智能寻轨器
在智能寻轨器制作中提高学生逆向思维能力
在智能寻轨器制作中提高学生逆向思维能力作者：郭秋维何梦婷来源：《小学科学》2022年第04期逆向思維，就是我们对平时司空见惯的似乎已成定论的事物和观点，反过来思考的一种思维方式。
科学老师在指导学生进行智能寻轨器制作的过程中，可巧用逆向思维来认识某些元件的正反向不同特性，进而理解电路工作的正反原理，并进行演绎分析;在检测和调试过程中，运用逆向思维进行分析和调整，可促使电路工作正常，寻轨顺畅自然，行程远，达到智能寻道的作用，从而提高学生的逆向思维能力。
逆向思维，顾名思义，即不按常规的思维方式，不从事物的正向思路考虑问题，偏偏反其道而行之，以获得解决问题的一种新颖方式。
在日常生活中，逆向思维无所不在，有着极其广泛的实用价值。
但它总是与正向思维相对应而存在，所以，我们在分析逆向思维问题时，有必要联系正反两方面的因素，才能加深对逆向思维的理解，收到更好的效果。
韦钰院士指出：“儿童具有强大的学习能力，是一个积极主动的学习者。
婴儿一来到这个世界，就开始了从一个生物人向社会人发展的学习过程。
”智能寻轨器的制作，蕴含科学创新信息，内隐着反向思维，如能充分发挥其优势，就会帮助我们分析与认识其中规律，从而达到有效解决行走问题之目的。
一、应用逆向思维的优势有时遇事绞尽脑汁想不出好办法来，不妨改变一种思考方法，换一个角度，从事物的反面进行琢磨，可能会产生意想不到的效果。
生活中常见的逆向思维有原理逆向、功能逆向、结构逆向、程序逆向、因果逆向、状态逆向、属性逆向等。
如，司马光砸缸救孩子就是应用逆向思维来解决问题的实例。
事物之间总是相互联系的，正向思维与逆向思维的顺逆方向不同，解决问题的功效也有别。
很多人总习惯性地常规思维，这固然有很大的好处，但也存在着明显的不足：不能适应突变的情境;面对难关，往往难以实现突破;不能逾越鸿沟。
用上逆向思维后，就能够势如破竹，使问题迎刃而解。
对大自然中的万事万物，多问几个为什么：假如没有灰尘，假如没有苍蝇，大自然又会怎样呢？这种训练，对培养学生的逆向思维有独特的促进作用。
智能高铁轨道巡检机器人
智能高铁轨道巡检机器人智能高铁轨道巡检机器人是利用激光雷达进行测距，对高铁轨道与站台之间距离进行测量的装置，主要的技术核心为大范围高精度测量、与手持机实时通讯、在铁轨上自动行走等。
标签：激光测距;轨道巡检1、引言在高速铁路不断发展的进程中，列车对轨道的要求越来越极致，从材质到规格的精度都达到了各个领域的最顶尖的级别。
铁路轨道和站台由于热胀冷缩带来的挤压与拉扯，会导致轨道与站台之间的距离发生变化。
一旦列车行驶在如此状态的轨道上，极其有可能发生剐蹭站台的现象，甚至出现列车脱轨的惨剧。
因此对这段距离的检测就显得至关重要因此我团队设计了能够检测铁轨与站台之间距离的智能高铁轨道巡檢机器人。
2、作品介绍2.1作品设计、发明的目的解决高铁轨道到站台距离精确测量问题2.2基本思想智能高铁轨道巡检机器人是利用激光雷达进行测距，使底盘在铁轨上以一定速度行驶。
激光雷达每隔一定距离进行测距采样。
设计的目的就是要改进传统用人工和大直角尺测量的不精确以及时间长工作量大等缺点。
2.3技术关键（1）移动测量测量范围以及测量精度（2）强度与便携性（3）恶劣环境中正常工作（4）弯道测量问题2.4主要技术指标行走速度：0.2m/s-1m/s，距离测量范围：100mm-2500mm，误差±1mm。
采用手持机无线操控。
所有操作均可由手持机PDA实现。
并且具有可显示当前测量实时数据等功能。
在低温-30℃，高温50℃均可持续工作4小时。
3、创新点3.1硬件技术我们采用了激光雷达来代替传统的刻度尺，通过采样运算，能够精准的测量所需的数据，并且为了防止在使用电子陀螺仪进行角度补偿时出现因为温飘（传感器因为的温度变化导致的精度变化）造成数据不稳定的情况，我团队采用了自制的温度补偿系统来保证传感器的工作。
并且期待能够配合机器人测的行走距离来对当前的被测站台进行实施建模，相比于参照感微弱的数据，模型更加简洁、直观。
为了满足实时建模的要求，我们设计了精确到毫米级别的直接按测距系统，通过外挂编码器与橡胶轮连接的方式进行测距功能的基本实现，通过悬挂系统防止出现与接触面分离的情况。
轨道式巡检机器人
轨道式巡检机器人在当今科技飞速发展的时代，各种创新技术和智能设备不断涌现，为人们的生活和工作带来了极大的便利。
其中，轨道式巡检机器人作为一种新型的智能化设备，正逐渐在各个领域发挥着重要作用。
轨道式巡检机器人，顾名思义，是一种沿着预设轨道进行巡检工作的机器人。
它融合了机械、电子、控制、计算机、传感器等多种技术，能够实现对特定区域或设备的自动监测、数据采集和故障诊断等功能。
轨道式巡检机器人的应用场景非常广泛。
在工业领域，例如化工厂、发电厂、钢铁厂等，这些场所通常存在高温、高压、有毒有害等危险因素，人工巡检不仅劳动强度大，而且存在一定的安全风险。
轨道式巡检机器人可以在这些恶劣环境中稳定运行，对设备的运行状态、温度、压力、液位等参数进行实时监测，及时发现潜在的安全隐患和故障。
在电力行业，它能够对变电站内的电力设备进行巡检，包括变压器、开关柜、避雷器等，检测设备的外观是否存在异常、是否有放电现象等，保障电力系统的安全稳定运行。
在轨道交通领域，轨道式巡检机器人可以对轨道、隧道等设施进行巡检，检测轨道的平整度、扣件的紧固情况、隧道壁的渗漏水等问题，确保列车的运行安全。
轨道式巡检机器人通常由机械本体、驱动系统、控制系统、传感器系统和通信系统等部分组成。
机械本体是机器人的基础结构，包括机身、行走机构、机械臂等，它的设计需要考虑机器人的工作环境和任务需求，保证机器人具有足够的强度和稳定性。
驱动系统负责为机器人提供动力，使其能够沿着轨道运动，常见的驱动方式有电机驱动、液压驱动等。
控制系统是机器人的“大脑”，它接收传感器采集的数据，进行分析处理，并发出控制指令，指挥机器人完成各种动作和任务。
传感器系统则是机器人的“眼睛”和“耳朵”，通过安装各种类型的传感器，如视觉传感器、温度传感器、压力传感器、声音传感器等，实现对环境和设备的感知。
通信系统用于机器人与控制中心之间的数据传输，确保机器人能够实时将采集到的数据传输给控制中心，同时接收控制中心的指令。
会认路的小车
会认路的小车你听说过不用人驾驶自己会认路的汽车吗？即无人驾驶全自动汽车，听上去像科学幻想，但人们的确已经造出来了。
原来它有一整套激光探测系统和电脑识别系统，控制汽车的速度和方向。
今天我们向你介绍的“会认路的小车”叫“智能寻轨器”。
我们在一块白色地毯上，画上黑色线条当做道路，小车就会跨着这条黑线行驶和转弯，到达目的地会自动停车。
这是经国家体育总局航空无线电模型运动管理中心批准，全国青少年电子制作锦标赛推出的智能车竞赛项目。
下面我们来学习认识和装配制作智能寻轨器（也叫“智能车”）。
一、智能车的构造：图1智能车构造二、智能车的工作原理：智能车有两个电动机，分别带动两个车轮，控制前进和转弯。
车头有块电路板，分别控制电动机转动或停止。
电路板左右两边各有一个光探测器，某一探测器遇到黑色线条，探测接收器得不到反射光，电路就会控制电动机停转；由于另一边的电机仍然在转动，小车便转弯，车轮自行避开黑线，左右两车轮就始终跨着黑线一直前进，实现了自动探路的功能。
直到左右两个探测器同时遇到终点黑线条，小车自动停止。
图二电路板和两个马达图三电路板和光电耦合传感器（正反面）三、智能寻轨器的制作：图四调试（一）机械部分器材：（二）电路部分器材电路部分由：1、电池盒、2、开关、3、直流电动机、4、印刷电路板等组成。
（三）机械部分的组装1、装开关：用螺丝A把开关装在主架上。
2、装电动机：用螺丝A把电动机固定在主架上（左、右不同，不能搞错）。
3、组装印刷电路板、升降板和伸缩板（1）、组合升降板和伸缩板：把升降板插入伸缩板的滑槽内，用螺丝B把升降板和伸缩板组合在一起。
（2）、组装印刷电路板：用螺丝A把把印刷电路板固定在升降板的下面（元器件向地面），使三个发光二极管通过三个小孔伸到升降板的上面。
注意：印刷电路板上的元器件位置有变化。
（3）、安装伸缩板、升降板、印刷电路板组合：用螺丝B把伸缩板、升降板印刷电路板组合固定在车架上。
4、装主轮：装上主轮，并在轮槽中套上防滑圈。
智能寻轨器竞赛规则
智能寻轨器竞赛规则一、项目描述选手现场制作具有行驶功能的智能寻轨器并在规定的跑道上进行行驶比赛。
二、竞赛要求和方式（一）竞赛时选手自带未经处理、制作过的指定套材，样机不得带入，在指定赛场、按时独立完成制作和调试任务。
（二）现场制作和调试时间：制作：各组制作时间均为40分钟。
调试：各组调试时间均为10分钟。
（三）各参赛选手的赛场和序号，由电脑随机产生，赛前公告。
（四）智能寻轨器由3节五号电池供电，电池自备。
（五）制作赛必须现场制作，当场评比，只进行一轮竞赛。
（六）行驶赛是在制作赛的基础上进行调试后，进行两轮行驶。
（七）制作后被判为不合格的，不得参加行驶赛。
制作赛合格的选手在调试后统一参加行驶赛。
（八）选手自带焊接和制作工具（包括烙铁架），现场不提供工具、零配件和耗材，选手之间不得相互借用和调剂。
（九）电动工具（如电动、半自动螺丝刀、电钻等）不允许使用。
（十）制作使用的“模板”（即形同智能寻轨器，用于示意、辅助制作的器具）不得使用。
三、成绩判定（一）制作：现场制作，当场评定。
运动员制作完成智能寻轨器这一时刻为制作时间，时间精确到秒。
1、电子线路部份：焊接和安装工艺与“现场电子制作竞赛”要求相同（3只发光二极管除外），调节到具有识别黑色和白色的功能，并不得增减元器件或变动电子线路。
2、机械部份：套材安装符合图纸及说明书要求、不得少装螺丝及部件。
当场演示左右轮黑色停，白色转，指示灯能正常工作。
该智能寻轨器评为合格。
不符合上列条件之一者无成绩。
（二）行驶：在规定时间内将制作好的智能寻轨器进行调试后，由裁判安排顺序，在指定跑道上行驶，每当智能寻轨器尾轮通过一个分值区时，裁判员应唱出分值。
成绩按尾轮最后通过的分值记录，区域分最高为100分，前后间隔分值详见跑道示意图。
每位选手比赛两轮，取最好成绩为该选手行驶成绩。
1、跑道上黑色轨迹净宽1.5—2.0cm。
包含直行、大小左右弯，从55分开始，分段依次到达100分（满分区），经满分区后未能自动停车的，就进入减分区，减分区的分值依次为95、90和80分，依次逐减。
奕阳智能寻轨器说明(修订版
精
性能测试后的调试方法：
1、前进的速度不够快：换新电池、增加车轮与 跑道的摩擦力。注意，太快时对别的指标不利；
2、制动能力不好：增加车轮与跑道的摩擦力、 提高灵敏度；
3、直行能力不好：调节左右轮的摩擦力； 4、转弯的能力不好：减慢速度、后轮更灵活、
3、光耦合传感器的三只安装脚插入印刷电路板 的孔中。如果发射管或接收管从外壳中掉出， 就要仔细观察后再插回去；
精
4、稳压管有黑圈的一端接电源正（51Ω）
稳压管是反向接入电路的， 正极要接电源负，不能接错。
精
6、 其余元件仍从无铜箔面插入.
焊好后剪脚再插入358电路 , 最好剪一块电路板一样大小的软纸片（发泡纸） 垫在铜箔面上再将印刷电路板固定； 注意470μF电容器的高度，行驶不要接触地面。
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2,安装伸缩板 用带垫片的自攻螺丝 2只
精
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3,安装升降板
用带垫片的自攻螺丝 1只
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4,安 装 尾 轮 全 套
用M4螺栓,垫片,螺帽.
精
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5,印刷电路板的安装
三只发光二极管对准三个孔插入， 再用2只小自攻螺丝固定印刷板。
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导线焊接
精
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6,安装电池盒
先确定电动机方向再装妥电池盒,
最后整理导线(利用车身上的小孔固定).
精
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7,安装前轮 注意:前轮与电动机轴不是紧连接的
精
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调试方法
（1）电路安装的检查与初步调试提 示: （2）整机装配后的调试方法 :
智能寻轨器b型2
行驶竞赛竞赛过程
• 1、调试：当发令裁判长发出“调试开始”的口令后，选 手即可在指定的轨道上进行智能寻轨器行驶调试，调试时 间限定20分钟，在调试结束前3分钟，发令裁判长会发出 “还有3分钟”的提示。制作赛不合格而兼报行驶赛的选 手，允许在这20分钟内继续完成制作和调试。“时间到” 的口令发出后，停止任何操作。裁判对在调试时间内继续 完成制作的智能寻轨器应确认是否合格，能否参加行驶赛。 参加行驶赛的智能寻轨器按序排放在原指走轨道边，不得 再进行校正或调试。 • 2、行驶：选手在裁判指令下作好智能寻轨器行驶的准备， 选手应将智能寻轨器尾轮放在原指定轨道的起点线后，不 得触碰或超越起点线。裁判发出“预备－开始” 的口令 后，行驶计时开始，选手接通开关，让智能寻轨器从起跑 区内开始自由行驶。
智能寻轨器b型
谭王毅501中队
1.电路部分 • 1、认识元件
新电路板的测试
2.焊接
分多次焊接。
3.机械部分组装
电池盒上的白线穿孔焊接在电路板上。
电路板上的黑线焊接在开关上。
蓝线和白线分别焊接在对应的电机上，0.1μF电容焊接在电机上。
固定电池盒，螺丝不影响电池即可。
电池盒上的黑线穿孔焊接开关上，与另一黑线位置相邻
完成Biblioteka •再见行 驶 赛制作与调试： • 1、尾轮的处理； • 2、伸缩板的处理； • 3、升降板的高低； • 4、阈值的调节； • 5、速度的调节； • 6、适应多种场地。
竞赛过程：
• 1、入场：由检录裁判按序、分批将参赛选手带入 指定赛场。赛场裁判指挥选手对号入座。参赛选 手展示参赛证、自带未经处理的指定器材和制作 工具。 • 2、宣讲：赛场裁判长宣讲制作竞赛注意事项，并 进行安全教育。 3、开赛：根据发令裁判长的指 令，计时裁判回表，当发令裁判发出“预备－开 始” 的指令后，计时开始。 • 4、完成：参赛选手在完成智能寻轨器的制作和相 关的调试（具有遇黑色停、白色转的功能和正常 行驶的功能）后，即可起立、报号、离座，计时 裁判随即终止该选手的制作计时（精確到秒）。
智能寻轨器制作步骤
螺帽的定位
升降板位置定位
传感器顶部 离地面1.11.3厘米
位置的高低以升 降板下沿离地面 的距离为2.2-2.4 厘米
伸缩板位置定位
伸缩板的位置 为最大前置。
摩擦力大小
摩擦力大小 用防滑圈多 少及位置（ 重叠）来调 节。
惯性的控制与调节
自 重 摩擦力 速 度（电压、电流大小 ）
外侧轮（右轮）
距车体距离大于
左轮
内侧轮（左轮）
约0.5厘米。
整体组合完成
智能寻轨器行驶的建议
未能按轨迹行驶常常偏离轨道
环境、光照均匀度 、场地平整度、尾 轮灵活性、传感器 灵敏度（左右传感 器灵敏度的想状态 左右传感器灵敏度一致。
尾轮灵活性
手持寻轨器尾轮 能以自身重量360 度灵活自转。
智能寻轨器制作建议
零部件23 ，导线8根（电池盒上3根）
焊接
第一次
所需焊接点67处 建议：印刷电路板零部件分两次插入焊接
第二次 470uf 电容 发光二极管（红2绿1）导线
机械部分 零部件8个 螺丝28 螺帽2 垫片2 橡筋圈8
升降板与伸缩板组合前先将印刷电路的导线和电池 盒上的白线通过伸缩板中间的小孔（白线与印刷电 路板焊接）
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（2）整机装配后的调试方法 :
1、先将电路部分初步调试好 2、尾轮要转动灵活，否则将 影响智能寻轨器转弯性能。 塑料与塑料接触处要垫上两 个垫片（参阅装配图）,两个 螺母用两把扳手别紧,但转动 部分要松紧适度；
3、整 车 的 重 心
要尽量集中在前轮上（略偏后），因 为前轮与地面的摩擦力要大，后轮与 地面的摩擦力要小，才有利于转弯。 必时在前轮外可套上几个橡皮圈,使 两轮同速前进;
性能测试后的调试方法：
1、前进的速度不够快：换新电池、增加车轮与 跑道的摩擦力。注意，太快时对别的指标不利； 2、制动能力不好：增加车轮与跑道的摩擦力、 提高灵敏度； 3、直行能力不好：调节左右轮的摩擦力； 4、转弯的能力不好：减慢速度、后轮更灵活、 传感器前移、提高传感器灵敏度、改善车轮摩 擦力。
调试方法
（1）电路安装的检查与初步调试提 示: （2）整机装配后的调试方法 :
1、按以上步骤安装好的智能寻轨器翻一个身， 即电池朝下，车轮不要着地放置好；对电路部 分进行初步调试. 2、500k电位器一般设置在中间即可，增加灵敏 度电位器逆时针方向调，减小灵敏度电位器顺 时针方向调； 3、光耦合传感器的三只安装脚插入印刷电路板 的孔中。如果发射管或接收管从外壳中掉出， 就要仔细观察后再插回去；
插元器件
4,焊接，剪去过长的引脚；
机械部分的组装
主架 1件
主轮橡皮
圈 8只
尾Hale Waihona Puke 全套 1组带垫片的自 攻螺丝 3只 M4×20螺栓1只； M4螺帽2只； M4垫片4只
M4×20螺栓1只 螺帽2只 M4垫片4只
自攻螺丝 小14只
水平伸缩板
垂直升降板
组装顺序
2,安装伸缩板 用带垫片的自攻螺丝 2只
反复调试才能获得性能良好的智能寻轨器; 整机性能良好的智能寻轨器在锦标赛上就可对付 各种各样的跑道。
跑 道
谢谢大家
3,安装升降板
用带垫片的自攻螺丝 1只
4,安 装 尾 轮 全 套
用M4螺栓,垫片,螺帽.
5,印刷电路板的安装
三只发光二极管对准三个孔插入， 再用2只小自攻螺丝固定印刷板。
导线焊接
6 安装电池盒
先确定电动机方向再装妥电池盒, 最后整理导线(利用车身上的小孔固定).
7,安装前轮 注意:前轮与电动机轴不是紧连接的
8 动作调试
请先用白色卡片纸做一张名片大小的调试板，将 其一半涂成不反光的黑色； 装上电池，合上开关，将传感器朝上放平，接通 开关，手拿调试板，在传感器上方2—3㎝处，白 色时电动机转，相应的发光二极管不亮，黑色时 电动机停，发光二极管亮。若灵敏度不理想，按 第2条调节。 无卡片纸时受环境影响，电动机可转或不转。
电路部分的制作
电路原理
电 路 原 理 图
印刷电路板 无铜箔面图
元器件简介
元器件外型与符号图；
光耦中的发射管和接收管的外型与发光二极管相同。
电路板制作步骤
（仅供参考） 检查元器件是否齐全，完好； 识别器材的型号、规格、极性； 把元器件（除D2、D3、D4三只发光二极管和LM358双运放外）从无 铜箔面插入印刷电路板中，注意特殊器材的正确插入方法，注意器 材排列整齐，高低有序； 焊接，剪去过长的引脚； 将三只发光二极管分别从铜箔面插入，保留引脚长1.5—2.0厘米并在 铜箔面焊接（与通常的元器件不一样），剪去无铜箔面上过长的印 脚; 按印刷电路板图所示，将红、黑、白、蓝五根导线焊在印刷电路板 上； 检查，清理印刷电路板。 插入LM358双运放。待机械部分组装完成后在调试。
4、稳压管有黑圈的一端接电源正（51Ω）
稳压管是反向接入电路的， 正极要接电源负，不能接错。
6、 其余元件仍从无铜箔面插入.
焊好后剪脚再插入358电路 , 最好剪一块电路板一样大小的软纸片（发泡纸） 垫在铜箔面上再将印刷电路板固定； 注意470μF电容器的高度，行驶不要接触地面。
7,
两只电动机，先通电观察转向，运转正常后再用 螺丝固定电池盒；
智能寻轨器
全国青少年电子制作组委会
在白纸上画一条2~3厘米宽的黑色 弯弯曲曲的“路”，你制作的寻轨器就 会沿着这条小路走，自动转弯。 这就是我们的智能寻轨器。 智能寻轨器的动力是电动机，由 电路和机械两大部分组成。竞赛时有统 一标准的跑道。
智能寻轨器示意图
工作原理
转弯动作的实施 转弯时的指示灯 停止运动的原理
4、电 动 机 的 轴
电动机的轴转动时，前轮要跟着 转； 但用手扳动前轮时，轴不转， 否则要损坏电动机 变速箱中的齿轮， 所以前轮与轴不是 紧连接的；
5、固定电池盒前，要先调妥电动机的转向； 6、导线在两只电动机中间集中，过长的剪去再 焊接，利用电动机中间车身上的两组小孔，用细 铜丝或剪下的 细导线扎牢； 7、通过整车性能测试后 再作进一步调整。