小学虚拟机器人程序设计的优化策略

摘 要：怎样在最短的时间内让纳英特虚拟机器人从起点巡线到任务区（目标点），机器人社团师生前后经过多次多角度的优化。记录了为完成该任务多次多角度的优化过程，对优化过程中发现的问题进行思考和分析，探讨了如何从分析任务特点入手，选择符合任务特点的传感器，合理运用编程策略及参数设置来更好地完成任务，从而取得更好的比赛成绩。

关键词：纳英特虚拟机器人；程序设计；优化

虚拟机器人教学有利于发展创新思维，促进学生信息技术核心素养的发展，为学生将来的全面发展奠定坚实的基础。在纳英特虚拟机器人社团活动中，看似简单任务的一次次优化，不仅提高了比赛成绩，更对培养学生创新意识、创新思维有着非常突出的效果。下面就以纳因特虚拟机器人的一个简单任务优化过程为例，介绍小学虚拟机器人程序设计的优化策略。

一、任务介绍及任务要求

让机器人从起点出发，在最短的时间内巡横线到达“装载货物”任务区（目标点）停下。纳英特虚拟机器人程序中不允许使用时间法或者类似时间法来行走，可使用红外避障传感器检测障碍，灰度传感器控制轨迹，指南针传感器来转弯（如图1所示）。

二、优化过程

（一）优化前

1.机器人配置

除了控制器和轮子，只在左右两侧各设置一个灰度传感器（以下称“左灰度传感器”“右灰度传感器”）。

2.程序设计及说明

分四步完成任务：

（1）离开出发区。调用左灰度传感器，如果左灰度传感器没有检测到黑线，左轮低速，右轮高速离开出发区（如图2所示）。

（2）巡线到竖线1。机器人离开出发区，左灰度传感器检测到黑线（横线）后，调用右灰度传感器，如果右灰度传感器没有检测到黑线，巡线前进到竖线1（如图3所示）。

（3）越过竖线1。机器人到达竖线1，右灰度传感器检测到黑线，机器人将停在竖线1上。程序中不能使用延时模块，就用机器人用100的速度“冲”几次，靠机器人惯性越过竖线1。

（4）到目标点停下。机器人越过竖线1，调用右灰度传感器，如果右灰度传感器没有检测到竖线2，巡线前进。右灰度传感器检测到竖线2停下（就是在目标点停下）。

3.思考与分析

（1）优点：运用的知识点比较简单，只要懂得灰度传感器的使用原理及相关的编程知识就能完成任务。

（2）不足：机器人离开出发区的行进轨迹是弧线，多走了不少弯路。离开出发区后机器人一直在用灰度传感器检测有没有碰到黑线，实际走的线路是曲线，但是任务线路是直线，用巡线走的方法多走不少路，影响成绩。

4.改进建议

（1）机器人的行进轨迹尽可能是直线。

（2）用竖线（黑线）作为目标点的标志物不够唯一，因为竖线1和竖线2都是黑线，使编程变得复杂。可以利用红外避障传感器检测目标点下方的“蓝色货物”，这样目标点的标志物唯一，编程比较简单。

（二）第一次优化

1.机器人配置

除了控制器和轮子，在机器人控制器上面设置一个指南针传感器，再配置一个朝左侧的红外避障传感器。

2.程序设计及说明

分两步完成任务：

（1）利用指南针让机器人原地向左转，使机器人朝向目标点。

（2）到目标点停下。用左侧的红外避障传感器检测“蓝色货物”，如果没有检测到“蓝色货物”，机器人以100的速度直行，直到左侧的红外避障传感器检测到目标点下方的“蓝色货物”停下。

3.思考和分析

（1）优点：机器人的行进轨迹是直线，不走弯路，用时少。利用红外避障传感器检测目标点下方的“蓝色货物”，目标点的标志物唯一，编程简单。

（2）不足：成功率不高。因为转方向的时候，车子有惯性，要让机器人通过指南针传感器精准地转到朝向目标点方向，难度很大。从起点到目标点路程远，方向上稍微有点偏差，机器人脱线的可能性就很大，机器人一旦脱线就被认定为比赛失败。机器人在出发点转方向的速度比较慢，因为转方向速度越快，惯性就越大，机器人的方向就更难控制。

4.改进建议

可以考虑在机器人行进过程中用指南针传感器控制行进的方向，这样可以提高成功率。

（三）第二次优化

1.机器人配置

和第一次优化时的机器人相同。

2.程序设计和说明

分两步完成任务：

（1）利用指南针让机器人原地向左转，使机器人朝向目标点。

（2）到目标点停下。利用指南针传感器控制机器人前进方向，如果机器人的方向大于271度，机器人以左轮99右轮100的速度向左走，如果机器人的方向小于269度，机器人以右轮99左轮100的速度向右走。直到左侧的红外避障传感器检测到目标点下方的“蓝色货物”停下。

3.思考与分析

第二次优化后的程序，能在出发点以较快的速度转向目标点方向，因为即使机器人转的方向有误差，也能在指南针传感器的控制下微调机器人走向，使机器人朝着目标点前进，机器人脱线的概率极小，成功率极高。即使机器人在指南针传感器的控制下微调机器人的走向，由于调整的角度非常小，机器人前进的轨迹也极其接近直线。

三、感悟与启发

1.要营造一种精益求精的氛围

会搭机器人，会编写程序，完成预定任务仅仅是最基本的目标，但绝不能停留在这个目标。教师要努力营造一种精益求精、追求极致的氛围，这是学生肯不断进行程序优化创新的前提。

2.要鼓励学生自主创新

老师要给学生营造一个宽松、和谐、进取的氛围，鼓励学生通过自主研究，围绕问题展开充满个性化的探索，大胆作出猜想，在实践中不断验证自己的猜想，不怕失败，勇于尝试不同的编程方法，进一步完善程序，提升成绩。对于提高比赛成绩的一点点小小的改进，都是创新，可以说创新贯穿了优化的全过程。

3.要倡导团队合作精神

一个学生的想法有时候不完整，通过交流，其他学生可能会在他的基础上产生新的灵感，从而提出更好的方法。找到“最优化”的编程方案，往往凝聚着社团许多人共同的心血，他们一起探讨方案，一起改写程序，一起调试机器人……找到“最优化”方案后再一起分享，在社团中推广。

4.要从分析任务特点入手

要具体任务具体分析，前面提到的“最优化”是针对某个任务而言的，离开某个特定的任务，就无所谓“最优化”。如巡线前进这个任务，如果线路复杂曲折，那利用灰度傳感器来巡线是理想的方案；如果是方向明确的直线，那利用指南针传感器就比较理想。

参考文献：

[1]周德炎.中学机器人教学问题探析[J].中国教育信息化，2011（12）.

[2]赵加兴，杨改学.合作学习在中小学机器人教学中的应用[J].软件导刊，2010（3）.

[3]李丹.虚拟机器人在农村小学机器人教学中的应用研究[J].长春教育学院学报，2015（1）.

作者简介：黄吕庆，1970年9月出生，男，汉族，浙江嵊州人，小学高级教师。