程序了。

本次比赛涉及到灰度的黑白检测，自动程序，遥控程序3个任务的切换，需要做一个切换的程序。利用主控器上有一个运行按钮，编程，轻松地实现了3个程序的自由切换。遥控程序也不难，这里就不详述了。

三、细心分析细节、做优化改进

先介绍下自动程序的任务，如图，右侧的4个方块位置比赛现场抽取3个，放置相应的红、绿、蓝3色的垃圾桶，左侧u形状、3个红、绿、蓝木块也是比赛现场抽取放置的位置，其中红色木块放置在u形状的135度位置。红色原点就是机器人出发的位置，这个位置也是比赛现场抽取的。任务就是，自行编程将3个木块运送到相应的垃圾桶中，搬运不分先后顺序。

现以如图位置为例简述，先让学生设计自己的搬运方案，大家一起集思广益，找出最优化的搬运方案。最终同学们一致确定搬运顺序蓝方块→绿方块→红方块。

方案确定了，就是编程调试了。机器人出发前，整个机器人的竖直投影任何部位不能超出起始区域，出发位置放好后，机器人的灰度处在白色区域，要想实现后续的利用灰度传感器实现沿黑线行走，此时的灰度因看不到任何黑线，无法识别运行，怎么办呢？引出问题，学生思考解决方案。

学生提出，用左右电机前进，延时合适的时间，停止。新的问题来了，停止在哪里最合适呢？引导学生实践研究，停在什么位置合适，要看机器人接下来做什么动作？接下来是左转。那就试试什么样的位置能实现后面完美的左转动作，学生们经过实践，发现机器人车身约1/3过黑线后停止（如图），能完美的完成接下来的左转动作。

在接下来的走线路中，又遇到了新的问题。走边缘线路时，依靠左边或右边的灰度看路口，而机器人在巡线的过程中，很容易停在半途，什么原因呢？我引导学生思考，是什么原因引起的？参赛学生集思广益，终于发现了问题的症结所在：机器人在巡线的过程中，因机械原因，2个轮子给的速度值一样，但实际巡线时会出现2个轮子有差速，导致会出现左侧或右侧灰度在正常的巡线时遇到黑线。

那怎么改进呢？需要寻求解决的方案，学生们来问我：“老师，怎样让这2个轮子巡线时，减少2个轮子的差速？”我没有直接告诉他们答案，我需要实际调试测验。接下来，我试了好多种方案，最终发现，原来是在初始化左右轮的速度时，可以把跑的过程中速度过快的轮子，初始化的时候，速度慢一点儿。比如：原初始化左电机100，右电机-100，巡线过程中发现，右轮速度较快，这时怎么办？对，可以降低右轮子初始化时的速度值，比如是初始化左电机100，右电机-98，具体是多少值合适，需要实际测试，测试的目标是，寻求初始化左、右轮怎样的数值，机器人近乎于走直线，尽可能走的直线距离越长越好。学生们根据我的思路，做了调整，边缘巡线的问题妥善解决。

细节问题还有，无论什么问题，我们只要引导学生进行深入的分析、思考、诊断、改善，问题都会迎刃而解。

经过以上这些调试、改进，基本上容易出现的问题都得到了很好解决。在这次比赛的流程学习过程中，学生們动手、动脑能力，理论与实践相结合的素养，不畏艰险、迎难而上的精神，以及团队合作意识都得到了极大的提升。期待他们在未来人生道路上，自信向上，勇于探究，不管遇到什么困境，勇敢面对，积极寻求解决的方案，实现更高的攀登。