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(共43张PPT)
第3单元 第4课
机器人的跟随验证—测验与功能优化
（清华大学版）五年级
上
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
在学习过程中，在机器人跟随过程中，必须确保不会对人类和环境造成危害。
明白通过不断积累跟随验证测试过程中的数据，机器人可以进行自我学习和改进。
能在机器人跟随功能中起着核心作用，其中算法的设计与优化是关键环节。
意识到在跟随验证测试中具备敏锐的信息首先体现在对各种数据的收集和分析上。
02
新知导入
人们对美好生活的向往，驱动着人们去发现和创造更美好的事物，机器人就是其中一个例子。渐渐地，我们可以看到各种各样应用在不同场景的机器人，它们的功能丰富多样，可以避障，可以自动跟随等。本节课让我们一起实现机器人的跟随功能，并验证它能否跟随移动吧!
02
新知导入
机器人好聪明，可以跟着人走。我打算自己做一个，验证它能不能跟随。
02
新知导入
思考
同学们，你们拥有一个机器人后，希望它具备什么功能呢
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它虽然看不见摸不着，却在计算机的世界里起着非常重要的作用。
知识解答：能够随时回答我在学习中遇到的各种问题，无论是数学难题、历史事件的背景，还是科学概念的解释。
家务助手：能够打扫房间、整理物品，让我的生活环境保持整洁。它可以自动识别不同类型的垃圾并进行分类处理，还能清洁各种家具和地面。
音乐和影视播放：可以播放我喜欢的音乐和电影，营造出舒适的娱乐氛围。
02
新知导入
03
新知讲解
一、跟随功能分析
在电影中，能看到这样的场景：机器人为主人扫地、端茶送餐，不仅如此，机器人还能跟随主人走，主人走到哪里它就跟到哪里，既聪明又有趣。如今，电影照进现实，我们可以看到主人在前面逛街购物挑选商品，机器人在后面跟随主人移动和帮忙携带物品(见图3.4.1）；在人来人往的街道或车站，人们在前面轻松地走着，后面紧跟着一个跟随主人移动的行李箱(见图 3.4.2)……这就是依靠机器人的跟随功能实现的。
03
新知讲解
图3.4.1 跟随购物车
图3.4.2 跟随行李箱
03
新知讲解
跟随机器人的基本功能：自动跟随目标移动，目标走到哪里它就跟到哪里。在设定的距离范围内跟随目标移动，目标前进，机器人就跟着前进；目标后退，机器人就自动后退；目标停止，机器人也停止。机器人与移动的目标对象始终保持在一定距离内。
自动跟随
03
新知讲解
机器人在一定距离内跟随着目标移动，需要防止发生碰撞，能主动避障避免撞上跟随目标或者其他障碍物。机器人能对前方障碍物的距离进行测量，并判断障碍物的位置，当感知前进方向有障碍物时，机器人做停止不动或者后退的动作，并在障碍消除后恢复行进，如图 3.4.3所示。
防碰撞
图3.4.3 跟随距离示意图
03
新知讲解
课堂活动
说一说，机器人的跟随功能可以应用到哪些场景中。
日常生活场景：在商场或超市中，机器人可以跟随主人，帮忙搬运购物袋；在旅行中，机器人可以跟随游客，携带行李并提供导航服务。
工作场景：在仓库或物流中心，跟随功能的机器人可以跟随工作人员，自动搬运货物。
医疗场景：在医院内部，机器人可以跟随医护人员，运输医疗设备和药品。
教学辅助：在课堂上，机器人可以跟随教师，展示教学内容和实验操作。
03
新知讲解
二、跟随功能实现
设定机器人的功能后，需要给机器人编写程序来实现跟随功能。例如，利用机器人的超声波传感器检测距离，如果机器人与跟随目标的距离大于设定值，那么机器人跟随前进，如果机器人与跟随目标的距离比较小，在某个距离范围内，那么机器人就静止:如果机器人与跟随目标的距离过小，那么机器人就后退，防止碰撞。
03
新知讲解
按照功能设计与分析，梳理程序思路，如图 3.4.4所示。
程序设计
开始
显示超声波的检测距离值
超声波检测值≥20？
是
机器人前进
否
10≤超声波
检测值＜20？
否
机器人停止
超声波检测值＜10？
否
是
机器人后退
图3.4.4 程序流程
是
03
新知讲解
相应的示例程序如图 3.4.5 所示
主程序
OLED显示 清空
OLED第1 行显示
OLED 显示生效
如果
一直重复
打开 M1 电机 正转 速度 60
12c超声波 ≥ 20
12c超声波
10
≥
和
图3.4.5 跟随机器人示例程序
否者如果
转文本 12c超声波
模式 普通 不换行
打开 M2 电机 反转 速度 60
12c超声波
＜
20
关闭 M1 输出
关闭 M2 输出
否者如果
12c超声波
＜
10
打开 M1 电机 反转 速度 60
打开 M1 电机 正转 速度 60
03
新知讲解
完成程序的编写后，把程序刷入机器人中，功能完整的机器人如图3.4.6所示。
图3.4.6 跟随机器人示意图
03
新知讲解
课堂活动
请同学们完成机器人跟随功能的程序设计，实现机器人自动跟随及防碰撞功能。
所需技术和工具：传感器、控制器、电机驱动、编程语言。
跟随功能实现步骤：传感器设置安装并配置传感器，确保能够准确地检测到目标物体和障碍物。电机控制根据跟随算法的输出，控制机器人的电机。
防碰撞功能实现步骤：障碍物检测，使用传感器检测机器人周围的障碍物。
03
新知讲解
三、调试优化与分享
编写完机器人跟随的程序后，对其进行测试，验证机器人是否实现了跟随和防碰撞功能。在测试过程中，根据机器人的反馈，观察机器人的跟随功能存在的问题或不足之处，然后对机器人进行调试和优化。最后，把调试优化后的机器人展示出来。
03
新知讲解
上述机器人的功能可能会存在一些问题。例如，机器人跟随过程不够流畅，出现忽走忽停的情况；跟随目标转弯时，机器人无法跟着目标灵活转弯；如果跟随目标发生了变化，机器人无法判断等。
在测试机器人功能的过程中，根据具体出现的问题，思考解决方法，不断地调试和优化它的功能，使机器人的功能达到比较理想的状态。
调试优化
03
新知讲解
实验活动
请同学们调试机器人的跟随功能，根据出现的问题，分析原因，思考解决方案，对机器人进行调试和优化，并根据不同测试结果填写表3.4.1。
表3.4.1 机器人的调试和优化记录表
感知 算法优化 控制调试
人物识别不准，升级传感器 跟随路径抖动，调控指令频率 速度控制不稳定，调整参数
光线暗感知下降，添加光线 反应迟缓，优化程序 转向不灵活，优化转向机构
距离判断不准，校准距离 复杂环境容易迷失，建立识别机制 容易出现避障，完善避障算法
03
新知讲解
对跟随机器人进行优化后，可以将其分享到开源社区。常见的开源社区有开源中国社区、Arduino 中文社区、掌控板社区、DF 创客社区等。
将跟随机器人分享到开源社区，不仅可以供其他学习者借鉴和学习，我们还可以在现有开源跟随机器人的原基础上继续改造和优化自己的机器人，从而为跟随机器人的迭代优化提供了更广阔的空间。
分享
04
课堂练习
实践
不同的开源社区，其主要功能和内容也有所不同，如表3.4.2所示。请同学们选择一个开源社区平台，将跟随机器人分享到平台上。
表3.4.2 开源社区
开源社区名称 社区主要内容
开源中国 开源软件库、相关资讯、讨论区、博客……
Arduino中文社区 Arduino相关程序、项目、想法、资料
掌控版社区 教程、项目作品、论坛答疑交流、软件下载、硬件获取渠道
DF创客社区 一个创客和创客教育者学习与分享的平台，为学生和老师提供丰富的中文学习视频教材、项目分享及常见问题解决方案
03
新知讲解
我选择在开源中国平台分享机器人，以下是一般步骤：
注册登录。
创建项目：填写项目名称、项目描述、项目标签等，你对项目名称的明确表达。
上传代码与文档：将跟随机器人的代码整理好，确保代码的可读性和可理解性。除了代码，还需要上传相关的文档。文档可以包括机器人的设计文档、使用说明、测试报告等。
发布项目：在完成以上步骤后，仔细检查项目的信息、代码和文档是否上传完整且正确。
05
拓展延伸
智能跟随机器人
除了利用超声波探测距离来实现智能机器人的跟随功能，还有其他方法吗
当然有啦！现在人工智能技术越来越成熟了，利用人工智能的相关技术可以更灵活地实现跟随。
05
拓展延伸
智能跟随机器人
哇，听上去很棒！可以举个例子吗
比如在机器人的头部安装 A 摄像头，使机器人不仅除了可以识别障碍物，还可以通过识别主人的脸部特征辨别主人。
05
拓展延伸
智能跟随机器人
既然识别人脸可以实现跟随，那是不是也可以通过识别人体其他特征实现跟随呢
你太聪明了！没错，智能机器人确实可以通过人体识别实现智能跟随，不仅如此，它还能通过识别宠物实现智能跟随。
05
拓展延伸
机器人跟随验证测试需要在什么样的环境下进行？
光线条件稳定的房间：
室内环境的光线相对比较容易控制。例如在实验室或者专门的测试房间里，稳定的光线可以让机器人的视觉传感器更好地工作。
空间布局简单的场所：
选择空间开阔、没有太多障碍物的室内环境很重要。比如在一个空旷的仓库或者大型会议室进行测试。
05
拓展延伸
天气良好的开阔场地：
在室外进行测试时，最好选择晴朗、无风或者微风的天气。在开阔的操场或者广场上，机器人可以有足够的空间进行跟随动作。
干扰因素少的区域：
要尽量避开人流、车流密集和有大量电磁干扰的区域。比如不能在交通繁忙的马路边或者高压线附近进行测试。
机器人跟随验证测试需要在什么样的环境下进行？
05
拓展延伸
机器人是通过什么原理来实现跟随功能的？
视觉识别原理：
基于特征匹配机器人通过摄像头捕捉周围环境的图像。光流是指图像中模式运动的速度。机器人利用光流法分析图像中像素的运动。
传感器感应原理：
机器人装备有红外线传感器。超声波传感器可以发出超声波并接收反射波。机器人通过计算超声波从发出到返回的时间来确定与目标物体之间的距离。
05
拓展延伸
机器学习与深度学习原理：
神经网络模型通过大量的标记数据对神经网络进行训练。神经网络模型通过大量的标记数据对神经网络进行训练。
惯性导航与定位原理（辅助）：
机器人内部有惯性测量单元（IMU），它可以测量机器人自身的加速度、角速度等信息。
机器人是通过什么原理来实现跟随功能的？
05
拓展延伸
当机器人电量不足时，它会如何处理正在进行的跟随任务？
机器人可以通过连接的通信系统，向控制中心或用户终端发送电量不足的警报信息。这个信息可能包括机器人的当前位置、剩余电量估计等内容。这样，操作人员就可以及时采取措施，比如手动将机器人移动到充电位置或者对机器人的任务进行重新安排。在一些仓储物流场景中，当搬运机器人电量不足时，它会向仓库管理系统发送警报，工作人员可以根据实际情况，优先处理该机器人所负责的货物，或者安排其他机器人协助其返回充电。
05
拓展延伸
当遇到障碍物遮挡时，机器人会采取什么策略？
当遇到障碍物遮挡跟随对象时，机器人会采取以下策略。
基于历史运动数据：机器人会记录跟随对象在被遮挡之前的运动速度、方向和加速度等历史数据。
结合环境信息推测：机器人可以利用预先存储的环境地图或者通过传感器实时感知环境来推测跟随对象的可能路径。
视觉与其他传感器结合：如果机器人主要依靠视觉来跟随对象，当视觉被遮挡时，它会启动其他辅助传感器。
06
活动日志
活动日志 班级：XX 姓名：XX
活动名称 机器人的跟随验证—测试与功能优化
活动环节 1口 2口 3口 4口（在对应环节画V）
活动完成内容 跟随功能分析、跟随功能的实现、调试优化与分享
活动完成度 口口口口口口口口口(100%)
活动小结 问题与反思：环境适应性问题。
改进的方法：传感器优化与融合。
06
活动日志
知识回顾
自制开源机器人—机电结合控制系统
走进机器人—科幻与现实
避障机器人—感知障碍与行动规划
避障功能的调试—强化感知并优化算法
机器人的跟随验证—测试与功能优化
想象世界中的机器人
现实世界中的机器人
开源机器人
感知障碍物—做出行动规划
知识准备
器材准备
项目体验—避障机器人
跟随功能分析
跟随功能的实现
调试优化与分享
输入—环境感知不足
控制与输出—算法的优化
06
活动日志
过程与收获
1.对机器人知识进行学习 。
2.进行避障机器人感知障碍的学习，认识到理论与实际之间的差距。
3.对避障功能进行调试 。
4. 进行机器人跟随的验证。
成果与交流
各小组成员将本组完成的项目创意文稿及相关记录文档和同学进行交流在班级上进行展示，和老师或同学共享成果，分享快乐。
06
活动日志
在参与自制开源机器人—机电结合控制系统的学习过程中，我深入了解了机械结构与电子控制系统之间的紧密关系。在机械方面，学会了如何设计和组装机器人的框架、关节和传动系统，以确保机器人具备稳定的结构和灵活的运动能力。同时，也明白了不同材料的特性和适用场景，能够根据实际需求选择合适的机械部件。它不仅提升了我的专业技能，还培养了我的团队合作精神和创新意识。
06
活动日志
自评与他评
评价内容 自我评价 教师评价
1.项目的完成度 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
2.分工协作的合理性 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
3.演讲展示的表现能力 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
4.解决问题的综合能力 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
07
课堂总结
1
引入新知内容
机器人的跟随验证—测试与功能优化
2
学习跟随功能分析和实现
3
学习调试优化与分享
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
08
板书设计
机器人的跟随验证—测试与功能优化
1.跟随功能分析
2.跟随功能的实现
3. 调试优化与分享
4.完成课堂练习
5.进行知识拓展
09
课后作业
01
请列举四个在进行机器人跟随验证时需考虑哪些因素？
09
课后作业
02
利用简单材料制作一个简易的跟随装置。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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