灭火机器人设计2

第九章灭火机器人设计技巧

9．1 迷宫行走和白线检测合一的设计方法

很多公司的教学机器人使用多进程的方法，一个进程走迷宫，另一个进程测地面。使用双进程的方法，对速度慢的机器人来说，确实没有什么影响。当我们把机器人灭火的速度提高到平均每个房间3秒钟以内的时候，由于两个进程之间很难同步，会出现找不到白线的情况。为了克服这一错误的发生，我们可以使用迷宫行走和白线检测合一的设计方法来解决这个问题。当我们的迷宫算法里面没有使用sleep语句时，可以在算法的开头和结尾加入判断地面的语句。当机器人在白色地面行走时，函数返回1，在黑色地面上行走时，函数返回0。再利用这个迷宫函数编写按时间走迷宫和走迷宫到白线的函数。利用这两个函数来实现分段迷宫算法，从而实现无火不进房间的走法。该算法我们在第三章已经作了简单介绍，在这里就不再论述。如果程序中使用了sleep语句，该语句可以使用循环语句来代替，关于怎样消除sleep 语句，大家可以参考下面的文章。

9．2 提高灭火机器人稳定性的常用方法

（1）降低机器人的重心如下图就是一台低底盘的机器人，重心低的机器人在行走时不容易出现抖动现象，稳定性得到提高，速度也更快。

图9_1

（2）走中间道路

我们在自己实验室测试机器人时，参数最好是设置为使机器人成功率最高的状态，例如从4号门口退出，力求机器人是从门的中间后退，如果机器人开始位置总是向右偏，在后退之前我们先让机器人把位置转正。这样到了比赛场地，由于各种因素的作用，机器人还是会出现偏差，但由于我们在前面已经把机器人参数设置为中间状态，稍微的偏移不容易导致任务的失败。

（3）冗余设计

例如我们有1个方案，使用4-3-1-2的搜索顺序，如果4号和3号没有发现火，

在路过1号门口时也没有发现火，那么火就在2号房间，机器人走到2号房间的灭火圈后不用检测火焰，就可以直接扑灭火焰。但这样做有一定的风险，最好是到了灭火圈再作一次判断，如果有火，扑灭火焰，如果没有，进入补救程序。这样我们就解决了漏检火焰的问题，机器人的稳定性得到了提高。

（4）出错后的补救

9．3 迷宫法则的演化规律

机器人要完成灭火任务，首先要学会走迷宫。走迷宫的基本方法叫溜边法，就是机器人沿着一边的墙壁走路。所有的机器人，不管有多少个红外避障传感器，走迷宫都有一个共同的法则，我们把它叫“迷宫法则”

迷宫法则：看到墙壁，离开墙壁，看不到墙壁，接近墙壁。

上面的话看上去是自相矛盾，机器人就是在不断解决这对矛盾的过程中，找到行走的路线的。

迷宫法则根据参照物在机器人的左侧还是右侧，又可以分为左手法则和右手法则。

左手法则：看到墙壁往右转，看不到墙壁往左转。

由于右手法则和左手法则是完全对称的，左手法则的原理经过变化也适合右手法则，所以在这一节我们对右手法则不再讨论。作者希望对迷宫算法进行规律性的分析，为同学们做出又快又稳的迷宫走法提供一些思路。迷宫行走的速度和红外传感器的数量有关，数量相同，和传感器的分布位置有关。上述两个因素都相同，还和传感器的分布角度有关，上述三个因素相同，速度还和迷宫法则实现的语法结构有关。上述四个因素都相同，迷宫行走的速度还和马达参数有关。可以说迷宫算法是千变万化，所以就出现了下面的情况，有的同学的机器人走迷宫象飞一样，而有的同学的机器人走迷宫象蜗牛爬，甚至在原地打转。由于变化的因素太多，所以迷宫调试的难度很大，关于迷宫调试没有公式可用，作者试图总结出一些规律供同学们参考。

（1）规律一：红外传感器的数量越多，迷宫行走速度的分化越严重。

随着红外传感器数量的增加，迷宫行走速度的分化越来越严重。如果做得好，红外传感器数量越多，迷宫行走的速度越快，调试能力低，红外传感器数量越多，迷宫行走的速度越慢。其原因是红外传感器的数量增加后，相互配合的选择性变多，如果调得好，速度能加快。如果调试不好，传感器越多，相互干扰越大，机器人常做出自相矛盾的微动作，机器人表现为在某处发抖。在角落处，由于红外传感器发出的光线被反复反射后被其他传感器收到，抖动现象特别厉害，严重的甚至出现30秒不动的情况。目前看来，国内的各种教学机器人，以使用三个传感器走迷宫的方法为主流。据作者了解，目前国内已经有少数高手掌握了四个传感器的迷宫走法，速度特别快，这些人多半是全国或省冠军的教练。同学们一般是从两个开始学习，能熟练掌握三个传感器的调试方法就已经很成功了。

（2）规律二：语法结构中前进语句越多，机器人行进速度越快。

语法结构中前进语句越多，机器人行进速度越快，撞墙的可能性也随着增加，调试难度同样增加。下面我们举了几个例子来说明这个问题。

假设纳英特机器人前面传感器接13口，左45度接11口，那么下面的代码就是

左手法则的简单应用。

Void migong_left()

{

If (digital(13)==1|| digital(11)==1)// 看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

}

Else//看不到墙壁往左转弧线

{

Motor(0-60) ;// 左转

Motor(1,60);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

从上面的代码大家可以看到，前进语句只占移动语句的1/3，所以这个迷宫算法是很慢的，是我们刚入门阶段学习的方法。

如果把上面的代码改成

Void migong_left()

{

If (digital(13)==1)// 前面看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

}

Else If (digital(11)==1)// 左边看到墙壁往前走。

{

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

Else//看不到墙壁往左转弧线

{

Motor(0-60) ;// 左转

Motor(1,60);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

上面的算法前进速度是增加了，但它要撞墙，所以这个算法是没有用的。

一般来说，前进分量不能达到或超过全部移动量的一半，否则机器人的转动就成了问题。前进分量越接近全部移动量的一半，算法越快，但这样的算法不好找。对此，我们可以在一个传感器的判断中插入半个前进，现在对上面的算法进行改进。

Void migong_left()

{

If (digital(13)==1)// 前面看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

Sleep(0.005);

}

Else If (digital(11)==1)// 左边看到墙壁右转并前进。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

Sleep(0.005);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

Sleep(0.001);

}

Else//看不到墙壁往左转弧线

{

Motor(0-60) ;// 左转

Motor(1,60);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

如果这个算法还要撞墙，可以增加转动量或减少前进量，如：

Void migong_left()

If (digital(13)==1)// 前面看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

Sleep(0.005);

}

Else If (digital(11)==1)// 左边看到墙壁右转并前进。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

Sleep(0.005);

Motor(0,80); //前进无延时，否则要撞墙。

Motor(1,80);

}

Else//看不到墙壁往左转弧线

{

Motor(0-60) ;// 左转

Motor(1,60);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

如果设计三个传感器的走法，我们可以先根据迷宫法则写出原型，然后进行改进，如：

Void migong_left()

{

If (digital(13)==1)// 前面看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

}

Else If (digital(12)==1)// 左45度看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

Else If (digital(11)==1)// 左边看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

}

Else//看不到墙壁往左转弧线

{

Motor(0-60) ;// 左转

Motor(1,60);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

大家可以看到,在这个算法原型中，前进量太少，机器人的速度比两个传感器的走法还要慢。对此，我们可以把接11号端口的左边传感器有关的判断改为前进，速度可以明显提高。

Void migong_left()

{

If (digital(13)==1)// 前面看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

}

Else If (digital(12)==1)// 左45度看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

}

Else If (digital(11)==1)// 左边看到墙壁往前进。

{

Motor(0,80); // 前进

Motor(1,80);

}

Else//看不到墙壁往左转弧线

{

Motor(0-60) ;// 左转

Motor(1,60);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

这是纳英特机器人公司的典型算法，我们还可以在12号传感器的判断中插入半个前进，如：

Void migong_left()

{

If (digital(13)==1)// 前面看到墙壁往右转。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

Sleep(0.005);

}

Else If (digital(12)==1)// 左45度看到墙壁往右转并前进。

{

Motor(0,40); // 右转

Motor(1,-100);

Sleep(0.005);

Motor(0,100); // 前进

Motor(1,100);

}

Else If (digital(11)==1)// 左边看到墙壁往前进。

{

Motor(0,100); // 前进

Motor(1,100);

}

Else//看不到墙壁往左转弧线

{

Motor(0-60) ;// 左转

Motor(1,60);

Motor(0,80); //前进

Motor(1,80);

}

这个算法的红外传感器的分布，观察距离、角度、马达参数等调节难度比较大，但速度更快。现在同学们已经知道了，为什么调节得好，四个红外会走得更快的原因了吧。

9．4 sleep语句的消除

9．5 一技必杀法变种介绍

本算法适合小学组，我们浙江省最强的队如宋诏桥小学，画溪小学，云山小学，启新学校，群星学校，灭第4个房间，不管1-2-3-4还是4-3-2-1都是11秒左右，算上系数是3秒多，不合算。灭第1个房间都是2秒多。

画溪小学是浙江省最快的队，但在2006年的比赛中输给宋诏桥小学0.08秒, 画溪小学的方法是在起点检测4号房间的火焰，如果4号有火，灭4号，没有走1-2-3-4，但在比赛时火在4号房间，学生没有把位置放好，结果走1-2-3-4，10秒多灭4号，拿了浙江省小学组第2。我们经过研究以后，认为可以如下改进。

Int cs=0;

Void main()

{

While(1)

{

If (声控)

Break;

If start_button()==1)

Cs=1;

If stop_button()==1)

Cs=1;

}

If( cs==0)

Bisai();

Else

Ceshi();

}

Void bisai()//比赛程序，请在里面编写代码

{

}

Void ceshi(0//比赛前2分钟的测试程序

{

While(1)

(

If (发现4号的火)

{Beep();

Sleep(0.5);

}

}

}

本程序的意思是，比赛前2分钟调试时间，学生在4号房间点上蜡烛，按start键或stop键，拍一下手，开始测试程序，如果学生位置放得好，机器人会发出声音，这样来提醒学生把机器人启动位置放好。如果学生什么也不按，拍一下手，开始比赛程序。但画溪小学的方法实现难度大，我建议大家这样处理，机器人中间竖1根比墙壁高的天线（规则是允许的），上面安装一个火焰传感器，机器人起点朝右，传感器朝后对准1号房间，如果1号有火，后退走左手灭1号，如果传感器没有发现火，走4-3-2-1搜索灭火。原因是1号房间的火对着起点，而4号背离起点，检测4号容易出现失误。上面的方法直接灭1、4号，是一技必杀算法的变种。

9．6 反向一技必杀法介绍

我们学校实验过一种算法，我们把他叫做反向一技必杀算法，方法是在起点检测4号的火焰，如果4号有火，走1-2-3-4，如果4号没有火，走4-3-2-1，并使用欲擒故纵算法，这样每个房间的系数都是0.35。实验证明这是提高中学组成绩的有效方法。

9．7 防止30秒静止不动的算法

为了提高灭火机器人的稳定性，我们有必要在程序中加入减少机器人卡死可能性的设计，防止机器人30秒静止不动的情况出现。关于防止30秒静止不动，有比较成熟的算法。通过实验，我们发现导致机器人静止不动的主要原因有下面两点，一种情况是代码进入了死循环。例如，为了让机器人前进到墙，假设前面安装了13号红外避障传感器，下面的代码：

while(digital(13)!=1)//前进到墙模块

{ motor(0,60);

motor(1,60);

}

看上去没有任何错误，但当机器人走的不好，如上图位置时，由于前面的传感器永远不会检测到墙壁，那么，上面的循环条件永远得到满足，这里就成了死循环代码,这样机器人就会３０秒静止不动．为此我们可以做以下改进：

st=mseconds();//记下开始前进时间

while(digital(13)!=1)//如果看不到墙壁

{ motor(0,60);//前进

motor(1,60);

if( mseconds()-st>1000L)//１秒后退出循环,1000毫秒时间根据需要可以

//修改，比实际需要长一点.

break;//退出循环

}

通过时间变量的引入，确保１秒后退出循环，这类死循环机器人经常发生，我们要小心应用循环语句，我们把这一情况叫机器人特色的死循环。

第2种经常发生的情况是机器人做出自相矛盾的微动作，从人的视觉上来说是静止不动，例如纳英特机器人在走左手法则，在位置不好的时候。

机器人前面的传感器看不到墙壁，根据左手法则，它要左转，转了一点以后，前面的传感器看到了墙壁，根据法则又要右转，这样循环往复，机器人就在这里停步不前，对此我们可以使用类似下面的算法，下面的算法是走到一条白线的安全方法，这里是为了走回家。

Daojia=0;

while(daojia==0)

{

gst=mseconds();

while(mseconds()-gst<5000l) //每5秒种调整姿态1次

{i=migong_right();//走右手同时检测白线的函数

if (i==1) //检测到白线

{ daojia=1;

stop();

break;

}

}

if (daojia==0) //还没有到家，调整机器人姿态1次。

{ motor(0,-100);//后退1点

motor(1,-100);

sleep(0.03);

motor(0,100);//左转1点

motor(1,-100);

sleep(0.08);

}

}

从某点出发走左手，如果在正常情况下4秒可以回家，但现在5秒还没有回家，那么调整动作就会起作用。只要我们选择合适的参数，就可以防止机器人30秒静止不动，又不影响正常行走时的效率。

9．8 循环语句的使用技巧

9．9 驱动轮的选择技巧

据作者使用的经验，使用小轮，机器人走的稳，使用大轮机器人走得快。为了是适应各种场地，比较好的做法是，用剪刀剪一段废自行车内胎，把它反过来，套在轮子上面。这样设计轮子的摩擦系数比较大，不容易打滑。我们在比赛前再准备好窄胎、宽胎各一套，当比赛场地摩擦系数特别大时，换上窄胎。如果比赛场地特别光滑，换上摩擦系数特别大的宽胎。这样设计，机器人对场地的适应能力增强，调试难度降低。

9．10 灭火风扇使用技巧

关于灭火装置，可以有很多选择，但风扇是最常用的一种灭火装置。

风扇的使用作者总结了一些经验，供同学们残参考。

（1）前面双风扇

使用前面双风扇的方法可以提高灭火速度。如2006年浙江省初中组冠

军启新学校就是使用这种灭火策略。

（2）前后双风扇

对中学组来说，前后双风扇是一种很好的策略。中学组灭火要回家，回家早又怕死灰复燃。回家的时候有转身动作，如果在机器人的后面也装上风扇，利用回家转动的时间对灭火圈内的蜡烛再吹一把，灭火时间可以缩短到0.2秒左右。

（3）先开风扇再刹车

到达灭火圈的时候如果先打开风扇，再刹车是提高灭火速度的有效方法。

（4）开着风扇回家

回家的过程开着风扇，利用回家前的转动动作，对灭火圈内的蜡烛

再吹一把，灭火时间可以缩短。火未灭就回家的现象可以减少，对

灭火速度快的机器人来说，节省的这一点点时间可能影响胜负。

整个回家过程都开着风扇会影响回家速度，我们可以在回家的前半

秒钟开着风扇。

9．11 加电压

加电压是提高机器人速度的最常用方法，根据教育部的灭火规则，机器人电压不能超过12伏。加电压有可能损坏机器人的部件，所以最好是接受机器人公司技术人员的指导。加电压一般不要超过11.4伏，作者的习惯是加电压到9.6伏。

在机器人电池板7.2伏电压的基础上，接上2节1.2伏的充电电池是最常用的加电方法。关于加电压，大家可以参考配套光盘的相关内容，加电前最好打电话到机器人公司询问相关技术。