资源简介

(共36张PPT)
第5单元 第4课
反馈助力机器人搭建
（黔教版）六年级
下
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在机器人测试中遵守操作规范，理解正反馈可能引发的失控风险，树立技术服务于社会的责任感。
利用编程工具编写控制程序，通过传感器数据反馈测试机器人行走状态，培养数字化工具应用与迭代创新能力。
运用模块化思想分解机器人功能，理解反馈环路中"目标值-偏差-调整"的逻辑关系，提升系统化解决问题的思维能力。
通过观察机器人行走的反馈信息，分析偏差变化规律，初步感知反馈对系统优化的作用，培养主动识别和利用反馈信息的敏感度。
02
新知导入
活动背景
参加行走竞赛的机器人只有行走得又快又稳，才能取得好成绩。利用系统的反馈知识，可以帮助我们测试和优化机器人。
我想搭建一个机器人参加机器人比赛。
反馈一定能帮助你，我们一起动手制作吧!
02
新知导入
03
新知讲解
1、搭建机器人，要先考虑好机器人的功能。根据功能设计，进一步思考机器人包含哪些主要硬件模块。请填写表5-4-1，完成机器人的设计。
活动：设计机器人
03
新知讲解
序号 主要功能 硬件模块名称
控制功能 主控板、遥控器
感知赛道功能 传感器
1
3
4
表 5-4-1 机器人设计
2
执行移动功能
马达、轮子/舵机
供电功能
电池、电源模块
03
新知讲解
核心结论
反馈机制通过正负调节动态平衡系统稳定性，在机器人行走控制中形成闭环优化，借助传感器数据实时监测偏差并调整动作，培养系统思维、逻辑分析及技术伦理意识。
03
新知讲解
能沿着道路行走的机器人有很多，有的使用视觉传感器“看”路行走，有的使用灰度传感器循线行走，有的使用超声波或红外避障传感器沿路行走。
拓展阅读
03
新知讲解
利用选定的模块完成硬件搭建后，就可以开始编写控制软件了。编写程序时，我们可以采用模块化思想，按照功能模块进行编写。尝试将算法的自然语言描述填入表 5-4-2。
活动：编写机器人控制程序
03
新知讲解
序号 软件模块功能 算法的自然语言描述
道路信息输入 (1)初始化传感器
(2)读取传感器数据
目标值设定 (1)计算机器人与道路边缘距离
(2)设定距离为目标值
偏差计算 (1)获取当前距离
(2)计算与目标值差值，判断方向
动作调整 (1)按偏差调整马达/转向
(2)循环调整至偏差趋零
表 5-4-2 机器人各模块功能及算法描述
03
新知讲解
二、正反馈中偏差越来越大
活动：测试机器人
在测试机器人时，机器人的稳固程度、行走速度、行走方向等都是重要的测试点。利用反馈的相关知识，设计测试方法，记录测试结果，并填入表5-4-3。
03
新知讲解
序号 测试点 测试方法 测试结果
行走方向 (1)沿直线行走能力的测试 (2)在拐角处转弯能力的测试 记录轨迹
行走速度 (1)设定不同速度档位 (2)不平地面速度稳定性测试 速度达标值
转弯 (1)90度/180度转向精准度 (2)连续急转弯响应测试 转向角度
反馈控制 (1)模拟偏移后自动修正能力 (2)突发障碍物干扰纠偏测试 纠偏耗时
表5-4-3 机器人的测试计划
03
新知讲解
在机器人搭建任务中，我们需要根据机器人系统的需求，设计机器人的功能和结构，然后完成硬件组装。接下来，按功能模块编写计算机程序控制机器人的行走。最后，利用反馈对机器人进行全面的测试，让机器人走得更快、更稳。机器人功能的实现需要反馈原理的帮助，其中目标值设定、偏差计算至关重要。
04
课堂练习
一、选择题
1、 机器人的主控板属于哪个功能模块？（ ）。
A. 感知功能模块 B. 行走功能模块
C. 控制功能模块 D. 电源功能模块
2、测试机器人行走方向时，以下哪种方法是正确的？（ ）。
A. 仅测试直线行走能力
B. 仅测试拐角处转弯能力
C. 同时测试直线行走和拐角转弯能力
D. 无需测试方向，直接比赛
C
C
04
课堂练习
3、反馈在机器人行走中的作用是( ) 。
A. 加快机器人行走速度 B. 帮助机器人调整位置和速度，保持稳定
C. 直接控制机器人外观设计 D. 仅用于检测电池电量
4、程序编写的模块化思想是指( )。
A. 将所有功能写在一个程序中
B. 按功能分模块编写，便于调试和修改
C. 只编写核心功能，忽略其他模块
D. 使用复杂的代码提高运行效率
B
B
04
课堂练习
二、判断题
1、正反馈可以帮助机器人稳定行走。（ ）
2、测试机器人时只需关注行走速度，无需测试转弯能力。（ ）
3、偏差计算是反馈过程中调整机器人动作的关键。 （ ）
√
√
X
三、操作题
设计机器人避障功能的自然语言描述算法，要求包含传感器初始化和方向调整步骤。
04
课堂练习
初始化超声波避障传感器。
持续检测前方障碍物的距离。
如果检测到障碍物距离小于30厘米，停止前进。
控制机器人向左转90度，避开障碍物。
继续沿新方向前进。
05
拓展延伸
工程学中的冗余设计——提升机器人可靠性
冗余设计是工程领域应对不确定性的重要策略，可增强机器人系统的容错能力。
传感器冗余：多传感器融合：例如，机器人同时使用红外传感器和摄像头检测障碍物，避免单一传感器受环境干扰（如强光导致红外失效）。
数据交叉验证：当不同传感器数据冲突时，采用投票算法或加权平均法选择可信结果。
硬件冗余：双电机驱动：若一个电机故障，另一个仍可维持基本功能。
备用电源：主电池耗尽时，备用电池保障紧急制动或求救信号发送。
05
拓展延伸
跨学科联系：物理与反馈——汽车巡航定速系统
汽车巡航定速系统能够自动保持设定的车速行驶，无需驾驶员持续踩油门。请分析这一系统与机器人沿赛道行走的反馈原理有何相似之处？结合具体例子说明反馈如何帮助系统稳定运行。
(1) 相似性
两者均通过传感器监测输出 （车速传感器监测实际车速/机器人传感器监测位置），将实时数据与预设目标 （设定车速/赛道标志线位置）对比，计算偏差（车速差/位置偏移）。
05
拓展延伸
跨学科联系：物理与反馈——汽车巡航定速系统
(2)反馈调节
当实际车速低于设定值时，系统会增大油门；机器人检测到偏离赛道时，调整电机转速或转向角度，缩小偏差。
(3)稳定机制
通过负反馈循环不断修正偏差，最终使系统输出稳定在目标值附近。
(4)思考延伸
如果汽车在爬坡时开启巡航定速，系统会如何调整？这对机器人爬坡设计有何启发？
05
拓展延伸
数学中的反馈控制——比例积分微分（PID）算法
机器人精准控制离不开数学模型的支撑，PID算法是经典控制理论的核心。
比例控制（P） ：根据当前偏差大小直接调整输出（如机器人转向角度与位置偏差成正比）。公式：调整量 = Kp × 当前偏差（Kp为比例系数）。
积分控制（I） ：累计历史偏差，消除长期误差（如机器人持续微小偏离时逐步修正）。公式：调整量 = Ki × ∑历史偏差（Ki为积分系数）。
微分控制（D） ：预测偏差变化趋势，提前抑制震荡（如机器人快速转向时防止过冲）。公式：调整量 = Kd × 偏差变化率（Kd为微分系数）。
05
拓展延伸
生物仿生学与机器人设计——自然界的反馈智慧
生物体的反馈机制为机器人设计提供了灵感来源。
人类行走的平衡反馈：内耳前庭系统：感知头部倾斜角度，通过小脑协调肌肉收缩，维持身体平衡。仿生移植：机器人搭载陀螺仪和加速度传感器，模拟前庭功能，实时调整重心。
蝙蝠超声波避障：蝙蝠通过发射超声波并接收回声，判断障碍物距离和方位。
机器人应用：无人机利用超声波或激光雷达实现自主避障，原理与蝙蝠回声定位一致。
06
小结与评价
单元拓展
掌握了反馈原理，我们就能利用它解释生活中的场景。尝试分析人类保护野生动物的行为蕴含了什么反馈原理。
06
小结与评价
单元阅读
汽车行驶过程中的反馈
汽车行驶中的控制反馈系统通过多维度交互保障驾驶安全与舒适：方向盘传递转向状态与路面信息（如颠簸感、材质差异），同时提供合理阻尼确保方向稳定性；刹车踏板联动车身动态反馈减速过程，油门踏板精准响应动力输出；仪表盘实时显示车速、转速等关键参数。各系统协同工作，使驾驶员高效感知车辆状态并做出调整，提升行车安全性和操控体验。汽车在行驶过程中的控制反馈通过多个系统共同作用实现。
(详细内容见教材p15页）
06
小结与评价
单元阅读
社交媒体算法中的反馈
社交媒体算法通过多维反馈机制实现精准内容推送：基于用户点赞、关注等行为构建兴趣标签，完善个人画像；分析社交网络中的互动频率及兴趣相似性，识别强关联用户群体；利用行为预测模型预判用户点击偏好，提前匹配相关内容；结合地理位置、年龄等数据实现广告精准投放。算法通过持续学习用户交互反馈，动态优化推荐策略，在提升用户粘性的同时创造商业价值，形成数据驱动的内容生态闭环,不断的学习和加以调整，为用户提供更满意的社交体验。
（详细内容见教材p16页）
06
小结与评价
单元评价
单元练习
1.“负反馈的作用是缩小偏差，从而离设定的目标越来越近，所以偏差缩小得越快越好。”这种说法对吗 为什么
不完全正确。
负反馈就像“自动修正器”，帮助系统慢慢调整到目标状态（比如保持房间温度稳定）。但如果修正得太快，反而可能“调过头”——比如调节空调温度时，如果一下子开太大冷风，房间可能会过冷，系统又得再加热，导致温度反复波动。因此， 稳定调整比快速调整更重要。
06
小结与评价
单元评价
2.“正反馈让系统越来越不稳定，所以正反馈一定都是有害的。”这种说法对吗 为什么
不对。
正反馈虽然会放大变化（比如鼓掌时掌声越来越大），但它在生活中很有用！例如：学习中的进步：当你被表扬后更有动力，成绩越来越好，这就是正反馈的积极作用。紧急情况：遇到危险时，身体快速分泌肾上腺素帮你逃跑，这也是正反馈的功劳。所以， 正反馈用对地方，就能发挥好作用！
06
小结与评价
单元评价
学习评价
请从反馈的原理、反馈的偏差计算、反馈的类型、反馈的作用及小组合作等方面，评价本单元的学习表现。
06
小结与评价
单元总结
本单元我们利用反馈原理，搭建了机器人并编写机器人行走程序，帮助小智实现了参加学校机器人比赛的愿望。在学习过程中，我们了解了反馈通过环路实现，理解了反馈的原理和类型，认识到反馈原理对于机器人行走系统的重要性。我们不仅锻炼了实践能力，同时也建立了从反馈角度分析和解决问题的意识。
07
课堂总结
1
进行新知引入
反馈助力机器人搭建
2
设计机器人
3
编写机器人控制程序
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
5
6
4
4
测试机器人
08
板书设计
反馈助力机器人搭建
1、进行新知引入
2、设计机器人
3、编写机器人控制程序
4、测试机器人
4、完成课堂练习
5、进行知识拓展
课后作业。
1、举例说明生活中一个负反馈现象。
09
课后作业
1、机器人沿黑线行走的反馈控制。
例子描述：小明的机器人需要沿着操场上的黑色轨迹线行走。机器人底部装有两个灰度传感器（左、右），当检测到黑色时输出高电平，白色时输出低电平。主控板根据传感器数据控制左右轮电机转速。
问题：机器人向左偏出黑线时，左右传感器会检测到什么信号？
主控板应如何调整电机转速使机器人回到黑线上？
这个过程中体现了哪种反馈类型？为什么？
09
课后作业
传感器信号分析：当机器人向左偏时
左传感器移到黑线外（白色区域）→ 输出低电平。
右传感器仍在黑线上 → 输出高电平。
控制策略：主控板发现左低右高，判断机器人左偏。
调整电机：右轮减速 （或停止）；左轮加速。
机器人向右转弯，逐渐回到黑线中心。
反馈类型：负反馈。
原因：偏差（偏离黑线的距离）通过传感器实时反馈给控制器。
控制器调整动作减小偏差 （回到黑线）。
系统最终趋于稳定状态（沿黑线直行）。
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