资源简介

超声波传感器
课题：超声波传感器（第2章
第3节
第1课时）
一、教材分析
本课是第2
章第3节第1课时，主要讲述了超声波传感器及倒车避障机器人的原理及算法。这部分教学内容是后续课程的基础，起到了一个知识储备的作用。
二、学情分析
在本节课学习之前，学生已经学习过红外传感器、灰度传感器，可以说在传感器的应用方面已经具备了一定的基础知识，这些都为超声波传感器的学习提供了帮助，将更加有利于学生完成本节课的学习任务，掌握本节课的知识内容。
三、教学目标和要求
学生了解超声波传感器的结构、原理及应用；理解倒车避障机器人的原理和算法；具备一定的读程能力及编程能力；增强学生的团队精神、创新意识及创造能力。
四、教学重点与难点
1.
重点
（1）超声波传感器的工作原理。
（2）相关程序的修改、编写、调试、理解。
2.
难点
（1）程序的编写调试。
（2）倒车避障机器人算法的理解。
五、教学方法
讲授指导法
合作学习法
项目教学法。
六、教学过程
（一）情境导入
1.
教师活动与学生活动
教师：同学们，蝙蝠一般都在夜间飞行，还能捕捉飞蛾和蚊子；而且无论怎么飞，都不会和东西相撞，即使一根极细的电线，它也能灵巧地避开。难道它的眼睛特别敏锐，能在漆黑的夜里看清楚所有的东西吗？蝙蝠能够在夜间安全地飞行依靠的是什么？
学生：积极讨论，充满探索欲望。
教师：蝙蝠利用的是声音和耳朵。它一边飞，一边从嘴里发出一种声音。这种声音叫做超声波，人的耳朵是听不见的，蝙蝠的耳朵却能听见。超声波像波浪一样向前推进，遇到障碍物就反射回来，传到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠就立刻改变飞行的方向。
引出主题：今天我们就将围绕“超声波”来开启学习之旅。
2.
设计意图
通过蝙蝠夜间飞行的这一具体情境导入，激发学生的探究欲望，引出教学内容。
（二）介绍超声波及超声波传感器
1.
教师活动与学生活动
通常人类耳朵能听到的声波频率为20Hz~20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线
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利用超声波的方向性强，可以反射和折射的原理，把超声波发射出去，遇到障碍物被反射回来，由接收器接收，再计算从发射到接收到反射波所用时间来获取距离的传感器，称为超声波传感器。（可以适当展示超声波传感器的原理图和传感器的照片）
2.
设计意图
通过讲解让学生充分地理解超声波传感器的原理，这样不仅仅能够丰富学生的知识储备，同时也能够激发学生的学习积极性和主动性。
（三）超声波传感器的算法原理
1.
教师活动与学生活动
教师：同学们，能不能在我们的身边找一个超声波传感器的应用实例呢？
学生：积极讨论，给出很多答案。填写项目实验报告一。
教师：给出预设答案——我们身边最常见的超声波传感器的应用就是汽车倒车雷达，倒车雷达的主要部件就是超声波传感器。那么倒车雷达的工作流程是怎样的呢？（倒车的工作流程算法）
图1
2.
设计意图
知己知彼才能百战不殆，知晓原理就是成功的一半。通过这部分内容的讲解培养学生运用算法思维分析问题、解决问题的能力。
（四）项目实训
1.
初阶项目（项目描述见教材）
（1）教师活动与学生活动
学生：在机器人平台软件中打开“超声波.dat”文件，在机器人上安装超声波传感器，然后结合上面的工作流程图初步了解程序的算法及功能。
教师：简单介绍超声波传感器的安装，然后通过“超声波.dat”文件，分析超声波传感器的算法及原理。
注意：讲解过程中强调程序中“CSB()”是超声波传感器测得的距离值。“CSB()”三个字母必须大写，括号必须是英文字符。（可通过操作把设定的过程展示给学生）
学生：学生把程序下载到机器人上，运行机器人并观察机器人的运行情况。完成项目实验报告二。
表1　超声波.dat程序截图及分析
程序截图
C代码
思考实践
本机器人都用到了哪些构件和控件？超声波传感器的安装位置和方向？机器人倒车时电机的方向应该怎么设置？机器人的倒车速度和什么有关？尝试修改程序中的停车距离默认值，看看默认值最小能够设定为多少？观察机器人是否能在规定的距离范围内停止。（可以让学生多修改几次，加深理解）
（2）设计意图
通过对“超声波.dat”程序的分析，学生进一步了解超声波传感器的工作原理及算法，把枯燥的概念通过程序形象化，变抽象为形象，激发学生的学习兴趣。同时通过让学生修改程序参数、调试程序，培养学生观察能力、探究能力，形成思考的习惯。
2.
项目优化
（1）教师活动与学生活动
在倒车的过程中速度都是先快后慢，机器人在倒车过程中也可以实现这一点。机器人在倒车过程中通过超声波传感器循环测量到挡板的距离，可以根据距离的不同设置机器人的运行速度，当退到最小距离时停止。
图2　工作算法图
任务：尝试动手修改程序，在“超声波.dat”程序的基础上添加流程控制，实现倒车过程中倒车速度和超声波传感器测得实时距离的联动。完成项目实验报告三。
任务解读：任务的核心是在“超声波.dat”程序的基础上添加流程控制（即双分支或条件循环），实现倒车时速度控制。
（2）设计意图
这里进一步把程序和现实生活进行联系，理论联系实际，促进学生的学习和理解。同时培养学生根据实际需求选择最佳设计方案的能力。
3.
项目实践
（1）教师活动与学生活动
在理解“超声波.dat”基础上，分小组合作，尝试编写获取超声波传感器实时数据的程序，并进行实践测量。
表2
程序截图
程序说明
C代码
测量距离的程序；程序开始；定义一个变量jl；循环开始；把超声波传感器测得的距离赋值给变量jl；显示jl的值；循环结束。
教师：重点强调机器人是如何获得超声波传感器测到的实时距离值，引导学生思考。（运用条件循环）
学生：编写调试程序，并完成项目实验报告四。
（2）设计意图
通过倒车程序“超声波.dat”及“超声波传感器测距程序”的分析和讲解，进一步加深学生对于超声波传感器工作原理及工作算法的理解，促进后续内容的学习。
4.
项目进阶——避障机器人的学习
（1）教师活动与学生活动
在日常驾车倒车过程中，需要先避开障碍物然后才能继续倒车，那么机器人在倒车过程中是如何进行避障的呢？
学生：积极发言，讨论机器人如何避障。
教师：引导学生回答，并和学生一起总结出倒车过程中避障的方法。（超声波传感器检测到需要避开的障碍物→进行转向避障操作）
学生：打开“倒车避障.dat”文件，根据总结出的避障方法去尝试分析程序、读懂程序、理解程序。
教师：在倒车避障的过程中还需要注意什么？（避障距离的控制、机器人本身的大小等等）
学生：把程序下载到机器人上并运行，尝试在实验场地放置障碍物，检验程序的有效性，进一步总结出用超声波传感器倒车避障时的注意事项。完成项目实验报告五。
（2）设计意图
通过分析程序、读懂程序、理解程序这一过程，让学生对于倒车避障的原理更加熟悉；通过让学生实践测试程序让学生对于抽象的程序算法有更加理性的认识，让学生知其然并知其所以然，在实践中出真知。
（五）课堂总结
1.
教师活动与学生活动
（1）和学生一起回顾并总结这节课的学习内容：超声波传感器及其相关应用。
（2）交流课堂体会，把核心重难点进行提纲要领的总结。
（3）拓展探究，展望运用。
2.
设计意图
通过总结给学生一个完整的知识体系，加深学生理解。
附表：
超声波传感器项目学习实验报告
班级：
组号：
组员姓名：
一、请尝试写出几个超声波传感器的应用方面和领域。
二、初阶项目
1.
机器人都用到了哪些主要构件：
2.
机器人都用到了哪些控件：
3.
超声波传感器测得的距离值怎么表示：
4.
机器人倒车时电机的方向:
三、项目优化
1.
优化过程中主要用到了什么控件：
2.
简述一下如何实现倒车过程中速度的分段控制的。
四、项目实践
1.
编写程序获取超声波传感器实时数据。
2.
程序中定义的变量是：
3.
程序中用到了哪几个控件：
5、项目进阶
1.
简述避障的方法。
2.
在避障过程中需要注意哪些方面？(共18张PPT)
蝙蝠一般都在夜间活动，同学们知道蝙蝠在
夜间是如何飞行的吗？
蝙蝠能够在夜间飞行和捕捉食物依靠的是：超声波！
超声波是什么？
通常人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20
000Hz。
我们把频率高于20
000赫兹的声波称为“超声波”。
超声波的特点？
它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向
性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波传感器及原理
利用超声波的方向性强，可以反射和折射的原理，把超声波发射出去，遇到障碍物被反射回来，由接收器接收，再计算从发射到接收到反射波所用时间来获取距离的传感器，称之为超声波传感器。
距离=声速×时间÷2
超声波传感器的应用
超声波在生活中最常见的应用——倒车雷达及其工作流程算法
试一试：在机器人平台软件中打开“超声波.dat”文件，在机器人上安装超声波传感器，然后结合上面的工作流程图初步了解程序的算法及功能。
做一做：把程序下载到机器人上，运行机器人并观察机器人的运行情况。完成项目实验报告二。
代码展示
注意：“CSB()”是超声波传感器测得的距离值。
“CSB()”三个字母必须大写，括号必须
是英文字符。
项目程序优化：生活中，在倒车的过程中速度都是先快后慢，机器人在倒车过程中也可以实现这一点。机器人在倒车过程中通过超声波传感器循环测量到挡板的距离，可以根据距离的不同设置机器人的运行速度，当退到最小距离时停止。
试一试：尝试动手修改程序，在“超声波.dat”程序的基础上添加流程控制，实现倒车过程中倒车速度和超声波传感器测得实时距离的联动。完成项目实验报告三。
项目实践：在理解“超声波.dat”基础上，按照小组合作，尝试编写获取超声波传感器实时数据的程序，并进行实践测量。
程序代码
做一做：编写调试程序，并完成项目实验报告四
项目进阶——避障机器人的学习
在日常驾车倒车过程中，需要先避开障碍物然后才能继续倒车，那么机器人在倒车过程中是如何进行避障的呢？
超声波传感器检测到需要避开的障碍物→进行转向避障操作
试一试：打开“倒车避障.dat”文件，根据总结出的避障方法去尝试分析程序、读懂程序、理解程序。
项目进阶——避障机器人的学习
试一试：把程序下载到机器人上并运行，尝试在实验场地放置障碍物，检验程序的有效性，进一步总结出用超声波传感器倒车避障时的注意事项。完成项目实验报告五。
避障距离的控制、机器人本身的大小等。
在倒车避障的过程中还需要注意什么？
项目小结
超声波：频率高于20
000赫兹的声波称为“超声波”。
超声波传感器在生活中的应用有哪些？常见应用倒车避障及其原理。
程序编写、调试等过程中的注意事项。
2019
谢谢超声波传感器项目学习实验报告
班级：
组号：
组员姓名：
请尝试写出几个超声波传感器在实际生活中的应用方面和领域。
初阶项目
1.
机器人都用到了哪些主要构件：
2.
机器人都用到了哪些控件：
3.
超声波传感器测得的距离值怎么表示：
4.
机器人倒车时电机的方向:
项目优化
1.
优化过程中主要用到了什么控件：
2.
简述一下如何实现倒车过程中速度的分段控制的？
项目实践
1.
编写程序获取超声波传感器实时数据。
2.
程序中定义的变量是：
3.
程序中用到了哪几个控件：
项目进阶
1.
简述避障的方法？
2.
在避障过程中需要注意哪些方面什么？

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