资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修2
机器人设计与制作
第四章　机器人感知与传感器
第 三 节 带感知机器人的设计与制作
教学设计
教学背景
党的二十大明确指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”。
机器人是20世纪人类的伟大发明，今天，它不仅能够代替人类登陆火星和潜入几千米以下的深海，还可以不知疲倦地工作在各种生产线上，并服务于我们的日常生活。
关于机器人，我国科学家认为机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。国际标准化组织认为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
教学目标：
知识与技能目标:
1.根据机器人的功能要求选择、安装与调试传感器。
2.经历设计和制作机器人的过程，熟悉机器人设计和制作的一般过程和方法。
教学内容分析:
机器人是一种能够按照预先设计程序而自动执行工作的机械装置。当前机器人已经大规模地走进工业生产、军事、政府管理、商业应用等领域，它们可以帮助或代替人类完成不同的工作，在各个方面影响着人类的生活。通过本章的学习，让我们来初步了解和认识机器人吧。
机器人要准确地模拟人的动作，不但需要类似于人的大脑，还需要各种感觉和灵活的肢体。在机器人中，它的感觉器官由各种传感器来实现，大脑由控制器实现，肢体则由电机及机械装置等组成。让我们通过学习机器人的感知和机器人的传感器，经历设计和制作机器人的过程，领略一下机器人感知设计与制作的无穷魅力。
学情分析:
生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，因为未来的机器人将对我们的生活和工作产生巨大的影响。
　　自己动手制作机器人是让同学们了解机器人的最好手段。同学们一起进入机器人设计与制作的精彩世界吧。
教学重难点:
根据机器人的功能要求选择、安装与调试传感器。
经历设计和制作机器人的过程，熟悉机器人设计和制作的一般过程和方法。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中发展学生核心素养、培养实践能力、提升创新意识、开阔认知视野；将自主学习、合作学习、探究学习等多种学习方式渗透进学生的学习和教师的教学当中；不断尝试现代教育技术和方法的运用。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景倒入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修2第四章机器人感知与传感器第 三 节 带感知机器人的设计与制作。
情景
在学校组织的机器人设计制作比赛中，刘辉小组设计的机器人能沿着设定的路线前行，不但能避让其他机器人，还能夹起障碍物，表现出色，获得了比赛的优秀奖。你想知道它是如何设计和制作的吗？
一、传感器的选择与应用
要设计出色的机器人，选择或利用传感器十分关键。例如：让光电编码器与电机轴或者转动部件连接，就可通过编码器读出电机或者转动部件的转动角度来估计位置；利用陀螺原理制作的传感器，可用于测量移动机器人的姿态；通过光电传感器或红外传感器可实现巡线任务；通过超声传感器、红外传感器、视觉传感器和激光测距仪等可以实现避障功能。
（一）巡线
在机器人竞赛中，“巡线”特指让机器人沿着场地中一条固定线路（通常是黑线）行进的任务。这种机器人小车一般由两个动力轮和一个万向轮构成，通过左右轮反转或其中一个轮停转来实现转向，前者的转向中心位于两轮连线中点，后者转向中心位于停止不动的轮上。
黑线和白色的背景反差很大，采用光敏元件可以轻易地识别出来。图4-24（参见教材P61）为安装了五路红外传感器的巡线电路模块，当遇黑线时红外接收管接收不到返回信号，传感器输出低电平；当检测到白色物体时，传感器输出高电平。通过读取传感器的输出状态就可以判断机器人的行走状态，从而驱动电机转动使机器人循着黑线行走。
（二）避障
避障是指移动机器人在行走过程中，通过传感器感知到其通行路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法实时进行更新路径，最后达到目标点。实现避障的必要条件是环境感知，通常通过超声波传感器、红外传感器、激光测距仪（图4-25）（参见教材P62）和视觉传感器（图4-26）（参见教材P62）等获取周围环境情况，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息。
超声波传感器检测距离原理是测出发出超声波至再检测到回波时的时间差，同时根据声速计算出物体的距离（图4-27）（参见教材P62）。超声波传感器的有效探测距离可达10m，但是会有几十毫米探测盲区。超声传感器的成本低，实现方法简单，技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。
激光测距仪是利用激光来测量被测物体的距离或者被测物体的位移等参数。脉冲激光器发出持续时间极短的脉冲激光，发现待测物体后射到被测目标，回波折返，由光电探测器接收。根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间，就可以算出待测目标的距离。
视觉传感器的优点是探测范围广、获取信息丰富。在实际应用中，常使用多个视觉传感器或与其他传感器配合使用，通过一定的算法可以得到物体的形状、距离、速度等诸多信息。但图像处理方法计算量大，处理器要求高，且难以检测玻璃等透明障碍物的存在，受视场光线强弱的影响很大。
二、带外界感知的轮式机器人的制作与编程
实践
搭建一个简易轮式机器人（图4-28）（参见教材P63），能够实现直线行走、巡黑线、检测并夹起障碍物或避让，并能根据路面的标记实现路径规划。
方法指导
1．所需要的电子部件整体结构为双驱动轮式机器人，使用的电子部件包括1个微控制器，3个电机，2个光电传感器，1个触碰传感器，1个红外传感器。光电传感器用于巡线中的黑线检测，红外传感器用于障碍物检测或避让，触碰传感器用于启动控制。要使用的电子部件（图4-29）（参见教材P63）。
2．传感器安装
安装方法如图4-30（参见教材P64）所示。
3．编写编程
（1）总流程及其编程。当按下触碰传感器时，机器人启动电机往前走；光电传感器负责巡线，使机器人沿着黑线往前走；红外传感器用于检测前方是否有物体，若检测到有物体，开启机械手把物体夹取。其程序流程图如图4-31（参见教材P64）所示。
1）图形化编程。图形化程序全部连线如图4-32（参见教材P65）所示。
2）图形化编程步骤。
①拉出触碰传感器的“等待按下并松开”模块，设置为P5。
②拉出条件循环“while（1）”。
③拉出两个电机，端口分别为M1、M2，速度均为50。
④新建两个变量，变量名为：“infare”“lightl”，数据类型均为“int”，默认初始值为0， 如图4-33（参见教材P65）所示。
⑤拉出两个光电传感器模块，端口分别设置为P6、P8，变量分别为“lightl”“lightr”，如图4-34（参见教材P65）、图4-35（参见教材P65）所示。
⑥ 拉出一个条件判断语句，判断条件为:“lightl＜threshold && lightr＞= threshold”，意思是判断左光电检测到黑线，并且右光电没有检测到黑线，设置机器人往左偏移。注意：这里的变量“threshold”为阈值，在程序编写前，打开控制器的光电调试模块，让光电传感器分别照射到白色的区域和黑线区域，重复几次后控制器上会显示一个阈值，低于此阈值表明检测到黑线，请同学们预先检测阈值，在程序里用数值替换掉“threshold”。
⑦ 再拉出一个条件判断语句，》判断条件为:“lightr＜threshold && lightl＞=threshold”，意思是判断右光电检测到黑线，并且左光电没有检测到黑线，设置机器人往右偏移。
⑧ 拉出一 个“ 红 外 测 距 ”图标 ，设置端口为 P 7 ，变量为“infare”，如图4-36（参见教材P65）所示。
⑨ 拉出一个判断语句 ，条件为：“infare＞3000”；并拉出一个电机，端口为M1，速度100。最后拉出一个等待时间，设置为1s。
3）程序代码（图4-37）（参见教材P66）。
（2）避障流程及其编程。轮式机器人在行走的过程中，如果遇到前方一定距离有障碍物，则原地旋转 1 s ，继续往前走 ， 避开障碍物，这时的程序流程图如图4-38（参见教材P66）所示。
1）图形化编程。图形化编程连线如图4-39（参见教材P66）所示。
①拉出条件循环“while”模块，两个图标分别放在程序的最前端和最后端。
②拉出两个电机图标，端口分别为M1和M2，速度均为50。
③ 新建一个变量，变量名为“infare”，数据类型选择i n t，初始值默认为0，如图4-40（参见教材P67）所示。
④拉出“红外测距”模块，设置端口为“P1”，选择变量为“infare”，如图4-41（参见教材P67）所示。
⑤拉出一个条件判断语句，判断条件为：“infare＞2000”，如图4-42（参见教材P67）所示。
⑥最后拉出两个电机图标，端口分别为M1、M2，速度分别为-50、50，拉出一个等待时间，设置为1s，最后所有图标连线。
2）程序代码（图4-43）（参见教材P67）。
（3）T形路口路径判断。当机器人巡线前进，遇到一个T形路口，判断路口为T形时实现转向。策略为当两个光电传感器均检测到黑线时，就判定该处为T形路口，随即左转继续前行，如图4-44（参见教材P68）所示。
实现的程序流程如图4-45（参见教材P68）所示。
1）图形化编程（图4-46）（参见教材P69）。
①拉出条件循环“while（1）”模块。
②新建两个变量，变量名分别为：“left”“right”，数据类型均为“int”，默认初
始值为0（图4-47）（参见教材P69）。
③ 拉出两个光电传感器模块 ，端口分别设置为 “ P 1 ” （ 图 4 - 4 8 ）（参见教材P69） 、“P 2 ”（ 图4-49）（参见教材P69），存储变量分别为：“left”“right”。
④拉出一个条件判断语句，判断条件为：“left ＜ threshold && right ＞=threshold”，意思是判断左光电检测到黑线，并且右光电没有检测到黑线，设置机器人往左偏移。注意： 这里的变量“threshold”为“阈值”，在程序编写前，打开控制器的光电调试模块，让光电传感器分别照射到白色区域和黑线区域，重复几次，控制器上会显示一个阈值，低于此阈值表明检测到黑线，请同学们预先检测阈值，再在程序里以数值替换掉“threshold”。
⑤ 再 拉 出 一 个 条 件 判 断 语 句 ， 判 断 条 件 为 ： “ l e f t ＞ = t h r e s h o l d & & r i g h t＜threshold”，意思是判断右光电检测到黑线，并且左光电没有检测到黑线，设置机器人往右偏移。
⑥最后再拉出一个条件判断语句，判断条件为：“left ＜ threshold && right＜threshold”，意思是两个光电均检测到黑线，确定此区域为T路口，设置机器人往左转。
2）程序代码（图4-50）（参见教材P70）。
讨论
红外传感器把即将“碰壁”的信息告诉微控制器模块，如果在车体前部（碰撞时最先触壁的地方）安装触觉传感器（微动开关），做法有何不同？
探究
1．调试电机左转或右转速度，使得机器人转向更顺畅。
2．调试光电传感器阈值大小，看看设置不同的阈值会有怎样的效果。
综合实践活动
1．用反射式红外传感器和微控制器设计能够检测黑线的控制电路。当传感器检测到黑线时，蜂鸣器发出报警声。
2．用光敏传感器、微控制器和蜂鸣器等设计和安装一个遮光报警装置。
3．使用合适的传感器，设计并制作一个如下图所示的场地内沿壁行驶的轮式机器人，让它走完一圈后发出结束信号。
三、学习评价
评价内容 评价方式
自评 互评 师评
理解机器人的基本感知功能
了解机器人感知外部环境信息的基本原理和方法
了解机器人常用传感器的种类和特点
学会传感器与控制器的接口电路和制作方法
学会根据机器人的功能要求选择、安装与调试传感器
熟悉机器人设计和制作的一般过程及方法
说明：A—优秀，B—良好，C—合格，D—待改进
通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？
板书设计
第 三 节 带感知机器人的设计与制作
一、传感器的选择与应用
（一）巡线
（二）避障
二、带外界感知的轮式机器人的制作与编程
三、学习评价
教学反思
通用技术
选择性必修2
电子控制技术
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：李 榕
本册副主编：郑永驹 钟清华
编 写 人 编：
张百睿 李 榕 郑永驹 钟清华　周 嘉 龚泽祥 胡智豪
广东教育出版社
广东科技出版社

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