资源简介 (共39张PPT)第三单元 第2课避障机器人—感知障碍与行动规划（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801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，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。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。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。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。02新知导入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!02新知导入如果想实现机器人的避障功能，要怎么实现呢？有障碍物，我要转弯。02新知导入思考同学们，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？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。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。02新知导入在我看来，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。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。02新知导入03新知讲解一、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。03新知讲解显示距离行走探测障碍物图3.2.1 避障机器人的功能分析与设计03新知讲解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。03新知讲解二、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。传感器感知信息执行器执行操作下达命令执行器执行操作下达命令核心版处理信息电机电机传输信息图3..2.2 机器人的工作过程03新知讲解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。机器人常用传感器传感器类别 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 声音传感器表3.2.1 机器人常用传感器03新知讲解传感器类别 传感器名称 图片触觉 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 姿态传感器续表：03新知讲解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。认识超声波传感器图3.2.3 超声波传感器03新知讲解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。图3.2.4 超声波传感器的工作原理超声波发射探头超声波接收探头距离值超声波传感器障碍物03新知讲解通常情况下，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。机器人行走03新知讲解前进M1M2打开 MI 电机 正传 速度 60打开 M2 电机 反转 速度 60打开 MI 电机 正传 速度 60打开 M2 电机 反转 速度 60打开 MI 电机 正传 速度 0打开 M2 电机 反转 速度 60打开 MI 电机 正传 速度 60打开 M2 电机 反转 速度 0注：M1 电机为左轮，M2电机为右轮关闭 M1 输出关闭 M2 输出M1M2后退M1M2停止M1M2左转M1右转M2图3.2.5 机器人进行状态对应的代码03新知讲解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。三、器材准备主控板x1 超声波传感器x1 电机x2连接线x1 数据线x1 年轮x2图3.2.6 制作避障机器人的器材清单03新知讲解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。03新知讲解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。四、项目体验—避障机器人图3.2.7 避障机器人电路连接图03新知讲解打开编程软件，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。开始显示超声波的检测距离值超声波检测值≤10？否机器人左转图3.2.8 避障机器人程序流程图机器人前进是03新知讲解模式 普通 不换行OLED 显示生效12c 超声波≤10否则主程序一直重复OLEO 显示 清空OLEO 第1行 显示图3.2.9 主控板控制机器人避障机器人避障程序代码转文本“距离”12c超声波如果打开 MI 电机 正传 速度 0打开 M2 电机 反转 速度 60打开 MI 电机 正传 速度 60打开 M2 电机 反转 速度 6004课堂练习实践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。图3.2.10 避障机器人结构05拓展延伸人与机器人共存之道机器人发展越来越快，会不会有一天超越人类呢？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!05拓展延伸人与机器人共存之道为什么如此确定呢？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。05拓展延伸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：多传感器融合结合不同类型的传感器，如超声波传感器、红外传感器和激光传感器等。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。05拓展延伸如何提高避障机器人对透明障碍物的感知能力？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。优化传感器参数：对于超声波传感器，可以调整发射频率和脉冲宽度等参数。较高的发射频率可能对透明障碍物有更好的响应，但同时也会受到更多的噪声。05拓展延伸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。05拓展延伸对于远距离障碍感知，哪种传感器或技术最为有效？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。05拓展延伸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。05拓展延伸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。06活动日志活动日志 班级：XX 姓名：XX活动名称 避障机器人—感知障碍与行动规划活动环节 1口 2口 3口 4口（在对应环节画V）活动完成内容 感知障碍物—做出行动规划、知识准备、器材准备、项目体验—避障机器人活动完成度 口口口口口口口口口(100%)活动小结 问题与反思：技术难题运动能力不足。改进的方法：研发机械结构驱动技术等。07课堂总结1引入新知内容避障机器人—感知障碍与行动规划2学习感知障碍物—做出行动规划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123455进行相关知识拓展608板书设计避障机器人—感知障碍与行动规划1.进行新知引入2.学习感知障碍物—做出行动规划3. 学习知识准备、器材准备4.学习项目体验—避障机器人5.完成课堂练习6.进行知识拓展09课后作业01利用简单的材料制作一个简易的避障机器人模型。09课后作业02设计一个你心目中的避障机器人，用彩笔把它画出来。https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine 展开更多...... 收起↑ 资源列表 【清华大学出版社】《信息科技》五年级上册第三单元第2课《避障机器人-感知障碍与行动规划》.pptx 引入视频.mp4
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