◆北京市第三十五中學(xué)國(guó)際部高三 陳若鑫 陳懷宇

高一下學(xué)期，我們驚喜地發(fā)現(xiàn)課表中多了一門科技課，于是選擇了其中的人工智能機(jī)器人方向，并完成了課題《基于樂高EV3巡線小車設(shè)計(jì)及調(diào)試》。

受疫情影響，我們的課題曾一度中斷，但最終還是堅(jiān)持完成了?；叵脒@一過程，有過艱辛，也充滿喜悅，但更多的是收獲。

圖1 樂高EV3巡線小車模型

硬件搭建：基礎(chǔ)工作不容小視

課題完成的前提是搭建一臺(tái)樂高巡線小車。這臺(tái)小車由底盤、控制器、傳感器三部分組成。巡線小車底盤部分由1個(gè)萬(wàn)向輪、2個(gè)滾輪、2個(gè)大型電機(jī)和一些結(jié)構(gòu)件組成。巡線小車控制器安裝在底盤上方，可讀取傳感器信息，向大型電機(jī)輸出相應(yīng)的電信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滾輪。

在搭建小車之前，我們既想讓小車看上去美觀，又想讓它能靈活應(yīng)對(duì)各種地形。綜合考慮后，我們將橡膠輪與萬(wàn)向輪組合，并構(gòu)建了初始的結(jié)構(gòu)示意圖，再依圖搭建。搭建的過程中我們遇到了一些困難，比如，雙光電傳感器之間的距離應(yīng)如何設(shè)定才能更好地達(dá)成巡線目的？馬達(dá)安放在何處才能讓小車轉(zhuǎn)彎時(shí)更靈活？……出現(xiàn)的一系列問題讓我們意識(shí)到前期設(shè)計(jì)的不足之處，并對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)充設(shè)計(jì)。

起初，我們以為搭建小車是計(jì)劃中最簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)，本想在3天之內(nèi)完成，但事與愿違。樂高零件豐富，而且很多零件的外觀非常相似，稍不注意就會(huì)出錯(cuò)。我們就曾因?yàn)橛缅e(cuò)零件，導(dǎo)致搭建快要結(jié)束時(shí)才發(fā)現(xiàn)安裝傳感器少了安裝孔，不得不重裝。

這次重裝的經(jīng)歷也讓我們明白，不論什么環(huán)節(jié)都要認(rèn)真對(duì)待。經(jīng)此一事，我們更認(rèn)真也更團(tuán)結(jié)了。

編程測(cè)試：沒有最好只有更好

小車搭建完成后便是程序編寫。通過查閱資料，我們首先確定了程序的基本框架，選擇了更精準(zhǔn)的PID巡線算法。我們學(xué)習(xí)了流程繪制，更清晰地表達(dá)了算法邏輯和過程，并依據(jù)流程圖完成了算法的編程。在這個(gè)過程中，我們不僅學(xué)習(xí)了與程序相關(guān)的知識(shí)，還學(xué)會(huì)了梳理解決問題的步驟和方法。

程序完成之后需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)。我們希望通過調(diào)節(jié)參數(shù)獲取較好的巡線狀態(tài)。在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)，針對(duì)不同的速度需要設(shè)置不同的PID參數(shù)，要想平衡小車速度與系數(shù)之間的關(guān)系，十分困難。起初，我們將小車速度調(diào)慢以便觀察，之后再通過控制變量的方法，對(duì)Kp、Ki與Kd逐一調(diào)節(jié)。

比例系數(shù)Kp越小，控制作用越小，系統(tǒng)響應(yīng)越慢；反之越大，控制作用也越強(qiáng)，系統(tǒng)響應(yīng)越快。因此，Kp不能選取過大，應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的特性選取，使系統(tǒng)的凈差控制在允許的范圍內(nèi)，同時(shí)又要讓小車具有較快的響應(yīng)速度。

為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)，每組數(shù)據(jù)我們都會(huì)重復(fù)測(cè)試多次。經(jīng)多次測(cè)試，我們終于確定了在當(dāng)前馬達(dá)功率下的三個(gè)系數(shù)。邊做邊記錄不僅鍛煉了我們的耐心，也為之后的總結(jié)工作提供了便利。

表1 參數(shù)調(diào)節(jié)記錄表

圖2 陳懷宇（左）、陳若鑫（右）測(cè)試巡線小車

在對(duì)樂高EV3巡線小車的研究學(xué)習(xí)過程中，我們的能力得到了提升，還深刻體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性——分享自己的想法，遇到問題及時(shí)交流才能更快地達(dá)成目標(biāo)。

此外，我們也懂得了及時(shí)總結(jié)的重要性——認(rèn)真分析每一次的測(cè)試數(shù)據(jù)、小車每一次的運(yùn)行情況，才能確定最適合的調(diào)整方案。

最后，我們也深刻感受到了科研路上的不易——研究過程充滿困難與挫折，只有秉持不畏艱難、勇攀高峰的探索精神，才能真正實(shí)現(xiàn)突破與創(chuàng)新。