邵宗敏

摘 要：文章聚焦于光感巡線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)EV3光感巡線中存在的誤區(qū)進(jìn)行了梳理甄別，對(duì)光感巡線中的常見方法進(jìn)行了概念化的概括，對(duì)所總結(jié)出的“最值法”“均值法”及“差值法”等方法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化邏輯進(jìn)行了梳理。通過分析推導(dǎo)、追根溯源和抽絲剝繭式的追問，力求打通橫亙?cè)趯W(xué)生心中的脈絡(luò)誤區(qū)，讓學(xué)生在“大道至簡(jiǎn)，精于心”的內(nèi)化引導(dǎo)下，做到在實(shí)操中“簡(jiǎn)于行”的目的。

關(guān)鍵詞：光感巡線;EV3編程;設(shè)計(jì);優(yōu)化

中圖分類號(hào)：G431? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2020）24-0037-06

一、問題的提出

光感巡線是機(jī)器人學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，是青少年機(jī)器人培訓(xùn)的必修課。在青少年機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)中，光感巡線作為任務(wù)單列雖然罕見，但它是完成相關(guān)任務(wù)不可或缺的重要手段。PID巡線是公認(rèn)的較為穩(wěn)定的巡線方法。但要用好PID巡線技術(shù)，需要具有一定的高等數(shù)學(xué)和控制技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)于中小學(xué)生來講，并不是一件容易的事。要讓中小學(xué)生真正弄懂光感巡線的相關(guān)理論知識(shí)，也是不現(xiàn)實(shí)的。正因?yàn)槿绱?，在青少年機(jī)器人培訓(xùn)中，讓學(xué)生“模仿”教師的范式來完成相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)成為教學(xué)中的常見現(xiàn)象。若任由這種“模仿”盛行，將與培養(yǎng)青少年的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的初心相去甚遠(yuǎn)。事實(shí)上，在培訓(xùn)中，指導(dǎo)學(xué)生通過分析，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)和機(jī)器人的興趣，遠(yuǎn)比讓學(xué)生通過“模仿”在競(jìng)賽中取得“優(yōu)異”成績(jī)重要得多。對(duì)于學(xué)生來說，在自己理解的基礎(chǔ)上做出來的東西，學(xué)到的就不僅僅是內(nèi)容，還有思維的鍛煉和方法的擴(kuò)展。

那么，我們能不能把光感巡線的方法、原理用一種基于學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)，用一種通俗易懂的語言告訴他們？答案是肯定的。老子云：“萬物之始，大道至簡(jiǎn)，衍化至繁”。雖然世事紛繁復(fù)雜，但其中的基本原理、方法和規(guī)律其實(shí)是很簡(jiǎn)單的，甚至簡(jiǎn)單到一兩句話就能說明白。讓光感巡線回歸學(xué)生日常經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有知識(shí)，是本文致力解決的問題。

二、問題的界定

在EV3機(jī)器人中，顏色傳感器作為一種數(shù)字傳感器，可以檢測(cè)到進(jìn)入傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)的顏色或光強(qiáng)度，是機(jī)器人數(shù)據(jù)獲取的重要設(shè)備，巡線是其獲取數(shù)據(jù)的一種重要方法。EV3顏色傳感器設(shè)有顏色模式、反射光強(qiáng)度模式和環(huán)境光強(qiáng)度模式三種檢測(cè)模式。在巡線中，我們通常用的是顏色檢測(cè)模式（以下簡(jiǎn)稱色感模式）和反射光強(qiáng)度模式（以下簡(jiǎn)稱光感模式），而環(huán)境光強(qiáng)度模式是通過檢測(cè)外環(huán)境光的亮度和外光源照射到傳感器的時(shí)間，用于設(shè)定動(dòng)作的啟停等功能。

1.色感模式

在色感模式中，顏色傳感器可識(shí)別黑、藍(lán)、綠、黃、紅、白、棕7種顏色及無顏色（見圖1）。在光感模式中，顏色傳感器可以測(cè)量從發(fā)光燈反射回來的光強(qiáng)度，其測(cè)量范圍在0（極暗）到100（極亮）之間（見圖2）。應(yīng)該說，色感和光感這兩種模式，都能滿足巡線的要求，并且很多時(shí)候需要色感、光感兩種模式配合才能高效、順利地完成巡線任務(wù)，達(dá)到快速、準(zhǔn)確巡線的要求。

對(duì)于初學(xué)者來說，色感模式巡線因只需要判斷出7種顏色即達(dá)到巡線的要求，簡(jiǎn)單、直觀，很容易上手。但隨著學(xué)習(xí)的深入和實(shí)際場(chǎng)地的復(fù)雜化，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠色感模式巡線，往往無法完成巡線的要求，必須要光感模式配合才行。主要原因有兩點(diǎn)：一是場(chǎng)地顏色往往不止7種;二是在實(shí)場(chǎng)中，相近、相似的顏色很多，顏色歸類是一件十分不易的事情。

2.光感模式

在光感模式中，顏色傳感器并不關(guān)心顏色的差異，而是通過檢測(cè)發(fā)光燈照射場(chǎng)地反射回來的光強(qiáng)度（以下稱為反射光）達(dá)到巡線的目的。理想狀態(tài)下，極暗（黑色）返回值為0，極亮（白色）返回值為100。由此我們可以看出，光感模式實(shí)際上是把千差萬別的場(chǎng)地顏色進(jìn)行了灰度化，并根據(jù)反射光的強(qiáng)度在[0，100]間賦值，在極黑到極白變化的過程中，灰度逐漸變化，數(shù)值逐漸增加（見圖3）。所以，光感模式因沒有顏色的差異，只有數(shù)值的大小，操作起來反而更簡(jiǎn)單，適應(yīng)性更強(qiáng)。這是光感巡線模式的優(yōu)勢(shì)所在，也是本文采用光感巡線進(jìn)行討論的主要目的。

巡線中，我們可以使用的光感1—4個(gè)不等，但主要還是以“單感巡線”和“雙感巡線”兩種為主。這兩種巡線模式也是我們探討的主要內(nèi)容。

三、誤區(qū)與甄別

1.光感巡線中的“巡線”是要“循線前進(jìn)”嗎？

受習(xí)慣性思維的影響，在我們的認(rèn)知范式中，往往會(huì)無意識(shí)地把“巡線”理解為“壓著線前進(jìn)”，即把“巡線”等同于“循線”。表述為條件與任務(wù)的關(guān)系，就是以下三種（見圖4）：

光感在線左→機(jī)器人右轉(zhuǎn);

光感在線右→機(jī)器人左轉(zhuǎn);

光感在線上→機(jī)器人壓線前進(jìn)。

且不說“雙感巡線”存在是讓左感壓線還是右感壓線的雙難問題，在單感巡線中，要讓機(jī)器人執(zhí)行上述的條件與任務(wù)也是比較困難的。在圖4中，光感能檢測(cè)得到的值其實(shí)是有限的：一是光感在線上，反射光的值最小，理想狀態(tài)為0;二是光感在線左或線右，反射光的值相等且最大，理想狀態(tài)為100。我們知道，機(jī)器人的反應(yīng)（任務(wù)）與變量（條件）只有一一對(duì)應(yīng)，程序才能夠有效執(zhí)行。即同一條件下，機(jī)器人只能做出一種反應(yīng)。讓機(jī)器人在同一反射值下完成左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)兩個(gè)任務(wù)，同樣是雙難問題。

在百度漢語中，“巡”釋義為“往來查看”;而“循”才具有“遵守、依照、沿襲”的意思。所以說在光感巡線中的“巡線”，要求的并不是“壓線前進(jìn)”，而是“不斷地來回、反復(fù)尋找線的位置，作為前進(jìn)的參考”。這是我們需要厘清的第一個(gè)誤區(qū)。

2.“巡線前進(jìn)”是否需要“直線前進(jìn)”？

說到“前進(jìn)”時(shí)，我們的第一反應(yīng)往往是“直線前進(jìn)”。據(jù)此，圖4中條件與任務(wù)的表述為：

條件：無線？有線？

任務(wù)：左轉(zhuǎn)！右轉(zhuǎn)！前進(jìn)！

根據(jù)條件與任務(wù)一一對(duì)應(yīng)的要求，讓機(jī)器人在兩個(gè)條件下執(zhí)行三個(gè)任務(wù)，是無法完成的。

實(shí)質(zhì)上，“前進(jìn)”并不總意味著要“直線前進(jìn)”。直線前進(jìn)，只是兩點(diǎn)間的最短距離而已，但并不是唯一方法。例如，汽車從山腳到山頂，總是通過盤山公路不斷地“左轉(zhuǎn)前進(jìn)”或“右轉(zhuǎn)前進(jìn)”而到達(dá)山頂?shù)模ㄒ妶D5）。

所以巡線的重點(diǎn)在于“巡到線后→前進(jìn)”，并沒有要求“直線前進(jìn)”。像盤山公路一樣，左轉(zhuǎn)前進(jìn)或右轉(zhuǎn)前進(jìn)，同樣是前進(jìn)中的方法。由此，圖4中的條件與任務(wù)表述就變成了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系：

條件：無線？有線？

任務(wù)：左轉(zhuǎn)前進(jìn)！右轉(zhuǎn)前進(jìn)！

實(shí)質(zhì)上在巡線中，“直線前進(jìn)”不僅在方法上無法判斷，在實(shí)際操作中也是不可取的。在實(shí)際場(chǎng)地中，需要使用巡線方法的往往不會(huì)是直線。這是我們需要厘清的第二個(gè)誤區(qū)。

3.“巡線”狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)向是否就是“直角轉(zhuǎn)向”？

我們知道，EV3機(jī)器人轉(zhuǎn)向的取值范圍為[-100，100]。在非巡線狀態(tài)下，負(fù)值向左轉(zhuǎn)向，正值向右轉(zhuǎn)向，±50表示直角右轉(zhuǎn)或左轉(zhuǎn)，±100則分別表示向右或向左調(diào)頭。據(jù)此，我們會(huì)固化地認(rèn)為，±50同樣是巡線狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)向值，而大于或小于這個(gè)值時(shí)機(jī)器人就會(huì)走“回頭路”，這實(shí)際上是對(duì)巡線轉(zhuǎn)向的另外一種誤解。

事實(shí)上通過實(shí)操，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)巡線中設(shè)置的角度就算是超過±50，甚至是設(shè)值為±100，只要電機(jī)功率適當(dāng)都能完成巡線任務(wù)，并不會(huì)“回頭”。這是什么原因？ 通過探究分析，我們不難發(fā)現(xiàn)巡線中的條件與任務(wù)，實(shí)質(zhì)上是一種“循環(huán)性任務(wù)”。上例巡線中的條件與任務(wù)，譯成執(zhí)行程式就是：如果“有線”執(zhí)行的任務(wù)是“左轉(zhuǎn)前進(jìn)”，那么“無線”執(zhí)行的任務(wù)則是“右轉(zhuǎn)前進(jìn)”，并如此循環(huán)……反之亦然。

這就是為什么只要電機(jī)功率適當(dāng)，設(shè)置的值無論大小，均能完成巡線任務(wù)的原因所在。實(shí)質(zhì)上，值的大小反應(yīng)的是轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度和效率。例如，轉(zhuǎn)向值為-100或100時(shí)，表示的其實(shí)是需要讓機(jī)器人以最大的轉(zhuǎn)向速度向目標(biāo)靠近，這是在巡線中我們需要厘清的另外一個(gè)問題。

四、光感巡線的常見方法

1.光感巡線入門——最值法

（1）單感“最值法”

結(jié)合變量與反應(yīng)一一對(duì)應(yīng)要求，圖4示例條件與任務(wù)的關(guān)系，可轉(zhuǎn)化為實(shí)質(zhì)相同的左、右兩種巡線模式（見圖6），在此我們以左巡線模式進(jìn)一步說明：如果“無線”執(zhí)行的任務(wù)是“右轉(zhuǎn)前進(jìn)”，則“有線”執(zhí)行的任務(wù)就是“左轉(zhuǎn)前進(jìn)”，在這里我們把這種巡線方法稱為“左巡線模式”。

這樣，接下來的編程也就瓜熟蒂落、水到渠成（見圖7）。下列程序中，反射值是一個(gè)實(shí)測(cè)參數(shù)，可以是最大值（左巡線模式），也可以是最小值（右巡線模式）。兩種模式邏輯相同，沒有實(shí)質(zhì)的差別，在實(shí)操中可以根據(jù)自己的習(xí)慣選用。在這里我們不妨把這種通過測(cè)最大值或最小值作為執(zhí)行條件的方法稱為單感“最值法”，簡(jiǎn)稱“最值法”。

（2）雙感“最值法”

光感是供機(jī)器人獲取數(shù)據(jù)的主要設(shè)備，“雙感”相對(duì)于“單感”來講，意味著可以獲取更多的數(shù)據(jù)條件，從而讓機(jī)器人執(zhí)行巡線的方法變得更加多樣。

需要說明的是，為了讓“雙感巡線”能獲得可供比較和執(zhí)行的有效數(shù)據(jù)，雙感的安裝建議采用平行安裝方式，且要間距適當(dāng)，略大于“線”寬。間距過大，轉(zhuǎn)進(jìn)幅度就會(huì)很大;距離過小，雙感反射光就會(huì)同時(shí)“巡到線上”，獲取的數(shù)據(jù)就沒有參考價(jià)值。根據(jù)條件與任務(wù)一一對(duì)應(yīng)要求，不難得出“雙感巡線”的以下執(zhí)行關(guān)系（見圖8）：

①右光感碰到線→向右轉(zhuǎn)進(jìn)！

②左光感碰到線→向左轉(zhuǎn)進(jìn)！

③左右光感都沒碰到線→直行！

這樣，接下來的編程也就變得十分簡(jiǎn)單（見圖9）。

事實(shí)上，這里的雙感巡線方法仍然是通過檢測(cè)“最值”作為執(zhí)行條件，其原理和方法與單感“最值法”是一樣的，也可稱為“最值法”。區(qū)別在于其最值源于雙光感，由左右光感各提供了一個(gè)“最值”。如果需要與單感“最值法”相區(qū)分，不妨把其稱為“雙感最值法”或“雙最值法”。

2.光感巡線進(jìn)階——均值法和差值法

“最值法”的原理是通過探測(cè)最值和不斷地向左轉(zhuǎn)進(jìn)或向右轉(zhuǎn)進(jìn)，以達(dá)到巡線之目的。利用“最值法”巡線，能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的巡線任務(wù)，但在實(shí)操中的最大問題是擺動(dòng)幅度特別大，巡線穩(wěn)定性差。特別是“雙最值法”，并沒能因獲取數(shù)據(jù)的增加而讓機(jī)器人變得更加平穩(wěn)，從而失去了增加光感的意義。那么有沒有一種方法，在現(xiàn)有獲取數(shù)據(jù)條件不變的情況下，通過最大化地利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，讓機(jī)器變得更加平穩(wěn)？答案是肯定的。

（1）單感“均值法”

如果我們對(duì)單感“最值法”進(jìn)一步剖析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其“光”與“線”的位置關(guān)系，無外乎有以下5種情況（見圖10）：

①反射光在線左;

②反射光在線上且偏左;

③反射光在線上且居中;

④反射光在線上且偏右;

⑤反射光在線右。

那么，這5種位置關(guān)系在巡線中，誰需要轉(zhuǎn)向的角度最大？誰需要的最??？根據(jù)最值法中“極值轉(zhuǎn)進(jìn)”的原理，我們不難得出①、③、⑤需要轉(zhuǎn)向的角度最大，②、④需要轉(zhuǎn)向的角度最小，甚至不需要轉(zhuǎn)向的判斷。因?yàn)棰?、③、⑤是巡線中的“極值”位置，是轉(zhuǎn)向的條件，②和④則分居于左巡線和右巡線的條件正中，是最理想的前進(jìn)位置，是不需要轉(zhuǎn)向的（見圖11）。

根據(jù)光感巡線中灰度在極值間漸變的原理，不難推斷出②、④灰度值即為最大、最小兩個(gè)極值之均值的結(jié)論。由此，可推導(dǎo)出以下轉(zhuǎn)向關(guān)系式：

轉(zhuǎn)向值=光感實(shí)測(cè)值

這樣，完成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的編程也就順理成章（見圖12）。在這里，我們把這種利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取均值，達(dá)到減小機(jī)器人擺動(dòng)幅度，增加巡線平穩(wěn)性的方法叫做“單感均值法”，簡(jiǎn)稱“均值法”。

（2）雙感“差值法”

前面說過，雙感“最值法”不能因光感的增加而使巡線更加穩(wěn)定是一大憾事。事實(shí)上，雙感獲取到的數(shù)據(jù)與單感相比其實(shí)是翻倍的，只是沒有被很好地利用而已。下面我們以理想狀態(tài)為例，分析圖8中不同光感位置所獲取數(shù)據(jù)、執(zhí)行動(dòng)作及轉(zhuǎn)向值間的關(guān)系，如表1所示。

我們發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？就是左右光感數(shù)據(jù)的差值、轉(zhuǎn)向值與執(zhí)行動(dòng)作其實(shí)是相互對(duì)應(yīng)的。而這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，即使在非理想狀態(tài)下同樣成立。所以不難推導(dǎo)出以下轉(zhuǎn)向公式：

轉(zhuǎn)向值=左感實(shí)測(cè)值-右轉(zhuǎn)實(shí)測(cè)值

把該公式換成機(jī)器人能執(zhí)行的程序，就如圖13所示。在這里，我們把這種通過計(jì)算左右光感實(shí)測(cè)值的差值來確定轉(zhuǎn)向的方法稱之為“雙感差值法”，簡(jiǎn)稱“差值法”。

五、光感巡線優(yōu)化——影響因素探討及控制

1.光感巡線的影響因素探討

為方便表述，我們把以上所探討的方法分別稱為“最值法”“均值法”和“差值法”。其中“最值法”是通過“最值轉(zhuǎn)進(jìn)”的原理和方式來達(dá)到巡線的目的，為單、雙感巡線通用，是光感巡線中的基礎(chǔ)方法。其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、便于理解，缺點(diǎn)是平穩(wěn)性差。

“均值法”和“差值法”分別是單、雙感巡線的常用方法。這兩種方法因能根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正轉(zhuǎn)向系數(shù)并及時(shí)轉(zhuǎn)進(jìn)，增加了機(jī)器人的穩(wěn)定性。從理論上講，這兩種方法已經(jīng)解決了最值法存在的問題，提高了巡線的平穩(wěn)性。但通過實(shí)測(cè)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩種方法在巡線中均存在效率性問題，很難滿足實(shí)際的訓(xùn)練和比賽要求，并不具有適用性。其實(shí)，在“均值法”和“差值法”的編程中，電機(jī)功率都是設(shè)置得很小的。換句話說，就是機(jī)器人的穩(wěn)定性是通過犧牲巡線的速度來實(shí)現(xiàn)的。

如果我們把電機(jī)功率加大，會(huì)出現(xiàn)什么樣的情況？ 通過實(shí)測(cè)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)無論是哪種方法，只要功率稍微增大，機(jī)器人就會(huì)“脫線”，甚至在功率不變的情況下，只要線的曲度較大時(shí)，同樣也會(huì)發(fā)生“脫線”現(xiàn)象，根本無法達(dá)到巡線的要求。這是什么原因？回答此問題之前，讓我們先來回顧一下物理中“運(yùn)動(dòng)小車受力分析”的經(jīng)典案例：在水平道路上運(yùn)動(dòng)的小車，在水平方向會(huì)受到牽引力和摩擦力的作用。當(dāng)牽引力大于摩擦力，小車作加速運(yùn)動(dòng);當(dāng)牽引力等于摩擦力，小車作勻速運(yùn)動(dòng);當(dāng)牽引力小于摩擦力，小車作減速運(yùn)動(dòng)。此案例之所以經(jīng)典，不僅因?yàn)檫@是最簡(jiǎn)單的物體運(yùn)動(dòng)受力分析的例子，更在于該案例知識(shí)均是基于我們?nèi)粘５纳?。在這里，我們并不探討速度與力或各種力間的相互關(guān)系，僅僅是為了說明物體在水平運(yùn)動(dòng)中都是有摩擦力存在的。

另外，我們還有這樣的經(jīng)驗(yàn)，在百米賽跑時(shí)，沖到終點(diǎn)后往往還要繼續(xù)往前跑一段距離，若突然拐彎或立刻停下來，跑步的人往往會(huì)摔倒，這是為什么？這是因?yàn)橛袘T性的存在。簡(jiǎn)單來講，慣性就是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種性質(zhì)，是物體對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的一種阻抗。慣性是物體的一種固有屬性，其大小與物體質(zhì)量相關(guān)。當(dāng)我們了解了運(yùn)動(dòng)中的物體其實(shí)都會(huì)受到摩擦力、慣性等因素影響時(shí)，回過頭再來看在“均值法”和“差值法”中機(jī)器人“脫線”的原因，答案就不言而喻了。

首先，受光線、色差等環(huán)境因素的影響，實(shí)際巡線場(chǎng)地基本都無法達(dá)到理想狀態(tài)，即反射光的最大值無法達(dá)到100，最小值也不可能為0。因此，實(shí)際的轉(zhuǎn)向最值并不能達(dá)到理想轉(zhuǎn)向值。其次，引進(jìn)“均值法”和“差值法”的目的，本身就是要讓機(jī)器人稍有偏移就能及時(shí)轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到使機(jī)器人平穩(wěn)前進(jìn)的目的。所以在實(shí)際的應(yīng)用中，實(shí)際轉(zhuǎn)向值通常會(huì)非常小。最后，由于機(jī)器人自身慣性和摩擦力的存在，機(jī)器人在轉(zhuǎn)進(jìn)時(shí)會(huì)由于慣性和摩擦力共同產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)向阻力，抵消了部分轉(zhuǎn)向牽引值，當(dāng)轉(zhuǎn)向值小于或等于阻力值時(shí)，機(jī)器人就會(huì)發(fā)生“脫線”前進(jìn)的情況。

2.光感巡線影響因素的控制——轉(zhuǎn)向系數(shù)

那么，如何解決“脫線”的問題？答案是增大轉(zhuǎn)向值，讓轉(zhuǎn)向的實(shí)際牽引值始終大于轉(zhuǎn)向阻力值，即讓機(jī)器人的牽引值在抵消阻力值后，讓實(shí)際轉(zhuǎn)向值還具有牽引力，這樣就能真正達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。那么，如何增大轉(zhuǎn)向值呢？加入比例系數(shù)是一種不錯(cuò)的方法。因?yàn)樵趯?shí)地操作中，光感實(shí)測(cè)值會(huì)隨位移、時(shí)間的變化而實(shí)時(shí)變化，轉(zhuǎn)向值也需要根據(jù)偏離的大小實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。加入系數(shù)后，就能讓轉(zhuǎn)向值根據(jù)光感實(shí)測(cè)值進(jìn)行同比例實(shí)時(shí)變化。

接下來，要研究的問題就是要加入多大的轉(zhuǎn)向系數(shù)才合適？這是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用和實(shí)地操作中，適合的轉(zhuǎn)向值需要根據(jù)功率大小、巡線的曲直度及平穩(wěn)性等要求作出相應(yīng)的調(diào)整，才能滿足實(shí)操的要求。例如，要讓機(jī)器人平穩(wěn)些，轉(zhuǎn)彎值就不能過大，系數(shù)也相應(yīng)的要小，但如果功率較大或巡線的彎曲度較大，就需要較大的轉(zhuǎn)彎值才能完成巡線要求，相應(yīng)的系數(shù)也要增大。

當(dāng)然，轉(zhuǎn)向系數(shù)的設(shè)置雖然會(huì)受多種因素的影響，但還是可以根據(jù)光感值和轉(zhuǎn)向值的關(guān)系，快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出一個(gè)具有實(shí)操意義的參考值。那么，如何計(jì)算轉(zhuǎn)向系數(shù)的參考值？在前面“均值法”和“差值法”的案例中，我們知道在理想狀態(tài)下，即當(dāng)光感值為100（最大值）或0（最小值）時(shí)，機(jī)器人的極值轉(zhuǎn)向值分別為±50和±100，即機(jī)器人分別以應(yīng)以±50或±100轉(zhuǎn)向速度向目標(biāo)靠近。雖然在非理想狀態(tài)下，光感的最大值或最小值無法達(dá)到100或0，但這并不意味著我們不能通過比例系數(shù)把轉(zhuǎn)向值設(shè)為±100。所以，我們不防設(shè)在任何狀態(tài)下，與光感最大值和最小值相匹配的轉(zhuǎn)向的“最值”均為±100。這樣，轉(zhuǎn)向值的計(jì)算也就迎刃而解了。

（1）均值法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化——均值系數(shù)法

在均值法中，因?yàn)?/p>

轉(zhuǎn)向值=光感實(shí)測(cè)值

加入轉(zhuǎn)向系數(shù)后，則變?yōu)?/p>

轉(zhuǎn)向值=（光感實(shí)測(cè)值-）×轉(zhuǎn)向系數(shù)

我們不防設(shè)實(shí)測(cè)光感最大時(shí)轉(zhuǎn)向值為100，則有

（最大值-）×轉(zhuǎn)向系數(shù)=100

所以

轉(zhuǎn)向系數(shù)=

故圖12所示均值法的執(zhí)行程序，加入轉(zhuǎn)向系數(shù)后，可進(jìn)一步優(yōu)化為圖14中的執(zhí)行程序。在這里，為了與前面的均值法相區(qū)別，我們不防把這種加入了轉(zhuǎn)向系數(shù)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法稱為“均值系數(shù)法”。

（2）差值法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化——差值系數(shù)法

在差值法中，因?yàn)?/p>

轉(zhuǎn)向值=左感實(shí)測(cè)值-右感實(shí)測(cè)值

加入轉(zhuǎn)向系數(shù)后則變?yōu)?/p>

轉(zhuǎn)向值=（左感實(shí)測(cè)值-右感實(shí)測(cè)值）×轉(zhuǎn)向系數(shù)

我們不防設(shè)實(shí)測(cè)光感差值最大時(shí)，轉(zhuǎn)向值為100，則有

（左感實(shí)測(cè)值-右感實(shí)測(cè)值）×轉(zhuǎn)向系數(shù)=100

所以

轉(zhuǎn)向系數(shù)=

故圖13所示的差值法的執(zhí)行程序，加入轉(zhuǎn)向系數(shù)后，可進(jìn)一步優(yōu)化為圖15中的執(zhí)行程序。

為了與前面說的差值法相區(qū)別，我們不防把這種加入了轉(zhuǎn)向系數(shù)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法稱為“差值系數(shù)法”。需要說明的是，上述公式中的轉(zhuǎn)向系數(shù)僅僅是參考系數(shù)，在實(shí)操中需要結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào)。

六、結(jié)束語

本文通過聚焦于光感巡線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)EV3光感巡線中存在的誤區(qū)進(jìn)行了梳理甄別，對(duì)光感巡線中的常見方法進(jìn)行了概念化的概括，提出了“最值法”“均值法”和“差值法”等概念。理論上講，光感巡線的原理極其簡(jiǎn)單，并不需要花費(fèi)如此精力進(jìn)行探討。

本文進(jìn)行相關(guān)探討的真正目的，意在通過對(duì)我們“熟視無睹”的常用方法進(jìn)行總結(jié)提煉的同時(shí)，更加關(guān)注幾種方法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化邏輯，通過持續(xù)的分析推導(dǎo)、追根溯源，運(yùn)用抽絲剝繭式的追問，打通橫亙?cè)趯W(xué)生心中的脈絡(luò)誤區(qū)，深化學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解和內(nèi)化。

古語云：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。引用在本文中，是否可以理解為實(shí)眼看到的外化應(yīng)用，并不代表我們真正理解了相關(guān)應(yīng)用的邏輯與原理。若要真正理解，并達(dá)到爛熟于胸和操縱自如，就必須進(jìn)一步躬身深究和探索。這也許就是國(guó)家大力倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)的真正意義所在。

（編輯：李曉萍）