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第3.2课《避障机器人—感知障碍与行动规划》教学设计
课题 避障机器人—感知障碍与行动规划 单元 第三单元 学科 信息科技 年级 五年级
核心素养目标 信息意识：意识在机器人领域至关重要。它使我们能够敏锐地捕捉到机器人技术的最新动态和发展趋势。 计算思维：能将问题分解是将复杂的任务分解为一系列简单的子任务，以便机器人能够逐步完成。 数字化学习与创新：明白能够了解和掌握机器人技术的新途径，让我们可以随时随地学习机器人编程、设计和应用的知识。信息社会责任：在学习过程中，我们需要思考其对社会、环境和人类的影响。需要遵循伦理道德规范。
教学重点 机器人需具备敏锐的信息意识，时刻关注行业动态与技术发展趋势。
教学难点 机器人需要涉及多个学科领域的知识。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第3.2课 《避障机器人—感知障碍与行动规划》板书课题。1.想要深入认识机器人，可以从开源机器人入手，了解相关的过程与控制原理，还可以自己尝试实现部分功能，比如我们常见的大部分机器人能够感知周围的障碍物，及时调整行进路径，避开障碍物，像这样的避障机器人应用了什么样的原理？制作这样的机器人原型需要什么样的工具和方法？这节课我们一起探索一下吧! 思考：同学们，假设让你们制作一个简易机器人，你们会如何设计？会使用什么技术来实现呢？如果让我制作一个简易机器人，我会从以下几个方面进行设计：外观设计：可以选择一个简洁的几何形状，如圆形、方形或人形，以便于制作和移动。功能设计：选择合适的移动功能设计、感知功能设计、控制功能、交互功能等。材料选择：机身材料轻便、电子元件质量可靠工具配件。如果制作一个简易机器人，可以考虑使用以下技术来实现：传感器技术：红外传感器用于检测障碍物和物体的距离、光敏传感器用于检测环境光线的强度。电机控制技术：直流电机是简易机器人中常用的动力源、舵机用于控制机器人的关节运动，如机器人的手臂或头部。微控制器技术：Arduino是一种广泛使用的开源微控制器平台、Python是一种简单易学的编程语言，具有丰富的库和工具。2.播放视频。 学习新知引入。完成思考问题。观看教学视频。 用开源机器人知识引入课堂。用提问的方式引入课题，增强课堂互动性。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。感知障碍物---做出行动规划当我们要实现机器人的某个功能时，可以从开源机器人着手，研究其功能背后实现的原理。机器人具有感知能力，并能根据感知到的信息做出行动规划。要实现机器人的某个功能，我们需要思考机器人需要感知哪些信息？感知到信息后，机器人要做什么样的行动规划？以避障机器人为例，避障机器人需要具有感知障碍物的能力，能够通过对障碍物的距离判断来规划行走路线。比如在机器人行进过程中，当前方有障碍物挡住前进的道路时，机器人可以转弯以避开障碍物，再继续前进，如图 3.2.1所示。因此，避障机器人的功能可以归结为自动行走、感知障碍物并显示与障碍物之间距离、躲避障碍物等基础功能。课堂活动大家想要实现一个具备怎样功能的机器人呢？请分析你想要设计的机器人的功能。学习助手功能：回答各种问题并能够快速准确地回答主人的问题，包括历史、科学、文化等方面的知识。可以通过连接互联网获取最新的信息。健康管理功能：健康检测及运动检测、健康提醒紧急救援等。家庭助手功能：扫地和拖地能够自动清洁地面，识别不同的地面材质并调整清洁方式，紧急救援在紧急情况下，能够拨打急救电话或联系家人。社交互动功能：陪伴主人参加社交活动，如聚会、旅行等。二、知识准备机器人的工作过程(见图 3.2.2)一般是通过感知系统(输入)获取外部信息，然后将这些信息发送给控制系统(控制)进行处理，控制系统通过运算后给出处理方案，将方案结果发送给执行系统(输出)执行相应的操作，如机器人行走。机器人常用传感器机器人的感知系统通常是各种传感器，这些传感器就相当于机器人的眼、耳、口、鼻。根据功能的不同进行分类，常见的机器人传感器如表3.2.1所示。传感器类别传感器名称图片视觉摄像头或视觉传感器距离超声波传感器（可用于超声波定位、测距、避障等应用场景）听觉声音传感器触觉按键传感器环境温湿度传感器红外循迹传感器（通过发射和接收红外线检测黑线、白线）姿态姿态传感器认识超声波传感器避障机器人可以使用超声波传感器作为感知系统，当感知到前面有障碍物时，会将障碍物与机器人之间的距离数据发送给控制系统，控制系统做出相应处理。在这里超声波就相当于避障机器人的眼睛。超声波传感器(见图3.2.3)是将超声波信号转换成其他信号(通常是电信号)的传感器。超声波传感器的工作原理(见图3.2.4)是从发射探头发射超声波，超声波会在空气中传播，当遇到障碍物时会将超声波反弹回来，根据发射和接收的时间差及声波的传输速度，从而计算出超声波与障碍物之间的距离。机器人行走通常情况下，机器人行走有前进、后退、左转、右转和停止等情况。以轮式机器人为例，当左、右两个轮子以同样的速度往同一个方向转动时，机器人就前进或后退(由于左、右两个轮子在机器人上往往是对称安装的，所以两个轮子通常转向相反，才能实现往同一方向转动)。当两个轮子的转速存在差别时，机器人就会转弯，即当左轮慢(停)，右轮快时，机器人就左转;当左轮快，右轮慢(停)时，机器人就右转。当左、右两个轮子停止转动时，机器人就停止。控制机器人前进、后退、左转、右转和停止的程序代码如图 3.2.5 所示。器材准备分析了机器人的功能之后，根据机器人的功能准备相关器材。如避障机器人感知障碍物用什么感知设备可以实现呢 常见的有超声波传感器、雷达传感器、红外探测传感器、摄像头等。避障机器人的行走功能用什么设备来实现需要根据机器人的形态来定，例如轮式机器人可以使用电机来实现行走，像双足、四足等机器人可以使用舵机等设备来执行行走的功能。制作避障机器人的器材清单如图 3.2.6 所示。课堂活动要实现避障机器人的相关功能，同学们会选择哪些器材呢？微控制器：如 Arduino、Raspberry Pi 等。这些微控制器可以接收传感器的信号，并根据预设的算法控制机器人的运动。电机：可以选择直流电机或步进电机。直流电机速度快、扭矩大，但控制精度相对较低；步进电机控制精度高，但速度和扭矩相对较小。电池：为机器人提供动力。可以选择锂电池、镍氢电池等车架：可以使用铝合金、塑料等材料制作机器人的车架，确保机器人的结构稳定。四、项目体验—避障机器人实现避障机器人的功能可按照以下方式，利用连接线将超声波传感器和电机连接到主控板上，如图 3.2.7 所示。打开编程软件，根据避障机器人的功能梳理程序流程图(见图3.2.8)，并编写程序(见图3.2.9)实现避障机器人的功能，即显示当前障碍物到超声波的距离。当遇到障碍物时，机器人转弯(可以选择左转实现，也可以选择右转实现)，从而避开障碍物以避免停滞不前，而转弯后，如果没有障碍物，那么机器人继续前进。五、课堂练习请同学们编写避障机器人的程序，并使用积木将避障机器人的结构搭建出来，如图3.2.10所示。避障机器人程序Python 示例：导入所需的库，设置 GPIO 引脚，定义超声波传感器测量距离的函数，主循环实现避障逻辑，清理 GPIO 资源。积木搭建避障机器人结构：底座、驱动部分、传感器安装、控制部分、装饰和加固。六、拓展延伸1.人与机器人共存之道问：机器人发展越来越快，会不会有一天超越人类呢？答：这个问题目前完全没必要担忧，虽然现在很多影视作品中经常会出现机器人发展成高级智能后就会伤害人类的现象，但是现实与科幻之间还相距甚远!问：为什么如此确定呢？答：人们创造机器人的目的是让它们服务人类社会。人们在研究和使用机器人的同时也为机器人制定了以下规则。第一：机器人不得伤害人类，或任由人类受到伤害而无所作为;第二：机器人应服从人类的一切命令，但命令与第一条相抵触时例外;第三：机器人必须保护自己的存在，但不得与第一、第二条相抵触。机器人三大法则的存在使机器人不会对人类做出伤害行为。2.如何提高避障机器人对透明障碍物的感知能力？传感器选择与优化：手术机器人可以帮助医生进行高精度的手术操作，如微创手术等。信号处理与算法改进：信号增强算法采用信号增强技术，如滤波、放大和降噪等，提高传感器接收到的信号质量。环境适应与辅助手段：光照控制调整机器人周围的光照条件，以提高对透明障碍物的感知能力。标记或涂层，在透明障碍物上添加标记或涂层，使其更容易被传感器检测到。3、对于远距离障碍感知，哪种传感器或技术最为有效？激光雷达：激光雷达通过发射激光束并测量反射光的时间来确定目标物体的距离。它可以快速扫描周围环境，生成高精度的三维点云数据。毫米波雷达:毫米波雷达利用毫米波频段的电磁波来检测目标物体。它通过发射毫米波信号并接收反射信号。视觉传感器与深度学习技术结合：智能玩具机器人可以与儿童进行互动游戏，讲故事、唱歌、回答问题等，激发儿童的想象力和创造力。双目视觉传感器：使用两个摄像头模拟人类的双眼，通过对两个摄像头拍摄的图像进行分析和处理，计算出物体的距离和深度信息。4、如何确保避障机器人在行动规划过程中的安全性和稳定性？硬件设计方面：传感器选择与优化多传感器融合采用多种类型的传感器，校准与维护定期对传感器进行校准，确保其测量数据的准确性。软件算法方面：实时环境感知采用高效的算法对传感器数据进行实时处理；建立准确的环境模型，以便机器人能够更好地规划行动路径。测试与验证方面：软件仿真利用机器人仿真软件，在虚拟环境中对机器人的行动规划算法进行测试和验证。5、未来避障机器人的技术发展趋势是什么？未来避障机器人的技术发展趋势主要包括以下几个方面：人工智能与机器学习的深度融合：机器学习和深度学习算法将在避障机器人中得到更广泛的应用和深入的发展。机器人能够通过大量的数据训练提高对不同场景的适应性。通信技术的发展：高速、低延迟通信随着 5G 等高速通信技术的普及，避障机器人的通信速度和稳定性将得到极大的提升，提高对复杂环境的应对能力。 学习感知障碍物—做出行动规划的知识。根据所学内容提出课堂活动问题。学习机器人有关知识。学习机器人器材准备提出问题进行课堂活动。对避障机器人项目进行体验。进行课堂练习。学习知识拓展。。 初步学习，锻炼学生的学习能力和观察能力。增加课堂趣味性。带领学生认识并学习。通过学习为后面内容进行铺垫。通过问题，培养学生思考能力。进行实践项目体验进一步加深所学知识。巩固加深所学内容。对所学内容进行知识延伸。
课堂小结 避障机器人—感知障碍与行动规划1、引入新知内容2、学习感知障碍物—做出行动与规划3、学习知识准备、器材准备4、学习项目体验—避障机器人5、完成课题练习6、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 利用简单的材料制作一个简易的避障机器人模型。设计一个你心目中的避障机器人，用彩笔把他画出来。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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