第一篇：乐高机器人巡线原理

一、前言

在机器人竞赛中，“巡线”特指让机器人沿着场地中一条固定线路（通常是黑线）行进的任务。作为一项搭建和编程的基本功，巡线既可以是独立的常规赛比赛项目，也能成为其他比赛项目的重要技术支撑，在机器人比赛中具有重要地位。

二、光感中心与小车转向中心

以常见的双光感巡线为例，光感的感应中心是两个光感连线的中点，也就是黑线的中间位置。而小车的转向，是以其车轮连线的中心为圆心进行的。很明显，除非将光感放置于小车转向中心，否则机器人在巡线转弯的过程中，探测线路与做出反应之间将存在一定差距。而若将光感的探测中心与转向中心重合，将大幅提升搭建难度并降低车辆灵活性。因此，两个中心的不统一是实际存在的，车辆的转向带动光感的转动，同时又相互影响，造成机器人在巡线时对黑线的反应过快或者过慢，很多巡线失误由此产生。

所以在实际操作中，一般通过程序与结构的配合，在程序中加入一定的微调动作来弥补其中的误差。而精准的微调，需要根据比赛场地的实际情况进行反复调试。

三、车辆结构

巡线任务的核心是让机器人小车按照场地中画出的路线行进，因此，根据任务需要选择合适搭建方式是完成巡线任务的第一步。

1、前轮驱动

前轮驱动的小车一般由两个动力轮和一个万向轮构成，动力轮位于车头，通过左右轮胎反转或其中一个轮胎停转来实现转向，前者的转向中心位于两轮胎连线中点，后者转向中心位于停止不动的轮胎上。由于转向中心距离光感探测中心较近，可以实现快速转向，但由于机器人反应时间的限制，转向精度有限。

2、后轮驱动

后轮驱动的小车结构和转向中心与前轮驱动小车类似，由于转向中心靠后，相对于前轮驱动的小车而言，位于车尾的动力轮需要转动较大的幅度，才能使车头的光感转动同样角度。因此，后轮驱动的小车虽转向速度较慢，但精度高于前轮驱动小车。对于速度要求不高的比赛而言，一般采用后轮驱动的搭建方式。

3、菱形轮胎分布

菱形轮胎分布是指小车的两个动力轮位于小车中部，前后各有一个万向轮作为支撑。这样的结构在一定程度上可以视为前轮驱动和后轮驱动的结合产物，转向速度和精度都介于两者之间。这种结构的优势在于转向中心位于车身中部，转弯半径很小，甚至能以自身几何中心为圆心进行原地转向，适合适用于转90°弯或数格子行进等一些比较特殊的巡线线路。这种结构最初应用于RCX机器人足球上，居中的动力源可以让参赛选手为机器人安装更多的固定和防护装置，以适应比赛中激烈的撞击，具有很好的稳定性。而对于NXT机器人而言，由于伺服电机的形状狭长不规律，将动力轮位于车身中部的做法将大幅提升搭建难度，并使车身重心偏高，降低转弯灵活性。

4、四轮驱动

四轮驱动的小车四个轮胎都有动力，能较好地满足一些比赛中爬坡任务的需要。小车的转向中心靠近小车的几何中心，因此能进行原地转弯运动，具有较好的灵活性，特别适用于转90°弯或数格子行进等任务一些比较特殊的巡线线路。虽然与后轮驱动小车相比，转向中心比较靠前，转向精度较小，但四轮驱动小车没有万向轮，转弯需要靠四个轮胎同时与地面摩擦，加大转弯的阻力，因而转弯精度应介于菱形轮胎分布的小车和后轮驱动小车之间。四轮驱动的小车最大优势在于具有普遍适应性，熟练掌握此结构的参赛选手能在参加FLL工程挑战赛、WRO世界机器人奥林匹克等一些比较复杂的比赛中占据一定优势。

四、编程方案

1、单光感巡线 单光感巡线是巡线任务中最基础的方式，在行进过程中，光感在黑线与白色背景间来回晃动，因此，这种巡线只能用两侧电机交替运动的方式前进，行进路线呈“之”字形。这种巡线方式结构简单易于掌握，但由于只有一个光感，对无法在完成较为复杂的巡线任务（如遇黑线停车、识别线路交叉口等），且速度较慢。

基本思路：光感放置于黑线的左侧，判黑则左轮不动右轮前进，判白则右轮不动左轮前进，如此交替循环。参考程序如下图：

2、单光感巡线+独立光感数线

在很多比赛中，机器人需要做的不仅仅是沿着黑线行进，还需要完成一些其他任务，如在循迹路线上增加垂直黑线要求停车、放置障碍物要求躲避等内容。此时，单光感巡线已不能满足要求。下面以要求定点停车为例，简要介绍单光感巡线+独立光感数线的编程模式。

基本思路：在此任务中要求在垂直黑线处停车，则需要跳出单光感巡线的循环程序体系，可以通过设置循环程序的条件实现这一功能。由于程序的设定，负责巡线的3号光感在行进时始终位于黑线的左侧，不会移动到黑线右侧的白色区域，因此在黑线右侧设置一个光感（4号）专门负责监视行进过程中黑线右侧的区域，当此光感判黑时，即可判断出小车行进到垂直黑线处，于是终止单光感巡线的循环程序，执行规定的停车任务，然后向前行进一小段距离驶过垂直黑线，继续单光感巡线任务。参考程序如下图：

上述程序只适用于停车一次的需要，在实际比赛中需以定点停车、蔽障任务为基点，将巡线赛道划分为若干个小段依次设定程序，或采用两重循环的程序，重复执行巡线→→定点停车任务：

3、双光感巡线

双光感巡线是机器人竞赛中最常见的巡线模式，两个光感分别位于黑线两侧，以夹住黑线的方式行进。根据两个光感读取的数值不同，可以将光感的探测结果分为左白右黑、左黑右白、双白和双黑四种情况，根据这四种探测结果，分别执行右转、左转、直行和停车四种动作的程序命令。由于这种方法能让两个电机同时工作，机器人运动的速度较快，同时采取两个光敏监测黑线，精度也有所提高。

基本思路：使用两重光感分支程序叠加，为四种探测结果设定与之对应的程序反应，形成循环程序结构，参考程序如下图：

、双光感巡线+独立光感数线

一般而言，一个以巡线为基础的比赛，会在巡线的基础上增加定点停车、识别交叉口、绕开障碍等多项任务，想要准确识别并完成这些任务，需要在掌握上述双光感巡线技术的基础上，以定点停车、蔽障任务为基点，将巡线赛道划分为若干个小段，使用传感器、逻辑判断等方式跳出双光感巡线的循环程序，执行与完成任务相对应的程序，然后重新进行巡线任务。

以双光感巡线+独立光感数线的模式为例，在双光感巡线的基础上，在其中一个光感的外侧再放置一个光感。由于使用双光感巡线，标记行进路线的黑线将始终位于前两个光感之间，因而第三个光感探测到黑线只会是两种情况——抵达停车地点或巡线路线交叉处，于是以第三个光感探测到黑线作为结束循环的条件进行编程，参考程序如下：

注：由于光感放置位置的原因，使得第三个光感判黑的时候，前两个光感探头必然同时处于黑线上或十分接近，完全能以第三个光感判黑代替前两个光感同时判黑的情况，因此在巡线循环部分将双光感判黑的一个分支跳过不予编程。

五、延展

上述内容为巡线任务的基础知识，仅根据光感的探测做出反应，简单地将光感探测中心与小车转向中心重合（将小车视为一个仅有重量没有体积的质点），可完成一些线路有弧度的平滑路线，对于较难的巡线弯道，如直角弯、“V”字形弯道等特殊线路，则必须考虑转向中心和探测中心的区别，需要特殊对待。一般而言，在探测到此类弯道之后，需要先精确控制小车运行时间，将小车的转向中心移动到弯道的中心（如“V”字形弯道的定点），此时光感全部脱离黑线，再原地转动车身，当负责夹住黑线行进的光感重新探测到黑线时，则小车已完成转弯任务并回到循迹路线，然后继续执行巡线任务。以上内容仅为本人的一些经验粗略总结，如有不当之处，敬请大家指正，希望能起到抛砖引玉的作用。

第二篇：乐高机器人

乐高RCX课堂机器人教育平台应用在全世界25000多个校内外教育机构，使用范围从幼儿园到大学和研究院。

202_年，乐高教育推出新一代NXT蓝牙机械人，让学生们强烈体验探索科技、工程学和数学的乐趣和经历亲身搭建的过程。通过搭建，编写程序控制乐高NXT蓝牙机械人的创造性学习过程，帮助8岁以上的学生循序渐进地发展学习的技能。乐高NXT蓝牙机械人套装、便捷的软件和系统化的课堂活动，使NXT蓝牙机械人成为激发学生想像力和亲手实践的学习工具，也是专门设计给老师和其他教育工作者。在乐高乐园乐高科技中心，来学习的孩子们就能通过蓝牙来控制他们的机器人完成1个个老师要求的任务。乐高机器人课程已经帮助无数的学生通过以下方式灵活地掌握了科学、技术、工程学和数学等学科的知识。

科学：学习能量转换、力、速度、功率之间的关系、摩擦力的影响；理解科学与技术之间的区别。技术：编程和控制输入输出端口设备；应用新的无线通讯技术；利用互联网学习和分享信息；使用多媒体完成课堂科学活动。

工程学：集体讨论和解决方案；选择其中一个，然后搭建、编程、测试并且改进优化方案。数学：获得测量距离、周长、角速度的实际经验；使用坐标；十进制和分数之间的转换、公制和能用单位之间的转换；在不同的实践项目里应用数学推理方法。

创造力、解决问题能力和团队合作：在发展学习能力的同时，也激发学生的创造力，解决问题的能力和团队合作能力。学生们需要共同面对不同的挑战，合作分享他们的想法解决实际发生的问题。

第三篇：乐高机器人教育是什么？

乐高机器人教育是什么？

乐高机器人教育是依托乐高器材，以全面提高孩子的综合素质为目标，让孩子们在游戏中自然而快乐的学习。其中，乐高EV3机器人具有多元化和百变性的特点，使教学具有可操作性和灵活性。

EV3机器人是乐高第三代机器人，它有着强大的存储、可编程的智能砖，机器人与电脑、PAD、手机都能无缝对接。通过几节课的学习，孩子能在兴趣的基础上，主动学习，享受整个搭建的过程。在活动的过程中，老师将本节课的搭建主题讲解之后，孩子们会极其专注的开始思考并动手搭建，在这个过程中遇到困难也是尽量自己来解决，通过这样的锻炼，能够培养孩子独立分析和解决问题的能力。

在机器人课堂上，老师们会教孩子认识EV3机器人组件的种类及作用，了解机器人结构中的几何关系，学习承重、支撑等稳定性原理；引导孩子们在搭建的过程中发挥自己的想象，加入自我创造性的元素；教孩子们正确使用EV3的各种输出设备，学习传感器的安装以及连接方式。

关于编程，EV3机器人采用的是模块化编程，通过鼠标拖拽指令进行排列、更改数值，让机器人完成走路、转弯等基本动作，基于图形化的编程会增加孩子们学习的趣味性，延续孩子们学习的兴趣，随着机器人搭建难度的增加，编程的难度也随之增加，孩子们的学习循序渐进，能够让机器人完成各种复杂的主题任务。但是，编程的过程还是需要孩子们经过不断调试、更改才能让机器人完成指定动作的，而这个过程就锻炼了孩子的耐心、细心和意志力。

第四篇：乐高机器人编程

项目：乐高机器人编程 主讲教师： 上课时间： 学时数：1课时 教学目标：

（1）知识与能力：

1．使学生初步了解机器人编程环境

2．使学生学会安装机器人编程环境，会下载一些简单的程序。

（2）过程与方法：

通过讲授、演示的方法介绍编程环境（3）情感态度与价值观：

激发学生热爱科学、探究科学的兴趣。重点难点：

1.机器人编程环境（pilot级别简单介绍）2.下载工具的使用

教学步骤：

1． 导入 2． 概念讲解

3．学生活动（马达的使用）

组织形式：

小组为单位活动

教学内容：

乐高机器人编程环境介绍

（一）一、导入（5分钟）

教师：展示机器人编程界面，介绍一些概念

二、概念讲解

1、机器人防火墙的用途

教师：防火墙对于机器人的意义

防火墙是乐高机器人承载程序的界面，如果没有防火墙，乐高机器人无法完成程序传输，所以在使用乐高机器人的过程中，一定要注意先下载防火墙，安装完毕后，就可以发出一个声音，确认防火墙已经下载好。☆ 学生：下载乐高机器人防火墙

☆ 教师：如何检测防火墙下载成功

学生：

连好通信设备，给机器人下载防火墙，检测通信。

2、机器人防火墙下载过程遇到问题

教师：用幻灯片展示自己的总结

1、电脑中是否使用USB口传输数据

2、是否把机器人RCX的传输口对准与电脑相连的传输口

3、机器人电池是否充足。

3、机器人简单程序的搭建

教师：讲解马达、等机器人的输出部件。

机器人的输出口分别为A,B,C。每个输出口只能连接一个输出传感器，如：马达、触碰、灯泡等。

三、学生活动

在上节课拼插好机器人的基础上，为机器人编制马达转动的程序。如前进、转弯等。

乐高机器人编程起始状态为绿灯标志，结束状态为红灯。中间使用粉色线相连，如果连接过程中出现灰色，程序无法完成下载。

本课小结：

通过本节课的学习，学生对智能机器人马达部件有深刻地了解。熟悉程序界面模块的使用。

第五篇：乐高机器人课程学什么？

乐高机器人课程学什么？

乐高机器人课程是一种非常受小朋友欢迎的课程，通过一系列的搭建活动，孩子们不仅体验到机器人的乐趣，还能学会不少知识。在课堂上，孩子将学习使用杠杆、齿轮、电机和红外线等多种传感器，学习编程中的各种模块和编程逻辑等。通过学习，能充分激发孩子的想象力，提升创新天赋，全面提升孩子的逻辑思维、沟通合作、解决问题等能力，挖掘孩子领导众人的潜力。

在接触机器人伊始，孩子们首先要学的，是熟悉乐高各部件组件并了解其作用，以及一些基本的拼搭规则。老师在孩子们熟练掌握这一点后，可以鼓励孩子们在搭建过程中发挥想象、融入个人创造的元素，而不拘泥于图纸或是现有的范例。在这一过程，锻炼的是孩子的动手能力和创新能力。

如果说乐高组件是构成了机器人的骨架形态，那么各个传感器则为机器人的重要器官。在学会了如何构建机器人的形以后，孩子们需要进行对传感器的种类、作用以及安装、连接方式的学习。这一步的完成，使机器人有了可以行动的可能。这一学习过程涉及跨学科知识的学习与融会贯通。

最后的编程是赋予机器人大脑的过程，只有完成了这一步，机器人才有可能真正动起来，通过编程，让原本不会动的机器人鲜活起来，能走、能转向、能完成指定的任务。所以，最后的编程，是乐高机器人拥有经久不衰的魅力的原因之一，也是最锻炼孩子的一部分。编程会锻炼孩子逐步形成缜密的逻辑思维，形成理性思考的习惯。

完成一项任务需要的是团队合作，而不是靠一个人单枪匹马就可以。在这一过程中，孩子们会渐渐意识到团队合作的重要性。有人的地方就需要沟通，遇到问题需要协商、遇到任务需要协商，这对孩子的沟通能力也是一大锻炼。