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1、一、 前言
在機(jī)器人競賽中, 巡線”特指讓機(jī)器人沿著場地中一條固定線路(通常是黑線)行進(jìn)的任務(wù)。作 為一項(xiàng)搭建和編程的基本功, 巡線既可以是獨(dú)立的常規(guī)賽比賽項(xiàng)目, 也能成為其他比賽項(xiàng)目的重要技
術(shù)支撐,在機(jī)器人比賽中具有重要地位。
二、 光感中心與小車轉(zhuǎn)向中心
以常見的雙光感巡線為例, 光感的感應(yīng)中心是兩個(gè)光感連線的中點(diǎn), 也就是黑線的中間位置。 而小車
的轉(zhuǎn)向,是以其車輪連線的中心為圓心進(jìn)行的。很明顯,除非將光感放置于小車轉(zhuǎn)向中心,否則機(jī)器 人在巡線轉(zhuǎn)彎的過程中, 探測線路與做出反應(yīng)之間將存在一定差距。 而若將光感的探測中心與轉(zhuǎn)向中
心重合,將大幅提升搭建難度并降低車輛靈活性。因
2、此,兩個(gè)中心的不統(tǒng)一是實(shí)際存在的,車輛的轉(zhuǎn) 向帶動(dòng)光感的轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)又相互影響,造成機(jī)器人在巡線時(shí)對黑線的反應(yīng)過快或者過慢,很多巡線失 誤由此產(chǎn)生。
所以在實(shí)際操作中,一般通過程序與結(jié)構(gòu)的配合,在程序中加入一定的微調(diào)動(dòng)作來彌補(bǔ)其中的誤差
而精準(zhǔn)的微調(diào),需要根據(jù)比賽場地的實(shí)際情況進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。
三、車輛結(jié)構(gòu)
巡線任務(wù)的核心是讓機(jī)器人小車按照場地中畫出的路線行進(jìn), 因此,根據(jù)任務(wù)需要選擇合適搭建方式
是完成巡線任務(wù)的第一步。
1、 前輪驅(qū)動(dòng)
前輪驅(qū)動(dòng)的小車一般由兩個(gè)動(dòng)力輪和一個(gè)萬向輪構(gòu)成, 動(dòng)力輪位于車頭,通過左右輪胎反轉(zhuǎn)或其
中一個(gè)輪胎停轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向, 前者的轉(zhuǎn)向中心位于兩輪胎連線
3、中點(diǎn), 后者轉(zhuǎn)向中心位于停止不動(dòng)的輪
胎上。由于轉(zhuǎn)向中心距離光感探測中心較近,可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向,但由于機(jī)器人反應(yīng)時(shí)間的限制,轉(zhuǎn) 向精度有限。
2、 后輪驅(qū)動(dòng)
后輪驅(qū)動(dòng)的小車結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向中心與前輪驅(qū)動(dòng)小車類似, 由于轉(zhuǎn)向中心靠后,相對于前輪驅(qū)動(dòng)的小
車而言,位于車尾的動(dòng)力輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)較大的幅度,才能使車頭的光感轉(zhuǎn)動(dòng)同樣角度。因此,后輪驅(qū)動(dòng)
的小車雖轉(zhuǎn)向速度較慢,但精度高于前輪驅(qū)動(dòng)小車。 動(dòng)的搭建方式。
3、菱形輪胎分布
菱形輪胎分布是指小車的兩個(gè)動(dòng)力輪位于小車中部, 定程度上可以視為前輪驅(qū)動(dòng)和后輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)合產(chǎn)物, 勢在于轉(zhuǎn)向中心位于車身中部, 轉(zhuǎn)彎半徑很小,
對于速度要求不高的比賽而
4、言, 一般采用后輪驅(qū)
前后各有一個(gè)萬向輪作為支撐。 這樣的結(jié)構(gòu)在一
轉(zhuǎn)向速度和精度都介于兩者之間。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)
甚至能以自身幾何中心為圓心進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向, 適合適
用于轉(zhuǎn)90。彎或數(shù)格子行進(jìn)等一些比較特殊的巡線線路 這種結(jié)構(gòu)最初應(yīng)用于 RCX機(jī)器人足球上,居中的動(dòng)力源可以讓參賽選手為機(jī)器人安裝更多的固定和
防護(hù)裝置,以適應(yīng)比賽中激烈的撞擊,具有很好的穩(wěn)定性。而對于 NXT機(jī)器人而言,由于伺服電機(jī)
的形狀狹長不規(guī)律,將動(dòng)力輪位于車身中部的做法將大幅提升搭建難度, 并使車身重心偏高,降低轉(zhuǎn) 彎靈活性。
4、四輪驅(qū)動(dòng)
四輪驅(qū)動(dòng)的小車四個(gè)輪胎都有動(dòng)力, 能較好地滿足一些比賽中爬坡任
5、務(wù)的需要。 小車的轉(zhuǎn)向中心靠近
小車的幾何中心,因此能進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),具有較好的靈活性,特別適用于轉(zhuǎn) 90。彎或數(shù)格子行進(jìn)
等任務(wù)一些比較特殊的巡線線路。雖然與后輪驅(qū)動(dòng)小車相比,轉(zhuǎn)向中心比較靠前,轉(zhuǎn)向精度較小,但 四輪驅(qū)動(dòng)小車沒有萬向輪, 轉(zhuǎn)彎需要靠四個(gè)輪胎同時(shí)與地面摩擦, 加大轉(zhuǎn)彎的阻力,因而轉(zhuǎn)彎精度應(yīng)
介于菱形輪胎分布的小車和后輪驅(qū)動(dòng)小車之間。
四輪驅(qū)動(dòng)的小車最大優(yōu)勢在于具有普遍適應(yīng)性,熟練掌握此結(jié)構(gòu)的參賽選手能在參加 FLL工程挑戰(zhàn)
賽、WRO世界機(jī)器人奧林匹克等一些比較復(fù)雜的比賽中占據(jù)一定優(yōu)勢。
四、編程方案
1、單光感巡線
單光感巡線是巡線任務(wù)中最基礎(chǔ)的方式,在行進(jìn)
6、過程中,光感在黑線與白色背景間來回晃動(dòng),因此, 這種巡線只能用兩側(cè)電機(jī)交替運(yùn)動(dòng)的方式前進(jìn), 行進(jìn)路線呈 之”字形。這種巡線方式結(jié)構(gòu)簡單易于掌 握,但由于只有一個(gè)光感,對無法在完成較為復(fù)雜的巡線任務(wù)(如遇黑線停車、識(shí)別線路交叉口等)
且速度較慢。
基本思路:光感放置于黑線的左側(cè),判黑則左輪不動(dòng)右輪前進(jìn),判白則右輪不動(dòng)左輪前進(jìn),如此交替
循環(huán)。參考程序如下圖:
2、單光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線
在很多比賽中,機(jī)器人需要做的不僅僅是沿著黑線行進(jìn), 還需要完成一些其他任務(wù),如在循跡路
線上增加垂直黑線要求停車、放置障礙物要求躲避等內(nèi)容。此時(shí),單光感巡線已不能滿足要求。下面 以要求定點(diǎn)停車為例,
7、簡要介紹單光感巡線 +獨(dú)立光感數(shù)線的編程模式。
基本思路:在此任務(wù)中要求在垂直黑線處停車, 則需要跳出單光感巡線的循環(huán)程序體系, 可以通過設(shè)
置循環(huán)程序的條件實(shí)現(xiàn)這一功能。由于程序的設(shè)定,負(fù)責(zé)巡線的 3號光感在行進(jìn)時(shí)始終位于黑線的左
側(cè),不會(huì)移動(dòng)到黑線右側(cè)的白色區(qū)域,因此在黑線右側(cè)設(shè)置一個(gè)光感( 4號)專門負(fù)責(zé)監(jiān)視行進(jìn)過程
中黑線右側(cè)的區(qū)域,當(dāng)此光感判黑時(shí),即可判斷出小車行進(jìn)到垂直黑線處, 于是終止單光感巡線的循
環(huán)程序,執(zhí)行規(guī)定的停車任務(wù),然后向前行進(jìn)一小段距離駛過垂直黑線,繼續(xù)單光感巡線任務(wù)。參考
程序如下圖:
上述程序只適用于停車一次的需要, 在實(shí)際比賽中需以定點(diǎn)停車、 蔽
8、障任務(wù)為基點(diǎn),將巡線賽道
劃分為若干個(gè)小段依次設(shè)定程序,或采用兩重循環(huán)的程序,重復(fù)執(zhí)行巡線 定點(diǎn)停車任務(wù):
3、 雙光感巡線
雙光感巡線是機(jī)器人競賽中最常見的巡線模式, 兩個(gè)光感分別位于黑線兩側(cè), 以夾住黑線的方式行進(jìn)。 根據(jù)兩個(gè)光感讀取的數(shù)值不同, 可以將光感的探測結(jié)果分為左白右黑、 左黑右白、雙白和雙黑四種情 況,根據(jù)這四種探測結(jié)果,分別執(zhí)行右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、直行和停車四種動(dòng)作的程序命令。由于這種方法能
讓兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度較快,同時(shí)采取兩個(gè)光敏監(jiān)測黑線,精度也有所提高。
基本思路:使用兩重光感分支程序疊加, 為四種探測結(jié)果設(shè)定與之對應(yīng)的程序反應(yīng), 形成循環(huán)程序結(jié)
構(gòu)
9、,參考程序如下圖:
4、 雙光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線
一般而言,一個(gè)以巡線為基礎(chǔ)的比賽,會(huì)在巡線的基礎(chǔ)上增加定點(diǎn)停車、識(shí)別交叉口、繞開障礙等多
項(xiàng)任務(wù),想要準(zhǔn)確識(shí)別并完成這些任務(wù),需要在掌握上述雙光感巡線技術(shù)的基礎(chǔ)上,以定點(diǎn)停車、蔽 障任務(wù)為基點(diǎn),將巡線賽道劃分為若干個(gè)小段, 使用傳感器、邏輯判斷等方式跳出雙光感巡線的循環(huán)
程序,執(zhí)行與完成任務(wù)相對應(yīng)的程序,然后重新進(jìn)行巡線任務(wù)。
以雙光感巡線+獨(dú)立光感數(shù)線的模式為例,在雙光感巡線的基礎(chǔ)上,在其中一個(gè)光感的外側(cè)再放置一 個(gè)光感。由于使用雙光感巡線, 標(biāo)記行進(jìn)路線的黑線將始終位于前兩個(gè)光感之間, 因而第三個(gè)光感探
測到黑線只會(huì)是兩種情況
10、 抵達(dá)停車地點(diǎn)或巡線路線交叉處,于是以第三個(gè)光感探測到黑線作為結(jié) 束循環(huán)的條件進(jìn)行編程,參考程序如下:
注:由于光感放置位置的原因, 使得第三個(gè)光感判黑的時(shí)候, 前兩個(gè)光感探頭必然同時(shí)處于黑線上或 十分接近,完全能以第三個(gè)光感判黑代替前兩個(gè)光感同時(shí)判黑的情況, 因此在巡線循環(huán)部分將雙光感
判黑的一個(gè)分支跳過不予編程。
五、延展
上述內(nèi)容為巡線任務(wù)的基礎(chǔ)知識(shí), 僅根據(jù)光感的探測做出反應(yīng), 簡單地將光感探測中心與小車轉(zhuǎn)向中
心重合(將小車視為一個(gè)僅有重量沒有體積的質(zhì)點(diǎn)) ,可完成一些線路有弧度的平滑路線,對于較難
的巡線彎道,如直角彎、 V”字形彎道等特殊線路,則必須考慮轉(zhuǎn)向中心和探測中心的區(qū)別,需要特
殊對待。
一般而言,在探測到此類彎道之后, 需要先精確控制小車運(yùn)行時(shí)間, 將小車的轉(zhuǎn)向中心移動(dòng)到彎道的
中心(如V”字形彎道的定點(diǎn)),此時(shí)光感全部脫離黑線,再原地轉(zhuǎn)動(dòng)車身,當(dāng)負(fù)責(zé)夾住黑線行進(jìn)的光 感重新探測到黑線時(shí),則小車已完成轉(zhuǎn)彎任務(wù)并回到循跡路線,然后繼續(xù)執(zhí)行巡線任務(wù)。
以上內(nèi)容僅為本人的一些經(jīng)驗(yàn)粗略總結(jié), 如有不當(dāng)之處,敬請大家指正,希望能起到拋磚引玉的作用。