資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修2
機器人設計與制作
第四章　機器人感知與傳感器
第 三 節 帶感知機器人的設計與制作
教學設計
教學背景
黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢”。
機器人是20世紀人類的偉大發明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產線上，并服務于我們的日常生活。
關于機器人，我國科學家認為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。國際標準化組織認為工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。
教學目標：
知識與技能目標:
1.根據機器人的功能要求選擇、安裝與調試傳感器。
2.經歷設計和制作機器人的過程，熟悉機器人設計和制作的一般過程和方法。
教學內容分析:
機器人是一種能夠按照預先設計程序而自動執行工作的機械裝置。當前機器人已經大規模地走進工業生產、軍事、政府管理、商業應用等領域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個方面影響著人類的生活。通過本章的學習，讓我們來初步了解和認識機器人吧。
機器人要準確地模擬人的動作，不但需要類似于人的大腦，還需要各種感覺和靈活的肢體。在機器人中，它的感覺器官由各種傳感器來實現，大腦由控制器實現，肢體則由電機及機械裝置等組成。讓我們通過學習機器人的感知和機器人的傳感器，經歷設計和制作機器人的過程，領略一下機器人感知設計與制作的無窮魅力。
學情分析:
生活在科技迅猛發展的21世紀，同學們有必要了解一些機器人的知識，因為未來的機器人將對我們的生活和工作產生巨大的影響。
　　自己動手制作機器人是讓同學們了解機器人的最好手段。同學們一起進入機器人設計與制作的精彩世界吧。
教學重難點:
根據機器人的功能要求選擇、安裝與調試傳感器。
經歷設計和制作機器人的過程，熟悉機器人設計和制作的一般過程和方法。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中發展學生核心素養、培養實踐能力、提升創新意識、開闊認知視野；將自主學習、合作學習、探究學習等多種學習方式滲透進學生的學習和教師的教學當中；不斷嘗試現代教育技術和方法的運用。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景倒入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修2第四章機器人感知與傳感器第 三 節 帶感知機器人的設計與制作。
情景
在學校組織的機器人設計制作比賽中，劉輝小組設計的機器人能沿著設定的路線前行，不但能避讓其他機器人，還能夾起障礙物，表現出色，獲得了比賽的優秀獎。你想知道它是如何設計和制作的嗎？
一、傳感器的選擇與應用
要設計出色的機器人，選擇或利用傳感器十分關鍵。例如：讓光電編碼器與電機軸或者轉動部件連接，就可通過編碼器讀出電機或者轉動部件的轉動角度來估計位置；利用陀螺原理制作的傳感器，可用于測量移動機器人的姿態；通過光電傳感器或紅外傳感器可實現巡線任務；通過超聲傳感器、紅外傳感器、視覺傳感器和激光測距儀等可以實現避障功能。
（一）巡線
在機器人競賽中，“巡線”特指讓機器人沿著場地中一條固定線路（通常是黑線）行進的任務。這種機器人小車一般由兩個動力輪和一個萬向輪構成，通過左右輪反轉或其中一個輪停轉來實現轉向，前者的轉向中心位于兩輪連線中點，后者轉向中心位于停止不動的輪上。
黑線和白色的背景反差很大，采用光敏元件可以輕易地識別出來。圖4-24（參見教材P61）為安裝了五路紅外傳感器的巡線電路模塊，當遇黑線時紅外接收管接收不到返回信號，傳感器輸出低電平；當檢測到白色物體時，傳感器輸出高電平。通過讀取傳感器的輸出狀態就可以判斷機器人的行走狀態，從而驅動電機轉動使機器人循著黑線行走。
（二）避障
避障是指移動機器人在行走過程中，通過傳感器感知到其通行路線上存在靜態或動態障礙物時，按照一定的算法實時進行更新路徑，最后達到目標點。實現避障的必要條件是環境感知，通常通過超聲波傳感器、紅外傳感器、激光測距儀（圖4-25）（參見教材P62）和視覺傳感器（圖4-26）（參見教材P62）等獲取周圍環境情況，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息。
超聲波傳感器檢測距離原理是測出發出超聲波至再檢測到回波時的時間差，同時根據聲速計算出物體的距離（圖4-27）（參見教材P62）。超聲波傳感器的有效探測距離可達10m，但是會有幾十毫米探測盲區。超聲傳感器的成本低，實現方法簡單，技術成熟，是移動機器人中常用的傳感器。
激光測距儀是利用激光來測量被測物體的距離或者被測物體的位移等參數。脈沖激光器發出持續時間極短的脈沖激光，發現待測物體后射到被測目標，回波折返，由光電探測器接收。根據主波信號和回波信號之間的時間間隔，即激光脈沖從激光器到被測目標之間的往返時間，就可以算出待測目標的距離。
視覺傳感器的優點是探測范圍廣、獲取信息豐富。在實際應用中，常使用多個視覺傳感器或與其他傳感器配合使用，通過一定的算法可以得到物體的形狀、距離、速度等諸多信息。但圖像處理方法計算量大，處理器要求高，且難以檢測玻璃等透明障礙物的存在，受視場光線強弱的影響很大。
二、帶外界感知的輪式機器人的制作與編程
實踐
搭建一個簡易輪式機器人（圖4-28）（參見教材P63），能夠實現直線行走、巡黑線、檢測并夾起障礙物或避讓，并能根據路面的標記實現路徑規劃。
方法指導
1．所需要的電子部件整體結構為雙驅動輪式機器人，使用的電子部件包括1個微控制器，3個電機，2個光電傳感器，1個觸碰傳感器，1個紅外傳感器。光電傳感器用于巡線中的黑線檢測，紅外傳感器用于障礙物檢測或避讓，觸碰傳感器用于啟動控制。要使用的電子部件（圖4-29）（參見教材P63）。
2．傳感器安裝
安裝方法如圖4-30（參見教材P64）所示。
3．編寫編程
（1）總流程及其編程。當按下觸碰傳感器時，機器人啟動電機往前走；光電傳感器負責巡線，使機器人沿著黑線往前走；紅外傳感器用于檢測前方是否有物體，若檢測到有物體，開啟機械手把物體夾取。其程序流程圖如圖4-31（參見教材P64）所示。
1）圖形化編程。圖形化程序全部連線如圖4-32（參見教材P65）所示。
2）圖形化編程步驟。
①拉出觸碰傳感器的“等待按下并松開”模塊，設置為P5。
②拉出條件循環“while（1）”。
③拉出兩個電機，端口分別為M1、M2，速度均為50。
④新建兩個變量，變量名為：“infare”“lightl”，數據類型均為“int”，默認初始值為0， 如圖4-33（參見教材P65）所示。
⑤拉出兩個光電傳感器模塊，端口分別設置為P6、P8，變量分別為“lightl”“lightr”，如圖4-34（參見教材P65）、圖4-35（參見教材P65）所示。
⑥ 拉出一個條件判斷語句，判斷條件為:“lightl＜threshold && lightr＞= threshold”，意思是判斷左光電檢測到黑線，并且右光電沒有檢測到黑線，設置機器人往左偏移。注意：這里的變量“threshold”為閾值，在程序編寫前，打開控制器的光電調試模塊，讓光電傳感器分別照射到白色的區域和黑線區域，重復幾次后控制器上會顯示一個閾值，低于此閾值表明檢測到黑線，請同學們預先檢測閾值，在程序里用數值替換掉“threshold”。
⑦ 再拉出一個條件判斷語句，》判斷條件為:“lightr＜threshold && lightl＞=threshold”，意思是判斷右光電檢測到黑線，并且左光電沒有檢測到黑線，設置機器人往右偏移。
⑧ 拉出一 個“ 紅 外 測 距 ”圖標 ，設置端口為 P 7 ，變量為“infare”，如圖4-36（參見教材P65）所示。
⑨ 拉出一個判斷語句 ，條件為：“infare＞3000”；并拉出一個電機，端口為M1，速度100。最后拉出一個等待時間，設置為1s。
3）程序代碼（圖4-37）（參見教材P66）。
（2）避障流程及其編程。輪式機器人在行走的過程中，如果遇到前方一定距離有障礙物，則原地旋轉 1 s ，繼續往前走 ， 避開障礙物，這時的程序流程圖如圖4-38（參見教材P66）所示。
1）圖形化編程。圖形化編程連線如圖4-39（參見教材P66）所示。
①拉出條件循環“while”模塊，兩個圖標分別放在程序的最前端和最后端。
②拉出兩個電機圖標，端口分別為M1和M2，速度均為50。
③ 新建一個變量，變量名為“infare”，數據類型選擇i n t，初始值默認為0，如圖4-40（參見教材P67）所示。
④拉出“紅外測距”模塊，設置端口為“P1”，選擇變量為“infare”，如圖4-41（參見教材P67）所示。
⑤拉出一個條件判斷語句，判斷條件為：“infare＞2000”，如圖4-42（參見教材P67）所示。
⑥最后拉出兩個電機圖標，端口分別為M1、M2，速度分別為-50、50，拉出一個等待時間，設置為1s，最后所有圖標連線。
2）程序代碼（圖4-43）（參見教材P67）。
（3）T形路口路徑判斷。當機器人巡線前進，遇到一個T形路口，判斷路口為T形時實現轉向。策略為當兩個光電傳感器均檢測到黑線時，就判定該處為T形路口，隨即左轉繼續前行，如圖4-44（參見教材P68）所示。
實現的程序流程如圖4-45（參見教材P68）所示。
1）圖形化編程（圖4-46）（參見教材P69）。
①拉出條件循環“while（1）”模塊。
②新建兩個變量，變量名分別為：“left”“right”，數據類型均為“int”，默認初
始值為0（圖4-47）（參見教材P69）。
③ 拉出兩個光電傳感器模塊 ，端口分別設置為 “ P 1 ” （ 圖 4 - 4 8 ）（參見教材P69） 、“P 2 ”（ 圖4-49）（參見教材P69），存儲變量分別為：“left”“right”。
④拉出一個條件判斷語句，判斷條件為：“left ＜ threshold && right ＞=threshold”，意思是判斷左光電檢測到黑線，并且右光電沒有檢測到黑線，設置機器人往左偏移。注意： 這里的變量“threshold”為“閾值”，在程序編寫前，打開控制器的光電調試模塊，讓光電傳感器分別照射到白色區域和黑線區域，重復幾次，控制器上會顯示一個閾值，低于此閾值表明檢測到黑線，請同學們預先檢測閾值，再在程序里以數值替換掉“threshold”。
⑤ 再 拉 出 一 個 條 件 判 斷 語 句 ， 判 斷 條 件 為 ： “ l e f t ＞ = t h r e s h o l d & & r i g h t＜threshold”，意思是判斷右光電檢測到黑線，并且左光電沒有檢測到黑線，設置機器人往右偏移。
⑥最后再拉出一個條件判斷語句，判斷條件為：“left ＜ threshold && right＜threshold”，意思是兩個光電均檢測到黑線，確定此區域為T路口，設置機器人往左轉。
2）程序代碼（圖4-50）（參見教材P70）。
討論
紅外傳感器把即將“碰壁”的信息告訴微控制器模塊，如果在車體前部（碰撞時最先觸壁的地方）安裝觸覺傳感器（微動開關），做法有何不同？
探究
1．調試電機左轉或右轉速度，使得機器人轉向更順暢。
2．調試光電傳感器閾值大小，看看設置不同的閾值會有怎樣的效果。
綜合實踐活動
1．用反射式紅外傳感器和微控制器設計能夠檢測黑線的控制電路。當傳感器檢測到黑線時，蜂鳴器發出報警聲。
2．用光敏傳感器、微控制器和蜂鳴器等設計和安裝一個遮光報警裝置。
3．使用合適的傳感器，設計并制作一個如下圖所示的場地內沿壁行駛的輪式機器人，讓它走完一圈后發出結束信號。
三、學習評價
評價內容 評價方式
自評 互評 師評
理解機器人的基本感知功能
了解機器人感知外部環境信息的基本原理和方法
了解機器人常用傳感器的種類和特點
學會傳感器與控制器的接口電路和制作方法
學會根據機器人的功能要求選擇、安裝與調試傳感器
熟悉機器人設計和制作的一般過程及方法
說明：A—優秀，B—良好，C—合格，D—待改進
通過本章的學習，你的核心素養得到了哪些發展？
板書設計
第 三 節 帶感知機器人的設計與制作
一、傳感器的選擇與應用
（一）巡線
（二）避障
二、帶外界感知的輪式機器人的制作與編程
三、學習評價
教學反思
通用技術
選擇性必修2
電子控制技術
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：李 榕
本冊副主編：鄭永駒 鐘清華
編 寫 人 編：
張百睿 李 榕 鄭永駒 鐘清華　周 嘉 龔澤祥 胡智豪
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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