基于乐高EV3搭建带摄像头自动巡线巡逻小车

创设人：薛跃然、马孙一如、卢沐青  指导老师：许玄玄、孙伊辰

1 摘要

本次项目我们以乐高 EV3 主控为基础，搭配外置视觉摄像头，搭建一台可自主识别地面标线、校园巡逻的安保机器人。项目初衷是用机器人替代人工巡查，应对雨天、地面湿滑等恶劣校园环境，减少人工安保巡查的不便与安全隐患。在完成车架搭建、线路排布、程序编写后，装置未能稳定实现巡线巡逻功能，项目调试失败。核心问题分为两点：一是摄像头硬件与 EV3 设备结构尺寸、接口适配冲突；二是摄像头配套编程软件和 EV3 编程系统无法兼容融合，数据传输、图像识别程序难以联动。本次实践虽未做出合格成品，但完整走完设计、搭建、编程、排错全流程，熟悉乐高机器人硬件、视觉识别、自动巡线逻辑，积累跨设备兼容调试经验，充分体会 3E 课程试错探索、知行合一的核心意义。

2 项目背景

校园日常安保巡查多依靠人工完成，遇到阴雨天时，地面湿滑积水、视线变差，保安巡逻存在滑倒风险，且大范围巡逻耗时耗力。如果使用自动巡逻机器人，沿固定路线自主巡检，就能替代人工完成基础巡查工作，不受雨天等恶劣环境影响。

课堂现有乐高 EV3 套件可以搭建移动机器人，自带巡线相关控制功能，但原生无视觉识别模块。我们计划加装外置摄像头，依靠视觉识别路线，相比传统灰度传感器，能更好应对雨天地面水渍、标线模糊的场景。

但 EV3 设备出厂配套硬件、编程环境单一，外接第三方视觉设备存在天然适配壁垒，市面缺少一体化兼容方案，因此我们尝试自主改装，打造低成本校园安保巡线机器人，践行 3E 课程乐享科创、主动探索、动手实验的学习理念。

3 现状调研

3.1 校园巡逻设备现状

目前校园安保完全依靠人工，雨天巡逻条件差，人力成本高；商用智能巡逻机器人造价昂贵，不适合校园科创实践使用。低成本乐高机器人是最合适的实践载体，但仅靠底部灰度传感器，雨天地面反光、积水会严重干扰识别，巡线容易失灵。

3.2 EV3 外接视觉设备改装现状

乐高 EV3 拥有成熟图形化编程体系，拓展接口有限，仅适配原厂传感器；外置视觉摄像头拥有独立硬件结构、专属编程软件，两者分属两套独立系统。硬件上无匹配固定支架、通用连接端口；软件层面代码、指令互不互通，很难实现图像数据同步传输，是学生自主改装中难以解决的核心难题。

4 实现思路

本安保巡逻小车分为乐高机械结构、双系统控制两大部分。

硬件组成

l  EV3 主控：整车运动控制核心，负责控制左右电机转向、行进；

l  驱动电机：左右动力轮，实现直行、转弯，沿标线巡逻；

l  外置视觉摄像头：采集地面画面，识别巡线路线，抵御雨天水渍干扰；

l  乐高积木车架：承载 EV3 主机、电机与摄像头；

l  连接线路：分别给 EV3、摄像头独立供电、传输数据。

控制逻辑

l  摄像头采集地面图像识别巡线→将图像数据传输给 EV3 主控→程序判断路线偏移→调节电机转速修正轨迹，实现全天候沿路线自主巡逻，雨天替代人工完成校园巡检。

5 制作中遇到的问题与调试尝试

5.1 硬件层面：摄像头与 EV3 设备结构、接口不匹配

摄像头体积偏大，没有适配 EV3 主机的固定支架，拼接积木后镜头高度、角度无法稳定固定；两者供电、数据接口规格不统一，线路杂乱挤压车架，小车行驶颠簸时极易出现线路松动、画面中断，雨天潮湿环境下接触不良问题会进一步加重。多次调整积木支架、整理布线，仍无法实现稳固安装。

5.2 软件层面：两套编程系统无法融合联动

EV3 使用官方图形化编程软件，外置摄像头有独立配套程序，两套系统指令、数据格式完全不互通。摄像头识别到的路线信息无法同步传递给 EV3 主控，EV3 不能根据画面数据调整行驶方向，两套程序独立运行，无法形成完整巡线逻辑，程序联动调试完全失效。

5.3 环境适配难题（雨天场景）

地面雨水反光、积水会干扰摄像头成像，加上硬件安装不稳、程序无法联动，机器人识别标线频繁出错，跑偏、原地打转，完全达不到雨天巡逻的使用要求。

5.4调试优化尝试

多次重构车架调整摄像头安装位置，使用卡扣固定线路；分别单独调试 EV3 巡线程序、摄像头图像识别程序，尝试简易数据转接方案，但受两套设备原生不兼容限制，无法打通软硬件联动，小车始终无法稳定自动巡线，项目没能达到预期的校园安保巡逻效果。

6 实践总结

本次 3E 选修课项目，我们完整完成校园安保机器人方案构思、EV3 车架搭建、双系统编程调试、故障排查全部流程。虽然雨天自动巡线巡逻小车最终调试失败，没能实现替代人工校园巡查的目标，但整个实践过程收获良多。

实操中，我们熟练掌握乐高 EV3 机器人搭建、图形化编程基础，理解视觉巡线机器人的工作原理；在反复拆装、调试两套不兼容设备时，锻炼了故障分析、动手解决问题的能力。同时我们也发现自身前期设计存在明显疏漏：只关注机器人雨天巡逻的功能需求，没有提前调研 EV3 与外置摄像头软硬件兼容限制，低估两套独立设备融合的技术难点，最终导致项目核心功能无法实现。

依托 3E 课程 Enjoy、Explore、Experimentalize 的学习理念，我们懂得科创探索本就充满试错，失败也是宝贵的学习过程。后续我们会调整方案，更换 EV3 原厂适配传感器，或选用一体化兼容视觉机器人套件，重新设计结构与程序，完成可应对阴雨天气的校园自动巡逻机器人。

感谢许玄玄老师在搭建、编程调试过程中的耐心指导，让我们在项目失败中梳理清楚软硬件兼容的关键问题，真正做到理论联系实践，体会自主科创探究的乐趣。