机器人课堂教育基础概述

一、巡线机器人初步走

有了一个受大脑控制的好眼睛（采用PWM技术的红外传感器），我们就可以让机器人沿着黑线跑起来。方法如图3所示，在完成巡线任务的程序中，我们让小机器人每次检测到黑线的时候就立即向左转，而每当检测到白色地板的时候就立即向右转。这样机器人就会按照“之”字形的折线巡线前进了。用这种方法巡线有个好玩的英文名字叫做“zig-zag”，我们可以叫它“之”字形巡线法。对应于机器人硬件：每次传感器“看”到黑线，就应该让左轮放慢，右轮加快，机器人向左转弯。而每次传感器“看”到白色地面，就让右轮放慢，左轮加快，机器人向右转弯。在这两种动作之间，我们则让主控器“休息”一小会儿，以给电机充分的作用时间。根据这个思路，笔者编写如下参考程序。使用独眼机器人需要注意的是，它初始位置的摆放是有学问的。我们一定要保证在巡线开始时，机器人传感器的位置在靠近黑线的左侧或者正好在黑线上。这样做的道理是显然的，假设一开始就把机器人放到线右边的地板上，因为我们编写的程序是让机器人碰到白色地板就立刻往右转，所以它就只能在原地打转了。

二、巡线机器人起步走

笔者在用“之”字形巡线法时，机器人是用什么作为巡线的依据呢？实际上，它是在沿着黑线的左边缘或是右边缘前进的。黑线起到的作用就像一根拐杖，这也难怪，因为我们只有一个传感器。但如果有两个巡线传感器，我们可以怎么样改进巡线方法，让机器人更快前进呢？我们可以这样做，将两个巡线传感器分开一点距离（大于线的宽度），并安装在机器人的底盘上，开始巡线的时候令黑线正好从两个巡线传感器之间穿过，如图4所示。这样，如果两个传感器检测到都在白色的地板上方，就说明机器人在线的上方，可以让机器人一直往前走；如果右边的传感器检测到了黑线，就往右转；如果左边的传感器检测到了黑线就往左转。在原来的方法中即使机器人遇到一根直线，也要走“之”字形前进，而如果采用我们刚刚设计的方案，机器人在巡直线的时候就完全可以笔直前进了，这样它就可以比“之”字形巡线法跑得更快了。

三、巡线机器人跑步走

通过上述研究，我们可以得出下面的结论：在硬件设备一样的条件下，要让机器人巡线巡得更快，我们一定要想办法让它走的轨迹更加平滑。“之”字形巡线是完完全全的走折线，这样的轨迹是最不平滑的。而当我们使用两个传感器时，在巡直线时机器人可以一直前进而不用拐弯，这样比走“之”字形的轨迹就要平滑得多了。怎么让它走得更加平滑呢？方法是很明确的：增加更多的传感器数量。如果我们有4个巡线传感器，那么可以这么做：假设我们把4个传感器从右到左分别叫做1号、2号、3号、4号。如果1号检测到了黑线，就说明机器人行进的方向和黑线之间的角度已经很大了，应该马上向右大幅转动；如果2号检测到了黑线，就说明机器人的行进方向和黑线之间有角度但还不是很大，只需要向右“温柔”地转弯就可以了。对于3号、4号传感器学生可以以类似的方法进行分析。这样我们在控制程序中就可以判断，根据不同的传感器给出不同的电机控制信号。用这种方法机器人不仅比只有两个传感器时跑得更快、更平滑，而且对于突然急转弯的黑线有更好的适应性，从而使机器人跑得更加可靠。机器人巡线能力作为智能机器人的一项基本要求得到了很广泛的运用。在地下线路检修、探索迷宫时，巡线机器人都起到了极大的作用。避障机器人同样是运用了相同原理得以设计，最后产生了智能扫地机。笔者在此讲述红外传感器原理和探索各种巡线方法，意在希望爱好者能通过对巡线的学习掌握机器人基础知识，综合运用各种巡线方法以替代人工巡视方法，这样做既提高了巡线的效率，又提高了巡线的精度和可靠性。

作者：谢晓石 单位：江苏省扬州中学

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