摘 要：怎樣在最短的時(shí)間內(nèi)讓納英特虛擬機(jī)器人從起點(diǎn)巡線(xiàn)到任務(wù)區(qū)（目標(biāo)點(diǎn)），機(jī)器人社團(tuán)師生前后經(jīng)過(guò)多次多角度的優(yōu)化。記錄了為完成該任務(wù)多次多角度的優(yōu)化過(guò)程，對(duì)優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行思考和分析，探討了如何從分析任務(wù)特點(diǎn)入手，選擇符合任務(wù)特點(diǎn)的傳感器，合理運(yùn)用編程策略及參數(shù)設(shè)置來(lái)更好地完成任務(wù)，從而取得更好的比賽成績(jī)。

關(guān)鍵詞：納英特虛擬機(jī)器人；程序設(shè)計(jì)；優(yōu)化

虛擬機(jī)器人教學(xué)有利于發(fā)展創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生信息技術(shù)核心素養(yǎng)的發(fā)展，為學(xué)生將來(lái)的全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在納英特虛擬機(jī)器人社團(tuán)活動(dòng)中，看似簡(jiǎn)單任務(wù)的一次次優(yōu)化，不僅提高了比賽成績(jī)，更對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維有著非常突出的效果。下面就以納因特虛擬機(jī)器人的一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)優(yōu)化過(guò)程為例，介紹小學(xué)虛擬機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略。

一、任務(wù)介紹及任務(wù)要求

讓機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，在最短的時(shí)間內(nèi)巡橫線(xiàn)到達(dá)“裝載貨物”任務(wù)區(qū)（目標(biāo)點(diǎn)）停下。納英特虛擬機(jī)器人程序中不允許使用時(shí)間法或者類(lèi)似時(shí)間法來(lái)行走，可使用紅外避障傳感器檢測(cè)障礙，灰度傳感器控制軌跡，指南針傳感器來(lái)轉(zhuǎn)彎（如圖1所示）。

二、優(yōu)化過(guò)程

（一）優(yōu)化前

1.機(jī)器人配置

除了控制器和輪子，只在左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)灰度傳感器（以下稱(chēng)“左灰度傳感器”“右灰度傳感器”）。

2.程序設(shè)計(jì)及說(shuō)明

分四步完成任務(wù)：

（1）離開(kāi)出發(fā)區(qū)。調(diào)用左灰度傳感器，如果左灰度傳感器沒(méi)有檢測(cè)到黑線(xiàn)，左輪低速，右輪高速離開(kāi)出發(fā)區(qū)（如圖2所示）。

（2）巡線(xiàn)到豎線(xiàn)1。機(jī)器人離開(kāi)出發(fā)區(qū)，左灰度傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)（橫線(xiàn)）后，調(diào)用右灰度傳感器，如果右灰度傳感器沒(méi)有檢測(cè)到黑線(xiàn)，巡線(xiàn)前進(jìn)到豎線(xiàn)1（如圖3所示）。

（3）越過(guò)豎線(xiàn)1。機(jī)器人到達(dá)豎線(xiàn)1，右灰度傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)，機(jī)器人將停在豎線(xiàn)1上。程序中不能使用延時(shí)模塊，就用機(jī)器人用100的速度“沖”幾次，靠機(jī)器人慣性越過(guò)豎線(xiàn)1。

（4）到目標(biāo)點(diǎn)停下。機(jī)器人越過(guò)豎線(xiàn)1，調(diào)用右灰度傳感器，如果右灰度傳感器沒(méi)有檢測(cè)到豎線(xiàn)2，巡線(xiàn)前進(jìn)。右灰度傳感器檢測(cè)到豎線(xiàn)2停下（就是在目標(biāo)點(diǎn)停下）。

3.思考與分析

（1）優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)用的知識(shí)點(diǎn)比較簡(jiǎn)單，只要懂得灰度傳感器的使用原理及相關(guān)的編程知識(shí)就能完成任務(wù)。

（2）不足：機(jī)器人離開(kāi)出發(fā)區(qū)的行進(jìn)軌跡是弧線(xiàn)，多走了不少?gòu)澛?。離開(kāi)出發(fā)區(qū)后機(jī)器人一直在用灰度傳感器檢測(cè)有沒(méi)有碰到黑線(xiàn)，實(shí)際走的線(xiàn)路是曲線(xiàn)，但是任務(wù)線(xiàn)路是直線(xiàn)，用巡線(xiàn)走的方法多走不少路，影響成績(jī)。

4.改進(jìn)建議

（1）機(jī)器人的行進(jìn)軌跡盡可能是直線(xiàn)。

（2）用豎線(xiàn)（黑線(xiàn)）作為目標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)志物不夠唯一，因?yàn)樨Q線(xiàn)1和豎線(xiàn)2都是黑線(xiàn)，使編程變得復(fù)雜?？梢岳眉t外避障傳感器檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)下方的“藍(lán)色貨物”，這樣目標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)志物唯一，編程比較簡(jiǎn)單。

（二）第一次優(yōu)化

1.機(jī)器人配置

除了控制器和輪子，在機(jī)器人控制器上面設(shè)置一個(gè)指南針傳感器，再配置一個(gè)朝左側(cè)的紅外避障傳感器。

2.程序設(shè)計(jì)及說(shuō)明

分兩步完成任務(wù)：

（1）利用指南針讓機(jī)器人原地向左轉(zhuǎn)，使機(jī)器人朝向目標(biāo)點(diǎn)。

（2）到目標(biāo)點(diǎn)停下。用左側(cè)的紅外避障傳感器檢測(cè)“藍(lán)色貨物”，如果沒(méi)有檢測(cè)到“藍(lán)色貨物”，機(jī)器人以100的速度直行，直到左側(cè)的紅外避障傳感器檢測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)下方的“藍(lán)色貨物”停下。

3.思考和分析

（1）優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器人的行進(jìn)軌跡是直線(xiàn)，不走彎路，用時(shí)少。利用紅外避障傳感器檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)下方的“藍(lán)色貨物”，目標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)志物唯一，編程簡(jiǎn)單。

（2）不足：成功率不高。因?yàn)檗D(zhuǎn)方向的時(shí)候，車(chē)子有慣性，要讓機(jī)器人通過(guò)指南針傳感器精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)到朝向目標(biāo)點(diǎn)方向，難度很大。從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)路程遠(yuǎn)，方向上稍微有點(diǎn)偏差，機(jī)器人脫線(xiàn)的可能性就很大，機(jī)器人一旦脫線(xiàn)就被認(rèn)定為比賽失敗。機(jī)器人在出發(fā)點(diǎn)轉(zhuǎn)方向的速度比較慢，因?yàn)檗D(zhuǎn)方向速度越快，慣性就越大，機(jī)器人的方向就更難控制。

4.改進(jìn)建議

可以考慮在機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中用指南針傳感器控制行進(jìn)的方向，這樣可以提高成功率。

（三）第二次優(yōu)化

1.機(jī)器人配置

和第一次優(yōu)化時(shí)的機(jī)器人相同。

2.程序設(shè)計(jì)和說(shuō)明

分兩步完成任務(wù)：

（1）利用指南針讓機(jī)器人原地向左轉(zhuǎn)，使機(jī)器人朝向目標(biāo)點(diǎn)。

（2）到目標(biāo)點(diǎn)停下。利用指南針傳感器控制機(jī)器人前進(jìn)方向，如果機(jī)器人的方向大于271度，機(jī)器人以左輪99右輪100的速度向左走，如果機(jī)器人的方向小于269度，機(jī)器人以右輪99左輪100的速度向右走。直到左側(cè)的紅外避障傳感器檢測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)下方的“藍(lán)色貨物”停下。

3.思考與分析

第二次優(yōu)化后的程序，能在出發(fā)點(diǎn)以較快的速度轉(zhuǎn)向目標(biāo)點(diǎn)方向，因?yàn)榧词箼C(jī)器人轉(zhuǎn)的方向有誤差，也能在指南針傳感器的控制下微調(diào)機(jī)器人走向，使機(jī)器人朝著目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn)，機(jī)器人脫線(xiàn)的概率極小，成功率極高。即使機(jī)器人在指南針傳感器的控制下微調(diào)機(jī)器人的走向，由于調(diào)整的角度非常小，機(jī)器人前進(jìn)的軌跡也極其接近直線(xiàn)。

三、感悟與啟發(fā)

1.要營(yíng)造一種精益求精的氛圍

會(huì)搭機(jī)器人，會(huì)編寫(xiě)程序，完成預(yù)定任務(wù)僅僅是最基本的目標(biāo)，但絕不能停留在這個(gè)目標(biāo)。教師要努力營(yíng)造一種精益求精、追求極致的氛圍，這是學(xué)生肯不斷進(jìn)行程序優(yōu)化創(chuàng)新的前提。

2.要鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新

老師要給學(xué)生營(yíng)造一個(gè)寬松、和諧、進(jìn)取的氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)自主研究，圍繞問(wèn)題展開(kāi)充滿(mǎn)個(gè)性化的探索，大膽作出猜想，在實(shí)踐中不斷驗(yàn)證自己的猜想，不怕失敗，勇于嘗試不同的編程方法，進(jìn)一步完善程序，提升成績(jī)。對(duì)于提高比賽成績(jī)的一點(diǎn)點(diǎn)小小的改進(jìn)，都是創(chuàng)新，可以說(shuō)創(chuàng)新貫穿了優(yōu)化的全過(guò)程。

3.要倡導(dǎo)團(tuán)隊(duì)合作精神

一個(gè)學(xué)生的想法有時(shí)候不完整，通過(guò)交流，其他學(xué)生可能會(huì)在他的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的靈感，從而提出更好的方法。找到“最優(yōu)化”的編程方案，往往凝聚著社團(tuán)許多人共同的心血，他們一起探討方案，一起改寫(xiě)程序，一起調(diào)試機(jī)器人……找到“最優(yōu)化”方案后再一起分享，在社團(tuán)中推廣。

4.要從分析任務(wù)特點(diǎn)入手

要具體任務(wù)具體分析，前面提到的“最優(yōu)化”是針對(duì)某個(gè)任務(wù)而言的，離開(kāi)某個(gè)特定的任務(wù)，就無(wú)所謂“最優(yōu)化”。如巡線(xiàn)前進(jìn)這個(gè)任務(wù)，如果線(xiàn)路復(fù)雜曲折，那利用灰度傳感器來(lái)巡線(xiàn)是理想的方案；如果是方向明確的直線(xiàn)，那利用指南針傳感器就比較理想。

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作者簡(jiǎn)介：黃呂慶，1970年9月出生，男，漢族，浙江嵊州人，小學(xué)高級(jí)教師。