双感光探头实现复杂路况巡线的程序实例探究

傅文昊 张悦

摘 要：在高中创新活动中，为完成机器人复杂路线寻迹，通常使用三个或以上多感光探头。我们在仅有两个探头的情况下，通过巧妙的程序设计，完成了复杂路线循迹，并就出现的多個复杂路况问题进行了针对性算法设计，做到了创新。

关键词：高中创新;机器人巡线;复杂路线;双感光探头;程序设计

一、问题背景

在2018年暑假举行的宁港台三地青少年科技交流活动中，举行了一次科创机器人大赛，内容为自主设计机器人巡线，并在自制编钟上敲奏一首乐曲。其中机器人巡线问题较为复杂。本次图纸为定量+变量1+变量2。定量、变量1、变量2实物分别为三张独立的写真纸，根据抽签结果，临时将两个变量摆放于定量底图的写真纸上，变量1将在定量的A、B场地随机出现，变量2则在定量的C、D场地随机出现。起点位于图的最右侧一条竖线中点右侧，终点位于图的最左侧一条横线中点。

大赛要求机器人尺寸不超过50CM立方，我们小组制作的机器人实际尺寸约为30CM立方。

通常，在出现这种复杂路线图的情况下，会用3个或3个以上感光探头进行同时检测，通过调整各个感光探头之间的距离，将所有不同的岔道口的特征都覆盖到，然后根据不同的特征对机器人发出指令。然而，我校的机器人小组只有两个感光探头，只能通过程序设计来实现。

在实验中，我们以如图所示的其中一种，变量1出现在D场地，变量2出现在A场合，对此进行分析。

二、关于程序的初步设想

思路如下：主探头GrayA负责引路，副探头GrayB检测是否为岔路口;同时加入计次变量Ci，GrayB每检测到一次黑线，则认为经过一个岔路口，同时Ci+1;预估所经过的每一个岔路口的情况，根据Ci的数值，以一定角度转弯。最终到达终点。根据地图，预计期间一共经过8个岔路口，下文分别用岔路1-岔路8来表示。

第一次伪代码算法如下：

Ci=0

循环，时间间隔0.2秒

IfCi=8then向后1圈，停止所有电机

else

GrayA=True，跟随该轨迹走

IfGaryB=TrueThenCi=Ci+1

IfCi=2then右拐90度

IfCi=3then左拐225度

IfCi=4then左拐45度

IfCi=5then右拐45度

IfCi=6then右拐135度

IfCi=7then左拐90度

Endif

三、程序烧录被机器人执行后产生的问题与解决过程

理论上完全可行的程序在烧录后出现了数个问题，经过大家的讨论，我们将其现象与解决过程例如入如下：

问题1现象：在岔路3处，发生转弯动作完成后，严重偏离主路线。

原因探究：我们发现，由于机器人转弯半径较大，在现有程序指令下，无法避免偏离问题。

问题解决：将GrayB在岔路3处第一次探测到的黑线（对角线）抛弃，继续前行，在该处探测到的第二次黑线（上边线）记录为有效数值，指示左转弯，这样就较好地解决了上述问题。

程序实现：GrayB第一次探测到的黑线记录为Ci=N，无指令;

ifCi=N+1，then左拐225度

问题2现象：Ci变量在某些岔路口写入的数值与预期不符（GrayB探测判断的实际岔路超过预期数量），例如，第一次在经过岔路2之后，我们预期Ci=2，但是实际上Ci=3。

原因探究：在达到岔路2时，GrayB扫过一根竖线，Ci=2，转弯;较大的身躯在转动时，GrayB又扫到一根横线，记录为Ci=3，因此，虽然只经过一个岔路口，但是GrayB实际经过两根黑线。值得提出的是，后来我们在实验过程中发现，在转弯动作发生过程中GrayB探测到的黑线不被记录到Ci中。

问题解决：我们通过调整GrayB与GrayA的距离解决了这个问题，缩短距离，使得GrayB的第二次探测黑线被抛弃。

程序实现：程序不变。

问题3现象：行程的后半段遭遇了最难解决的问题。非常意外的，每次在到达岔路5时，机器人就出现了动作紊乱。

原因探究：我们设置了Ci变量在机器人的小显示屏上实时输出。观察发现，每次到达岔路5时，Ci的值瞬间增加，进退间，Ci变化记录的数值与预期严重不符（GrayB探测判断的实际岔路远远超过预期数量），且数额每次都不定！变化范围检测到了13-26，导致机器人无法按照Ci的数值执行相应指令。再经过仔细研究，我们发现，问题出在了这里各条边之间的距离上。由于该路口机器人的尺寸有超出最下侧边界，且这个路口动作大，且GrayA也在反复探测调整线路，因此GrayB会多次在该区域微动多次来回探测到黑线;且变量1图纸与定量底图的重合边界上，GrayB在扫过两张图组合的复杂岔路时，将会把它视为两种不同的黑色路径，甚至在探测过程中，因为光线的变化，而出现不同的Ci变化。

经过讨论，我们决定，在经过复杂路口之后，将Ci赋值为一个大数值，即GrayB在该路口肯定达不到的数值，掩盖掉了这个矛盾。同理，在经过岔路6时，我们遇到同样问题，同样处理。

程序实现：在经过岔路5的时候，做这样的语句调整（在经过岔路4之后，Ci=6）

IfCi=7then左拐45度，Ci=50

IfCi=51then右拐135度

四、最终算法呈现

经过多次测试之后，最终我们用如下算法实现了功能，在仅有两个感光探头的情况下，准确地完成了这个复杂线路的循迹功能。伪代码如下：

Ci=0

循环，时间间隔0.2秒

IfCi=52then向后1圈，停止所有电机

else

GrayA=True，跟随该轨迹走

IfGaryB=TrueThenCi=Ci+1

IfCi=2then右拐90度

IfCi=4then左拐225度

IfCi=5then左拐45度

IfCi=7then左拐45度，Ci=50

IfCi=51then右拐135度

Endif

五、探究心得

在这次参加宁港台青少年科创大赛的高中机器人队伍中，我们学校成立时间比较短，与南京市的几家名校相比，设备比较简陋。诚然，在设备先进的情况下，机器人的设计与制作会更简单。但是，在我们设备有限的情况下，队友们能够另辟蹊径，通过程序设计来完成一样的功能，我们觉得非常开心，这才是编程的乐趣，创新的意义。