巡线机器人路口教学策略的优化研究

徐德生

【摘 要】本文尝试对路口教学中出现的“迷失、缺失路口”问题进行深入分析研究，并提出了解决该问题的三种具体方案，以不断优化教学策略，显著提高学生的分析、解决问题的能力及动手实践能力和创新思维能力。

【关键词】路口教学;方案;优化;策略

【中图分类号】G633.98 【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2020）16-0097-02

如何不断优化机器人教育的教学策略，从而显著提高教育教学的实效性。本文以路口教学为突破点，进行深入探究。

1   教育机器人大赛的意义

WER（世界教育机器人大赛，World Educational Robot Contest）是面向全球青少年的教育机器人比赛。教育机器人大赛以科技含量高、学科跨度宽、参与面广和展示性强等特点，吸引了越来越多的青年学生[1]。此项赛事活动旨在激发广大青少年自身的发展潜能。

2   巡线机器人路口教学的重要性

教育机器人大赛要求学生熟练掌握机器人编程软件的使用方法和常见算法，并能根据实际情况灵活调整编写程序[2]。场地（本文以白地黑线场地为研究对象）的黑线就是巡线机器人能否精确行走的参考依据。因此，实际教学中一定要加强巡线教学，提高学生的巡线技能。路口决定了巡线机器人的前进方向，因此，实际教学中引导学生掌握如何处理好巡线路口就显得尤为重要。

3   實际教学中存在的问题及其原因

3.1  问题

在实际教学时，为了使学生尽快熟悉如何处理左右路口，把场地中间区域的五边形的各路口按顺时针1—9编号。引导学生自行完成编写任务程序：从基地出发，从路口1到路口9，顺时针绕一周，返回基地。

各模块的参数设置如下。

初始化模块：左马达属性通道DC0，功率1.00;右马达属性通道DC1，功率-1.00，灰度属性设置4、5、6、7、8（前进方向，从左到右）。启动马达出基地模块：左、右马达速度均为100，结束标志延时0.8s。路口巡线模块：左侧、右侧路口速度均为100，冲过路口时间0.300s。左转弯模块：右马达速度100，左马达-100。右转弯模块：右马达速度-100，左马达100。

然而，巡线机器人在运行该程序时出现了两种现象：第一种现象是巡线机器人在路口4应该直行却左转;第二种现象是巡线机器人在路口6应该右转却直行，冲出路口6。巡线机器人在巡线时偏离预定轨道，导致操作任务失败。

3.2  原因

巡线机器人出现第一种情况，是由于高速运动的巡线机器人具有惯性，要保持原来的运动状态，再加上右路口3、左路口4间的距离较短。巡线机器人在右路口3转弯时，如果动力不足，或者场地阻力较大，巡线机器人就会转弯不到位，身体不正。前面灰度同时检测到左路口4，巡线机器人接着执行指令“冲过路口0.3秒”，直接导致巡线机器人巡线左路口4的左边路径，出现了在左路口4应该直行却左转的情况。巡线机器人出现第二种情况的原因是，巡线机器人在右路口3转弯时，前面灰度4同时检测到左路口4。如果巡线机器人动力强劲，或者场地阻力较小，巡线机器人原地转弯到位，巡线机器人在以后巡线中，就会缺失左路口4，把左路口5当做左路口4，并在后期一直寻找左路口5，导致巡线机器人在右路口6没有右转，直接冲出运行轨道。

4   解决方案

4.1  方案一

4.1.1  具体策略

根据以上分析，为了使巡线机器人在路口3转弯时，不至于前面灰度4同时检测到左路口4。在编写操作程序时，启发学生可在模块“转换右转”和模块“路口巡线 路口4”间插入模块“启动马达”。其他模块不变，启动马达模块参数设置为：左马达-100、右马达-100、时间0.4s。通过设置启动马达模块，使巡线小车强制后退到左路口4的后方，这样巡线机器人过了右路口3后，再依次检测到左路口4和左路口5，然后检测到右路口6，成功实现右转。从而圆满解决巡线机器人在路口该转不转，不该转乱转的问题，顺利完成“顺时针绕路口1—9一周，返回基地”的任务。

4.1.2  缺点

此方案最大的缺点是无形中延长了巡线小车的运行时间。而在实际竞赛时，巡线机器人任务多、时间紧。由此可见，方案一尚需进一步改进。

4.2  方案二

4.2.1  具体策略

为了避免巡线机器人先后退再前进而造成运行时间延长。编写操作程序时，可仅改变右路口3和左路口4间“转换右转”模块的参数，模块参数设置为：左马达速度20，右马达速度-100，即巡线机器人左轮减速前进，右轮加速后退。其他模块的参数均不变。这样巡线机器人在实际巡线时，当检测到右路口3转弯时就不会因为惯性使前端灰度同时扫到左路口4，从而确保巡线机器人在右路口3右转后，仍能检测到左路口4。这样巡线机器人就不会在实际巡线时因为少一个路口而一直寻找缺失的路口，也不会在车身不正时检测到左路口4，该直行却转弯，偏离既定的路径，导致整个操作任务的失败。

4.2.2  优点

巡线机器人在右路口3仅减速前进，不需要先前进，再后退，再前进。这样在竞赛时可节省宝贵的时间。尤其在任务多、时间紧、要多次处理这样的路口时，本方案就具有一定的实际意义。

4.2.3  缺点

认真分析“从基地出发顺时针绕路口1—9一周返回基地”的操作任务，不难发现巡线机器人实际上并不需要完成寻找所有的左右路口。

4.3  方案三

4.3.1  具体策略

针对巡线机器人要实现“顺时针绕路口1—9一周返回基地”的任务，编辑程序时可忽略左路口4、左路口5、左路口7。巡线机器人在右路口3转弯时，前面灰度同时扫过左路口4，由于巡线机器人跳过检测左路口4，直接检测右路口6，因此巡线机器人就不存在遗漏路口的问题。

4.3.2  优点

这个方案符合机器人编程简洁化的思想，简单的就是最美的。不仅节省了选手的编程时间，而且回避了因线路复杂引起的“迷失、缺失路口”的情况。这样巡线机器人在执行最简化的操作程序时，出错率低，巡线更稳定，能圆满完成既定的操作任务。

综上所述，通过对巡线机器人“迷失、缺失路口”问题进行深入分析和教学策略的优化探究，能使学生理解“程序是机器人的灵魂”的思想，能培养青少年实践能力和创新精神。

【参考文献】

[1]左岐，谢植.巡线机器人的发展与应用[J].机器人技术与应用，2007（2）.

[2]陈军.轮式机器人巡线比赛路口常见问题分析[J].实验教学与仪器，2011（6）.