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【摘要】机器人循迹比赛（即按照白场地画黑线或黑场地画白线运行）是机器人竞赛项目一个主要内容，以光电管循迹的机器人为主。光电管循迹的机器人转弯在线路为圆弧和钝角时循迹比较容易，而对于直角或锐角来说，光电管机器人很容易冲出轨迹线而失控。本文仅讨论有轮机器车在采用不同循迹方案时最简单的光电管组合和最好的循迹效果并付诸实践，本文的讨论不涉及程序以及程序优化问题。
【关键词】光电探头；循迹方法
1.问题的提出
在许多的场地机器人比赛的项目中，机器人循迹运行是非常为普遍的一个项目。为了循迹准确和防止机器人小车冲出线路需要做许多黑白检测电路来进行循迹，按照目前的文章和实物可以见到的循迹多为多红外光电对管电路（以下简称探头）进行循迹，有如下几种组合形式（投影示意图），如图1所示：
可能还有更多种探测形式，但思路多是以更多的探头来进行更多点的检测线路已达到更精确的循迹控制，已见到的有5～13个探头阵列，在小车机器人的前后各安放一列，再加上防冲出探测头已超过10个循迹探头，使得MPU的I/O口用量增加，程序编制和控制策略更加复杂。
如何采用最少的探头同样达到较佳的探测和循迹是本文讨论的主要问题。
2.方案设计
为了讨论解决上述提出的问题，我们采用了以下几种方案进行设计和制作。
2.1 方案设计
按照循迹的基本原理，我们提出三种可能情况以便设计方案：黑白（白黑）探测、双边界探测、单边界探测等三个基本讨论点。
2.2 黑白探测
本文采用了以下方案循迹：①双探头跨在寻线两端（2枚探头）、②多探头两边在线外，中间的在线内（一行4枚探头）、③前三角（3枚探头和4枚探头，本文为后者）、④菱形（4枚探头）。
2.3 双边界探测
这种探测也是较为经典的设计依据，本文采用了⑤左右双探头（4枚探头）、⑥前后左右双探头（8枚探头），两个方案。如果有多余探头空置不用。
2.4 单边界探测
仅考虑黑白（白黑）边界为依据进行循迹，本文采用了⑦单探头、⑧前双探头、⑨前后双探头（4枚探头），三个方案。
2.5 机器小车介绍
小车采用前后左2电机和右2电机分别独立控制，旋转中心就是小车的中心如图2所示。
为了讨论方便，我们在小车的投影图上设置了A’、A、B、C、D、E、F，5个位置，在这些位置上安放了探头，同时小车在转弯时，我们让其左右两侧的电机组同步反转，使小车可以于原地转圈的方式进行转弯，以便开展讨论。
2.6 场地介绍
本次测试采用全国职业院校2010机器人竞赛——机器人设计与制作测试比赛场地。本次比赛场地采用黑场地之间铺有30mm宽的白线，场地投影见图3（图中单位为mm）：
3.方案的实践
本文的重点是采用最少的探头达到较佳的循迹效果，所以我们先对方案进行筛选。
限于篇幅，筛选和讨论过程省略，本次实践测试采用了①③⑤⑦⑧等5个方案进行实践探讨，而在实践过程中，我们发现方案③⑦⑧效果较好，因此本文仅对方案③⑦⑧进行讨论。
在测试和讨论过程，探头的灵敏度调节只保证能区分黑与白的灵敏度（忽略探头反馈线路信号是连续变化的这一特点），只有0、1数字量的信号、探头探测距离固定为10～15mm之间，一律采用自制的RPR220反射型红外发射接收对管电路。
在这些方案中，方案③为前三角形探头接法，分别在A、A’、B、D四点上接入探头；方案⑦为单探头接法，仅仅在A’单点上接入一个探头；方案⑧为双探头，在A’（或A）点上接入两个对称探头；这样共有4种实践接法。
在这些接法中，有几个参数是可变的，调整距离将影响探测结果。图4中，L1表示B、D点两枚探头之间的距离（即循迹线的宽度），图4中L2表示两枚探头之间的距离，（分别在循迹线和场地之间的宽度），L3表述前探头与后边的探头之间的距离。下图4描述的就是这三种探头接法与小车中心关系的示意图。
3.1 对于方案③讨论
方案③循迹原理：A’的探头在循线中，B、D探头在循线外，A一定在循线中，小车加速前进，当A’在循线外，减速前行，当B或D探头在循线内，则向右或向左拐弯（原地转向），直到A进入循线后慢速前进并继续转弯，而当A’进入循线后，加速前进。
方案③有4个探头，互相之间的距离对循迹影响比较大。其影响主要表现在A’与C的距离问题上，A’与C过近则减速距离太短，容易冲出循线，过长则会使转弯探测半径增大，转弯时间增加，进而影响速度。本次实际设计中L3≈80mm，L3’≈30mm，L1≈70mm。
3.2 对于方案⑦讨论
方案⑦循迹原理：A’永远反黑白运动。小车前进一小步，如果探头由黑变到白，则小车向黑色区域转弯，然后前进一小步；如果探头由白变到黑，则小车向白色区域转弯，继续前进一小步；如果连续黑或白，则小车连续转弯一小步，直到发生黑白转变，小车的步距是小车前进的关键。同时，小车的路线必定不是直线，而是之字形的路线，运动过程中小车整体车身晃动比较严重。实际测试L3为70mm。
方案⑦最为简单，只有1个探头，L3的距离在50～80mm之间都非常准确，小于50mm也能正常转弯，而40mm就以下会出现循线脱离现象，测试中最短距离为30mm。实际设计L3调整到70mm。
3.3 对于方案⑧讨论
方案⑧循迹原理：两个探头分别跨在循线和场地边界，当其中的一个探头发生变化（如由白到黑），则可采用两种措施：a.立即减速，并且原地转弯，直到回到探头原来的跟踪颜色；b.一边的轮子减速，另一边的轮子加速，直到回到探头原来的跟踪颜色。
方案⑧有两个参数，两探头间距L2，和探头到中心距L3，测试中L3受整体车长控制，选在80～30mm之间，L2=15mm，L2的距离受器件影响，无法调的再小，如果可以调整，探头贴地也不会有太大影响，而L3的距离影响较大，当小于50mm后，由于加速的影响，小车容易冲出循线而失控。实际设计L3为70mm，并且采用措施a不宜冲出线。
4.结果讨论
按照这3个方案设计，每个方案在相同的轨迹（寻迹线长约为3100毫米）上运行5次，记录运行时间和成功率，如表1所示。
4.1 方案结果讨论
方案③循迹基本可靠，但小车的速度不易控制，稍快一点就会冲出循线继而失控。因此，小车的速度调整的比较慢，用时较长。
方案⑦循迹可靠，极少有冲出循线范围的现象，小车基本为匀速运动。
方案⑧循迹可靠，极少有冲出循线范围的现象，在直线段有明显的加速运动，在偏离循线时有明显减速转弯运动。
4.2 影响因素讨论
总体影响为小车的运动中心与车体重心不重合，带来的循迹误差在方案③⑦⑧中的影响是不一样的，方案⑦和⑧都具有影响最小的结果。
线迹接头处形状影响是转弯方向的重要因素，参考图5。
当小车转弯，探头重新测到线迹时，接头的形状会对转弯判断发生失误。
4.3 结论
由以上数据和分析得出，方案⑧具有电路简单，仅两个反射型红外光电传感器电路，且循迹可靠（上表的数据只是一次连续测试的结果，运行速度快）相比方案③和方案⑦而言，小车相对较为平稳的综合优点，是值得推荐采用的方案。
本实验小车车速没有采用闭环控制，而是采用最简单的开环控制策略。此外，电机驱动采用PWM驱动方式，加减速采用控制高低电平脉宽比的方法。
【关键词】光电探头；循迹方法
1.问题的提出
在许多的场地机器人比赛的项目中，机器人循迹运行是非常为普遍的一个项目。为了循迹准确和防止机器人小车冲出线路需要做许多黑白检测电路来进行循迹，按照目前的文章和实物可以见到的循迹多为多红外光电对管电路（以下简称探头）进行循迹，有如下几种组合形式（投影示意图），如图1所示：
可能还有更多种探测形式，但思路多是以更多的探头来进行更多点的检测线路已达到更精确的循迹控制，已见到的有5～13个探头阵列，在小车机器人的前后各安放一列，再加上防冲出探测头已超过10个循迹探头，使得MPU的I/O口用量增加，程序编制和控制策略更加复杂。
如何采用最少的探头同样达到较佳的探测和循迹是本文讨论的主要问题。
2.方案设计
为了讨论解决上述提出的问题，我们采用了以下几种方案进行设计和制作。
2.1 方案设计
按照循迹的基本原理，我们提出三种可能情况以便设计方案：黑白（白黑）探测、双边界探测、单边界探测等三个基本讨论点。
2.2 黑白探测
本文采用了以下方案循迹：①双探头跨在寻线两端（2枚探头）、②多探头两边在线外，中间的在线内（一行4枚探头）、③前三角（3枚探头和4枚探头，本文为后者）、④菱形（4枚探头）。
2.3 双边界探测
这种探测也是较为经典的设计依据，本文采用了⑤左右双探头（4枚探头）、⑥前后左右双探头（8枚探头），两个方案。如果有多余探头空置不用。
2.4 单边界探测
仅考虑黑白（白黑）边界为依据进行循迹，本文采用了⑦单探头、⑧前双探头、⑨前后双探头（4枚探头），三个方案。
2.5 机器小车介绍
小车采用前后左2电机和右2电机分别独立控制，旋转中心就是小车的中心如图2所示。
为了讨论方便，我们在小车的投影图上设置了A’、A、B、C、D、E、F，5个位置，在这些位置上安放了探头，同时小车在转弯时，我们让其左右两侧的电机组同步反转，使小车可以于原地转圈的方式进行转弯，以便开展讨论。
2.6 场地介绍
本次测试采用全国职业院校2010机器人竞赛——机器人设计与制作测试比赛场地。本次比赛场地采用黑场地之间铺有30mm宽的白线，场地投影见图3（图中单位为mm）：
3.方案的实践
本文的重点是采用最少的探头达到较佳的循迹效果，所以我们先对方案进行筛选。
限于篇幅，筛选和讨论过程省略，本次实践测试采用了①③⑤⑦⑧等5个方案进行实践探讨，而在实践过程中，我们发现方案③⑦⑧效果较好，因此本文仅对方案③⑦⑧进行讨论。
在测试和讨论过程，探头的灵敏度调节只保证能区分黑与白的灵敏度（忽略探头反馈线路信号是连续变化的这一特点），只有0、1数字量的信号、探头探测距离固定为10～15mm之间，一律采用自制的RPR220反射型红外发射接收对管电路。
在这些方案中，方案③为前三角形探头接法，分别在A、A’、B、D四点上接入探头；方案⑦为单探头接法，仅仅在A’单点上接入一个探头；方案⑧为双探头，在A’（或A）点上接入两个对称探头；这样共有4种实践接法。
在这些接法中，有几个参数是可变的，调整距离将影响探测结果。图4中，L1表示B、D点两枚探头之间的距离（即循迹线的宽度），图4中L2表示两枚探头之间的距离，（分别在循迹线和场地之间的宽度），L3表述前探头与后边的探头之间的距离。下图4描述的就是这三种探头接法与小车中心关系的示意图。
3.1 对于方案③讨论
方案③循迹原理：A’的探头在循线中，B、D探头在循线外，A一定在循线中，小车加速前进，当A’在循线外，减速前行，当B或D探头在循线内，则向右或向左拐弯（原地转向），直到A进入循线后慢速前进并继续转弯，而当A’进入循线后，加速前进。
方案③有4个探头，互相之间的距离对循迹影响比较大。其影响主要表现在A’与C的距离问题上，A’与C过近则减速距离太短，容易冲出循线，过长则会使转弯探测半径增大，转弯时间增加，进而影响速度。本次实际设计中L3≈80mm，L3’≈30mm，L1≈70mm。
3.2 对于方案⑦讨论
方案⑦循迹原理：A’永远反黑白运动。小车前进一小步，如果探头由黑变到白，则小车向黑色区域转弯，然后前进一小步；如果探头由白变到黑，则小车向白色区域转弯，继续前进一小步；如果连续黑或白，则小车连续转弯一小步，直到发生黑白转变，小车的步距是小车前进的关键。同时，小车的路线必定不是直线，而是之字形的路线，运动过程中小车整体车身晃动比较严重。实际测试L3为70mm。
方案⑦最为简单，只有1个探头，L3的距离在50～80mm之间都非常准确，小于50mm也能正常转弯，而40mm就以下会出现循线脱离现象，测试中最短距离为30mm。实际设计L3调整到70mm。
3.3 对于方案⑧讨论
方案⑧循迹原理：两个探头分别跨在循线和场地边界，当其中的一个探头发生变化（如由白到黑），则可采用两种措施：a.立即减速，并且原地转弯，直到回到探头原来的跟踪颜色；b.一边的轮子减速，另一边的轮子加速，直到回到探头原来的跟踪颜色。
方案⑧有两个参数，两探头间距L2，和探头到中心距L3，测试中L3受整体车长控制，选在80～30mm之间，L2=15mm，L2的距离受器件影响，无法调的再小，如果可以调整，探头贴地也不会有太大影响，而L3的距离影响较大，当小于50mm后，由于加速的影响，小车容易冲出循线而失控。实际设计L3为70mm，并且采用措施a不宜冲出线。
4.结果讨论
按照这3个方案设计，每个方案在相同的轨迹（寻迹线长约为3100毫米）上运行5次，记录运行时间和成功率，如表1所示。
4.1 方案结果讨论
方案③循迹基本可靠，但小车的速度不易控制，稍快一点就会冲出循线继而失控。因此，小车的速度调整的比较慢，用时较长。
方案⑦循迹可靠，极少有冲出循线范围的现象，小车基本为匀速运动。
方案⑧循迹可靠，极少有冲出循线范围的现象，在直线段有明显的加速运动，在偏离循线时有明显减速转弯运动。
4.2 影响因素讨论
总体影响为小车的运动中心与车体重心不重合，带来的循迹误差在方案③⑦⑧中的影响是不一样的，方案⑦和⑧都具有影响最小的结果。
线迹接头处形状影响是转弯方向的重要因素，参考图5。
当小车转弯，探头重新测到线迹时，接头的形状会对转弯判断发生失误。
4.3 结论
由以上数据和分析得出，方案⑧具有电路简单，仅两个反射型红外光电传感器电路，且循迹可靠（上表的数据只是一次连续测试的结果，运行速度快）相比方案③和方案⑦而言，小车相对较为平稳的综合优点，是值得推荐采用的方案。
本实验小车车速没有采用闭环控制，而是采用最简单的开环控制策略。此外，电机驱动采用PWM驱动方式，加减速采用控制高低电平脉宽比的方法。