资源简介

(共43张PPT)
活动2
设计并制作简易
防碰撞行车系统
（黔科版）六年级
01
教学目标
02
课堂导入
03
学习目标
04
分析与设计
05
准备与制作
06
运行测试
08
拓展延伸
09
课堂小结
10
板书设计
07
单元小结
01
教学目标
1、信息意识：能够认识到在行车系统中，信息（如距离、速度）的重要性，并理解如何通过传感器获取这些信息。
2、计算思维：能够将复杂的防碰撞问题分解为可管理的子问题，如距离测量、速度计算、决策制定等。
3、数字化学习与创新：能够思考如何改进现有的行车安全系统，添加新的传感器或改进算法来提高系统的准确性和效率。
4、信息社会责任：能够理解安全性、法律伦理问题以及对未来工作市场的潜在影响。
随着人们生活质量的提高，家庭用车数量不断增加。车辆虽然带来了出行的舒适和便利，但也使交通安全事故不断增多，尤其是车辆与行人、建筑物障碍物碰撞所引发的安全事故。如果在车辆上安装一套防碰撞行车控制装置根据车辆与行人或障碍物之间的距离来控制车速，就可以有效避免碰撞事故的发生，如图3-2-1所示。本活动让我们通过动手制作一个简易的防碰撞行车系统，来深入探究控制系统中的反馈原理。
02
课堂导入
图3-2-1
02
课堂导入
你将学到
★防碰撞小车的原理是什么
★如何设计并制作一个简易的防碰撞行车系统
1.分析与设计
2.准备与制作
活动向导
3.运行测试
知识拓展
02
课堂导入
03
分析与设计
本系统通过超声波传感器探测车辆与前方行人或障碍物的距离，并将探测结果反馈给输入环节。随后，系统将反馈回来的距离与预设的安全停车距离进行比较，如果小车与障碍物之间的距离大于安全距离，系统会控制车辆正常行驶;如果小车与障碍物的距离小于安全距离，系统会控制车辆减速行驶;如果小车与障碍物的距离已接近预警的危险距离，系统会控制车辆停止行驶。
03
分析与设计
超声波传感器是一种将超声波信号转换成其他信号(主要是电信号)的传感器。其原理来源于蝙蝠发出超声波进行定位。超声波传感器广泛应用于工业、国防、生物医学等领域。
小贴士
03
分析与设计
请完成防碰撞小车的控制系统框图(图3-2-2)。
做一做
图3-2-2
预设安全距离
超声波传感器
电机驱动器
小车本身
点击转速
车辆位置
传感器
05
分析与设计
知识拓展
防碰撞小车的原理是什么
一、传感器技术：防碰撞小车通常配备有多种传感器，如雷达、激光雷达（LiDAR）、摄像头等，这些传感器负责收集车辆周围环境的信息。
雷达通过发射电磁波并接收反射信号来测量与前方物体的距离和速度。
激光雷达则通过发射激光束并接收其反射信号来获取高精度的距离信息。
摄像头提供丰富的图像信息，有助于识别行人、交通标志等道路特征。
二、数据处理：收集到的传感器数据会被传输到数据处理单元，通常是车辆的中央控制系统。
06
准备与制作
(1)准备硬件器材
本实验可以使用电子开发板作为控制器，需要准备超声波传感器、减速电机和小车运动套件等器材。另外，由于电子开发板上的接口有限，需要配备与之相匹配的拓展板，用来连接超声波传感器、小车上的减速电机等输入输出设备。
同时，简易防碰撞行车系统制作完成以后，需要外接电源进行测试，因此，还需要准备移动电源。
06
准备与制作
减速电机是电机与减速器的集合体，主要为设备提供动力驱动。
小贴士
06
准备与制作
数字化学习
上网查阅相关资料，学习超声波传感器、减速电机、拓展板的使用方法。
一、了解原理：超声波传感器通过发射和接收超声波来测量物体的距离。它由一个超声波发射器和一个接收器组成，当发射器发出的超声波遇到障碍物时会被反射回来，接收器接收到反射波后，根据声波的传播时间来计算距离。
二、连接电路：将超声波传感器的引脚连接到Arduino或其他微控制器上。通常，超声波传感器有三个引脚：VCC、GND和信号引脚。VCC接电源正极，GND接地，信号引脚接到微控制器的数字输入引脚上。
06
准备与制作
想一想
超声波传感器可以用红外传感器替代吗 为什么
一、不可以
工作原理：超声波传感器：利用超声波在介质中传播时反射或衍射产生的信号进行测量。红外传感器：通过红外线的反射、吸收或发射等方式进行测量。
环境适应性：超声波传感器：可以在黑暗环境中工作，对光线变化不敏感。红外传感器：可能受到温度变化、阳光直射等环境因素的影响，从而影响其准确性。
06
准备与制作
分析本实验需要的各种器材的功能和数量，填写表3-2-1。
做一做
器材名称 功能 数量
Arduino主控板
1
作为系统的核心控制器，处理传感器数据
超声波传感器
2
用于测量与前方障碍物的距离
红外避障传感器
4
近距离障碍物检测，防止车辆与其发生碰撞
直流电机
2
驱动车辆前进、后退或转向
电机驱动模块
1
提供电机驱动能力，控制直流电机的速度
电源模块
1
为整个系统提供稳定的电源供应
面包板
1
用于搭建电路原型，便于连接各种电子元件
跳线
若干
用于连接各个电子元件之间的电气连接
杜邦线
若干
用于连接与其他电子元件之间的信号传输
06
准备与制作
(2)连接硬件器材搭建防碰撞小车
一方面，本实验中涉及的电子开发板、超声波传感器、小车运动套件都需要连接到拓展板上;另一方面，这些器材都要安装在小车上。为了保证测试过程中小车运行安全平稳，小车及车上的器材安装要牢固不脱落，各种连接线也要结实不松动。作品样例如图 3-2-3 所示。
图 3-2-3
06
准备与制作
组装过程中，需要使用专业的工具。组装时，要遵守操作规范，注意安全防护。
小贴士
06
准备与制作
以小组为单位设计简易防碰撞小车。将主控板、扩展板、超声波传感器和减速电机固定在小车适当的位置上，并将车轮安装到减速电机上。比一比，看谁的小车更牢固、更美观、更实用。
做一做
06
准备与制作
(3)编写程序
在本实验中，除了电子开发板以外,还需要用到超声波传感器、拓展板(含电机驱动模块)等器材。在启动编程软件后，首先要在开发环境中选择对应的器材类型，如图 3-2-4所示。
图 3-2-4
06
准备与制作
06
准备与制作
06
准备与制作
超声波传感器有很多类型，不同类型的超声波传感器在程序编写时，功能图块略有不同。
小贴士
06
准备与制作
设备类型设置完成后，图形化编程环境会自动添加相应的程序功能图块。利用超声波传感器的功能图块能够获取超声波传感器测量到的与障碍物之间的距离值;利用扩展板中的电机功能图块能够控制电机工作，如图3-2-5所示。
图 3-2-5
06
准备与制作
想一想
如何能知道小车与障碍物之间的真实距离值与超声波传感器的测量值是相符的
一、初始化Arduino的各个引脚，设置超声波传感器的Trig和Echo引脚为输出和输入模式。
二、编写函数来发送超声波脉冲并接收回波信号，计算超声波从发射到返回的时间差。
三、根据时间差和声速（通常在空气中约为340m/s）计算障碍物的距离。
使用L298N电机驱动模块控制直流电机的运动，使小车前进或后退。
06
准备与制作
1、在本实验中，小车的行驶状态和小车与障碍物的距离密切相关填写表 3-2-2，预估小车在不同的行驶状态下与障碍物距离的关系。
做一做
正常行驶 减速行驶 停止行驶
小车与障碍物的距离
大于200cm
小于100cm
小于50cm
06
准备与制作
2、图3-2-6 是简易防碰撞行车系统的算法流程图(局部)，请将其补充完整，并完成编程。
做一做
06
准备与制作
上一题答案如下：
1、 2、 3、
4、 5、 6、
7、 8、 9、
10、 11、
做一做
200cm
100cm
M1
200
正常行驶
L>S1
输出电机M1以速度100转动
减速行驶
电机M1停止
小车停止
程序结束
05
准备与制作
知识拓展
如何设计并制作一个简易的防碰撞行车系统
一、测试与调试
将小车放置在平坦的地面上，启动程序并观察小车的行为。
调整超声波传感器的位置和角度，确保其能够准确测量前方障碍物的距离。
如果发现测量值与实际距离不符，可以检查超声波传感器的安装位置、方向以及程序中的参数设置是否正确。
根据需要调整L298N电机驱动模块的控制逻辑，以优化小车的避障性能
06
运行测试
简易防碰撞行车系统搭建完成后,上传代码至电子开发板,运行测试该系统。
06
运行测试
做一做
用电池组或充电宝给防碰撞行车系统供电，将小车放在前方有障碍物的环境中进行测试，检验你的小车能否根据与前方障碍物的距离改变运行状态，以及是否发生了碰撞。
小车与障碍物的距离 小车的运行状态
测试结论：
200cm
正常行走
150cm
正常行走
80cm
减速行走
20cm
停止行走
小车在不同距离有不同速度不会发生碰撞
06
运行测试
挑战时刻
针对你的简易防碰撞行车系统，提出一个优化改进方案，实现以下功能:
1、使其能够计算并显示小车的行驶速度!
2、使小车能够根据其与障碍物的距离发出提醒音、警告音及相应的灯光提醒等。
器材准备
算法设计
程序实现
小车、电源、显示器、警示灯、传感器、小喇叭
当距离大于200cm,正常行驶，绿灯无声音。
当距离小于200cm大于100cm,橙灯小声音。
当距离小于50cm,红灯大小声音。
07
单元小结
07
单元小结
说一说
通过本单元的学习，你有哪些收获
不仅掌握了控制系统的基本概念和描述方法，还学会了如何使用开环控制系统和闭环控制系统。更重要的是，我在学习过程中锻炼了自己的逻辑思维能力，提升了沟通与协作能力，并对计算机科学产生了浓厚的兴趣。我相信，这些知识和技能将对我未来的学习和职业发展产生积极的影响。我期待在未来的学习中，能够深入学习更多关于控制系统的知识，掌握更多实用的技能。
07
单元小结
评一评
评价项目 自我评价 小组评价
了解开环控制系统的含义和特点
了解闭环控制系统的含义
能和小组成员一起合作完成防碰撞小车的设计与制作
能体会反馈的意义和作用，并将其应用于设计和优化
07
单元小结
评一评
教师评语
在《控制系统》这一单元的学习中表现出色。他不仅掌握了这一单元的核心概念和技术，还展示了出色的实践能力和创新思维。
07
拓展延伸
1、红外传感器的原理
07
拓展延伸
2、传感器在日常生活中造成了哪些影响？
(1)健康监测：智能手环和手表等设备内置的传感器能够实时监测用户的心率、血压、睡眠质量等健康指标，帮助用户更好地了解自己的身体状况，并及时采取相应的健康管理措施。
（2）家居自动化：智能家居系统中的温度传感器、湿度传感器、光线传感器等能够自动调节室内环境，提高居住舒适度，同时节约能源。例如，智能空调可以根据室内温度自动调节制冷或制热模式。
（3）安全监控：摄像头和运动传感器等安防设备可以实时监控家庭或公共场所的安全状况，一旦检测到异常情况，立即发出警报或通知相关人员。
07
拓展延伸
3、生活中传感器给我们带来哪些优势？
(1)提高效率：传感器可以自动收集和处理数据，减少人工干预的需求，从而提高工作效率。例如，在工业生产线上安装传感器可以实现自动化生产流程控制。
（2）增强安全性：传感器能够实时监测环境中的变化，并在必要时发出警报或采取紧急措施。例如，烟雾探测器可以在火灾初期就发现火源并发出警报，避免更大的损失。
（3）改善生活质量：智能家居系统中的传感器可以根据用户的习惯和偏好自动调节室内环境（如温度、湿度），提高居住舒适度。
07
拓展延伸
4、我们如何更好地学习传感器？
(1） 基础知识：首先需要了解传感器的基本概念和工作原理。包括传感器的定义、分类以及它们是如何将物理量转换为电信号的过程。可以通过阅读教材、在线课程或参加相关的培训课程来学习这些基础知识。
（2）实践操作：理论联系实际是非常重要的。可以尝试自己动手制作一些简单的传感器电路，比如温度传感器、光敏传感器等。通过实际操作来加深对理论知识的理解。
（3）项目实践：参与一些实际的项目或者比赛是一个很好的学习方式。可以选择一些开源硬件平台（如Arduino、Raspberry Pi等）来进行项目开发。
08
课堂小结
《设计并制作简易防碰撞行车系统》课程小结： 不仅让我们了解了自动驾驶和智能交通系统的基本原理，还让我们亲身体验了动手制作的乐趣。通过这节课的学习，我们对智能交通系统产生了浓厚的兴趣。未来，我们希望能够继续深入学习相关知识，并尝试参与更多的实践活动。我们相信，随着技术的不断进步，自动驾驶汽车将会越来越普及，而我们作为新时代的年轻人，应该积极拥抱变化，努力学习新知识，为推动科技进步贡献自己的力量。
09
板书设计
设计并制作简易防碰撞行车系统
一、分析与设计
二、准备与制作
三、运行测试
课后作业
1、在父母陪同在网上查找简易无线防撞车制作的硬件、网购回来之后在父母的陪同下建议制作。
https：//www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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