简单的巡线机器小车

巡线是机器人的基本技术，也是大家学习机器人时最先要做的。能够巡线的自动装置具有机器人的全部特点：使用传感器收集周围环境的信息，并据此调整机器人的运动状态。想象这样一个场景：在沙漠中的一辆小车，离开沙漠唯一的办法就是沿着黑色的柏油马路一直往前形式。

设计思想

道路是蜿蜒曲折的，既不能实现设定好路线，又无法预测，小车只能是“看一步走一步”。道路有多曲折，小车的轨迹就有多复杂。尽管小车路线复杂，但其动作只有简单的两种：

• 前进（当小车在柏油路上时）；
• 随机转向（当小车在沙土中时，试图回到柏油路上）。

当然，随机转向存在诸多不确定性，可能会彻底偏离路线。另一种方式是让巡线机器人沿着线的边缘走，因为如果沿着黑线本身走，当机器人偏离黑线，传感器“看到沙漠”时，我们不知道机器人到底在线的哪一边，是在线的右边还是左边？如果沿着线的边缘走，当光电传感器“看到白色”，我们知道机器人在线边缘（线）的左边，当光电传感器“看到黑色”，我们知道机器人在线边缘的右边（在线上）。因为机器人跟随的是线条的左边，因此这种方式被称为“左手法则”。当然左手法则依赖于，开始小车的状态必须线条在小车的左边。

算法描述

小车复杂的轨迹，就是这两种动作拼接而成的。而什么时候执行这两种动作，也是非常显而易见的。将小车每一次的循环串联起来，构成了小车完整的前进路线。所以小车的行为就可以描述为：

看一步：检测当前位置：（0）沙土上，（1）马路上。 走一步：（0）时执行（A）前进，（1）时执行（B）随机转向 or 左手法则。 循环：重复执行“看一步走一步”的过程。

具体实现

准备材料

乐高主控×1，颜色传感器×1，电机×2，乐高积木若干。

步骤

1. 打开乐高可视化编程软件（PAD或者PC版本）

2. 使用可视化编程，将代码逻辑实现成如下所示。

抽象理论

巡线机器小车程序虽然简单，但背后用到了深刻的思想，深入挖掘程序里面的数学思想，有助于我们更好自己DIY优化自己的巡线机器人。

• 从计算机程序的角度上讲，我们在这个程序中用到了3中逻辑：1）顺序，2）分支，3）循环。理论表明这三种逻辑是完备的。这意味着所有可以用计算机实现的逻辑都可以只用这3个逻辑实现。换句话说，以后我们见到的所有程序都可以用这3个逻辑来实现。顺序很简单，就是计算机按顺序一条条执行指令。所谓分支，在这个例子中，就是“走一步”是执行（A）前进还是（B）随机转向的二选一。循环即重复执行“看一步走一步”的过程。
• 另外，还用到了分治的思想。即把一个大问题分解成无数小问题来解决。小车的轨迹很复杂，但通过分解成无数个“看一步走一步”动作就迎刃而解了。“看一步走一步”就是把小车复杂轨迹这个大问题分解成的小问题。分治有两个基本条件：1）问题可以被分解成子问题；2）子问题重叠。条件1）是显而易见的，条件2）意味着所分解的子问题要有相同的结构。计算机擅长的就是执行重复的动作。这个例子中，子问题不但有相同的结构，甚至完全一样。
• 从数学模型上看，可以把寻线机器小车系统看作一个函数。函数本质上是一个映射：给定任意符合条件（定义域内）的输入，有且只有一个输出。把这个小车系统看作一个函数f，输入（0）时，输出（A）前进，输入（1）时输出（B）随机转向。
• f(0)=A
• f(1)=B 更多思考

这种巡线方式能够完成巡线任务，但效果并不是很好。在比较直的线上完成巡线任务，在编程中设置动作细小的转弯方式，整体巡线效果看起来还算不错；但是如果线上有较大的弯度，你又采用明显的转向动作让机器人完成巡线，机器人就会来回摆动，横向穿过线条。机器人只“知道”两件事情：转左和转右。用这种方法巡线，通常机器人的速度不会很快。如何使巡线更有效率（又快又准确）呢？

在不增加传感器的情况下，采用PID来控制小车是个不错的选择。我们将在下一篇文章专门讲解PID巡线小车。