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(共38張PPT)
第3課
避障功能的調(diào)試—強(qiáng)化感知并優(yōu)化算法
（清華大學(xué)版）五年級(jí)
上
1
核心素養(yǎng)目標(biāo)
3
新知講解
5
拓展延伸
7
板書設(shè)計(jì)
2
新知導(dǎo)入
4
課堂練習(xí)
6
課堂總結(jié)
課后作業(yè)
8
01
核心素養(yǎng)目標(biāo)
信息意識(shí)
計(jì)算思維
數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新
信息社會(huì)責(zé)任
理解先進(jìn)技術(shù)（如機(jī)器人避障）的普及對(duì)社會(huì)的潛在影響，包括對(duì)就業(yè)、生活質(zhì)量和安全的影響。
學(xué)習(xí)如何運(yùn)用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化算法和路徑規(guī)劃，鼓勵(lì)嘗試不同的算法與模型創(chuàng)新，探索多種解決方案以應(yīng)對(duì)實(shí)際問題。
理解算法在解決避障問題中的重要性，能夠設(shè)計(jì)和調(diào)整算法以提升機(jī)器人的智能響應(yīng)能力。
了解傳感器數(shù)據(jù)的來源及其重要性，學(xué)習(xí)如何收集、分析和處理環(huán)境感知數(shù)據(jù)。
02
新知導(dǎo)入
一個(gè)好的作品經(jīng)過精雕細(xì)琢后,才會(huì)呈現(xiàn)它的價(jià)值與作用。制作項(xiàng)目作品的過程也是一樣的,初步搭建好機(jī)器人的原型并不意味著作品完成了,我們還要在真實(shí)的情境中對(duì)作品“輸入一控制一輸出”各模塊的性能進(jìn)行調(diào)試,通過反饋結(jié)果不斷進(jìn)行優(yōu)化,這樣才能呈現(xiàn)一個(gè)好的作品,將之分拿到社區(qū)中才能更好地傳承開源精神。
02
新知導(dǎo)入
需要對(duì)作品進(jìn)行測(cè)試與優(yōu)化。
02
新知導(dǎo)入
思考
機(jī)器人的避障功能在不同的環(huán)境下會(huì)有什么樣的反饋效果呢
在我看來，計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)依靠傳感器來接收外界的信息。就像我們的眼睛和耳朵一樣，傳感器可以感知光、聲音、溫度、壓力等各種物理量，并將這些信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。例如，攝像頭就是一種圖像傳感器，它可以將外界的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，讓計(jì)算機(jī)能夠處理和分析。編碼就像是一個(gè)神秘的密碼世界。它雖然看不見摸不著，卻在計(jì)算機(jī)的世界里起著非常重要的作用。
室內(nèi)環(huán)境：家具布局復(fù)雜：如果家具排列密集，機(jī)器人可能會(huì)頻繁檢測(cè)到障礙物，導(dǎo)致導(dǎo)航緩慢或頻繁改變方向。
室外環(huán)境：開放空間：在無(wú)障礙物的開闊地區(qū)，避障功能可以順暢運(yùn)行，導(dǎo)航效率較高。
動(dòng)態(tài)環(huán)境：移動(dòng)障礙物：如行人、動(dòng)物等，避障系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)更新信息并迅速作出反應(yīng)，這要求算法具備較高的智能和靈活性。
02
新知導(dǎo)入
03
新知講解
一、輸入——環(huán)境感知不足
對(duì)于機(jī)器人的避障功能來說，感知環(huán)境中的障礙物是它的第一步，在未知或者部分未知的環(huán)境下，避障需要通過傳感器獲取周圍環(huán)境信息。但在實(shí)際場(chǎng)景中使用傳感器感知環(huán)境時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)傳感器并不能很好地檢測(cè)到障礙物，比如障礙物的位置、形態(tài)、大小不能確定時(shí)，靠單一的傳感器檢測(cè)往往不能得到較為確切的障礙物信息，如圖3.3.1所示。
03
新知講解
圖3.3.1 機(jī)器人對(duì)于障礙物的感知不足
03
新知講解
在真正應(yīng)用的過程中，需要多種傳感器相結(jié)合，然后對(duì)不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉反饋，以及信息融合，從而保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定可靠地工作。避障使用的傳感器多種多樣，各有不同的原理和特點(diǎn)，目前常見的主要有視覺傳感器、激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等。以超聲波避障機(jī)器人檢測(cè)不到類似于桌腿的復(fù)雜輪廓為例，可以嘗試增加紅外探測(cè)傳感器來解決這個(gè)問題，硬件模塊介紹如圖3.3.2所示。
檢測(cè)傳感器正前方障礙物的范圍，可探測(cè)范圍是0~4095。
圖3.3.2 紅外探測(cè)傳感器
03
新知講解
想要讓機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知更加準(zhǔn)確，可以增加傳感器來對(duì)信息進(jìn)行驗(yàn)證或增加冗余。例如給避障機(jī)器人增加紅外探測(cè)傳感器，置于前方時(shí)，可以擴(kuò)大檢測(cè)前方障礙物的范圍；置于左、右兩側(cè)時(shí)，可以獲得前方、左側(cè)、右側(cè)的環(huán)境信息，對(duì)移動(dòng)環(huán)境有一個(gè)較為綜合的判斷，如圖3.3.3所示。
圖3.3.3
紅外探測(cè)傳感器置于不同位置的作用
03
新知講解
以避障機(jī)器人在前方增加紅外傳感器為例，對(duì)應(yīng)的程序設(shè)計(jì)如圖3.3.4所示。
兩個(gè)傳感器都檢測(cè)到障礙物
左轉(zhuǎn)
圖3.3.4 紅外探測(cè)傳感器置于前方時(shí)進(jìn)行障礙物驗(yàn)證
02
新知導(dǎo)入
思考
將避障機(jī)器人置于真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在感知環(huán)境障礙物時(shí)還存在哪些問題？想一想：怎么做才能讓機(jī)器人輸入的信息更加準(zhǔn)確？
在我看來，計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)依靠傳感器來接收外界的信息。就像我們的眼睛和耳朵一樣，傳感器可以感知光、聲音、溫度、壓力等各種物理量，并將這些信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。例如，攝像頭就是一種圖像傳感器，它可以將外界的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，讓計(jì)算機(jī)能夠處理和分析。編碼就像是一個(gè)神秘的密碼世界。它雖然看不見摸不著，卻在計(jì)算機(jī)的世界里起著非常重要的作用。
問題：
動(dòng)態(tài)障礙物：移動(dòng)的障礙物可能導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法及時(shí)做出反應(yīng)，增加碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
傳感器限制：傳感器的視場(chǎng)范圍、靈敏度和準(zhǔn)確性可能不足以捕捉所有障礙物，尤其是在復(fù)雜或擁擠的環(huán)境中。
02
新知導(dǎo)入
思考
將避障機(jī)器人置于真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在感知環(huán)境障礙物時(shí)還存在哪些問題？想一想：怎么做才能讓機(jī)器人輸入的信息更加準(zhǔn)確？
在我看來，計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)依靠傳感器來接收外界的信息。就像我們的眼睛和耳朵一樣，傳感器可以感知光、聲音、溫度、壓力等各種物理量，并將這些信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。例如，攝像頭就是一種圖像傳感器，它可以將外界的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，讓計(jì)算機(jī)能夠處理和分析。編碼就像是一個(gè)神秘的密碼世界。它雖然看不見摸不著，卻在計(jì)算機(jī)的世界里起著非常重要的作用。
怎樣更準(zhǔn)確：
多傳感器融合：結(jié)合激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器等多種傳感器的數(shù)據(jù)，通過融合算法提高環(huán)境感知的準(zhǔn)確性。
改進(jìn)算法：采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行障礙物檢測(cè)，并使用快速且高效的算法來處理數(shù)據(jù)，減少延時(shí)。
03
新知講解
二、控制與輸出——算法的優(yōu)化
除了要測(cè)試機(jī)器人的傳感器對(duì)障礙物的感知是否準(zhǔn)確之外，數(shù)據(jù)還要經(jīng)過機(jī)器人主控板中的算法程序進(jìn)行邏輯判斷，從而決定機(jī)器人的動(dòng)作，所以對(duì)于機(jī)器人能否有一個(gè)優(yōu)秀的性能，算法的優(yōu)化也至關(guān)重要。
03
新知講解
實(shí)驗(yàn)活動(dòng)
探究機(jī)器人避障的最佳距離
避障機(jī)器人檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，設(shè)置機(jī)器人避障的距離值是一個(gè)需要研究的問題，距離過短會(huì)影響機(jī)器人的避障功能，距離過長(zhǎng)在一定區(qū)域內(nèi)會(huì)影響機(jī)器人的活動(dòng)空間。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：探究機(jī)器人避障的最佳距離。
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽楸苷蠙C(jī)器人進(jìn)行避障時(shí)，確定一個(gè)合適的距離閾值。
03
新知講解
實(shí)驗(yàn)活動(dòng)
表3.3.1 初始距離值測(cè)試
避障距離 /cm 該距離值偏小無(wú)法轉(zhuǎn)向 該距離值偏大有較大空余
40cm √
實(shí)驗(yàn)步驟：
(1）先在程序設(shè)計(jì)中設(shè)定一個(gè)距離值，進(jìn)行避障測(cè)試，觀察避障效果，在表3.3.1中填寫距離值，在對(duì)應(yīng)結(jié)果處畫"√"。
03
新知講解
實(shí)驗(yàn)活動(dòng)
表3.3.2 調(diào)整的距離值進(jìn)行測(cè)試，并記錄結(jié)果
距離 數(shù)值 能否正常避障
距離1 45cm 不能
距離2 50cm 不能
(2）根據(jù)步驟（1）的測(cè)試結(jié)果，以增加或減少固定距離值（例如+5cm或﹣5cm）繼續(xù)測(cè)試，用來探測(cè)實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用下的合適避障距離，以確保機(jī)器人的最優(yōu)行動(dòng)空間。填寫表3.3.2。
03
新知講解
實(shí)驗(yàn)活動(dòng)
表3.3.2 調(diào)整的距離值進(jìn)行測(cè)試，并記錄結(jié)果（續(xù)表）
距離 數(shù)值 能否正常避障
距離3 55cm 不能
距離4 60cm 能
經(jīng)過測(cè)試機(jī)器人避障的最短距離是 我認(rèn)為它 ("是"或"不是"）最佳的避障距離，原因是
60cm
屬于一個(gè)保守的避障距離且能保證安全。
是
03
新知講解
在避障機(jī)器人的應(yīng)用中，除了要調(diào)整合適的避障距離來觸發(fā)機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作之外，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)以下問題：機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速太快，以至于不能很順利地找到無(wú)障礙物的道路；機(jī)器人只是單向旋轉(zhuǎn)很難找到合適的通行道路，在障礙物較為集中的區(qū)域，機(jī)器人會(huì)卡死等，如圖3.3.5所示。
圖3.3.5 控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向可能會(huì)出現(xiàn)的問題
03
新知講解
以調(diào)整機(jī)器人轉(zhuǎn)速為例，在傳感器檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，算法程序設(shè)計(jì)會(huì)讓機(jī)器人轉(zhuǎn)向，此時(shí)可以通過調(diào)整后輪的左、右兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。有兩種調(diào)整方式，一種是單個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，另一種是兩個(gè)車輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。兩種不同調(diào)整方式的算法設(shè)計(jì)如圖3.3.6～圖3.3.7所示。
圖3.3.6 控制機(jī)器人單個(gè)車輪轉(zhuǎn)向
03
新知講解
圖3.3.7 控制機(jī)器人兩個(gè)車輪相對(duì)轉(zhuǎn)向
經(jīng)過測(cè)試后，會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩種控制車輪轉(zhuǎn)向的方式各有特點(diǎn)，第一種單個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，機(jī)器人轉(zhuǎn)向可控性強(qiáng)，但摩擦力較大，不太靈活；第二種兩個(gè)車輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，機(jī)器人較為靈活，但可控性小，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化。
04
課堂練習(xí)
實(shí)踐
根據(jù)避障機(jī)器人在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用，調(diào)整算法設(shè)計(jì)優(yōu)化機(jī)器人的避障性能，可以嘗試從以下兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。
(1）機(jī)器人遇到障礙物后，先左、右分別轉(zhuǎn)向進(jìn)行障礙物判斷，確定左側(cè)或右側(cè)沒有障礙物后再選擇左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障的最優(yōu)選擇。
(2）在障礙物較多的場(chǎng)景中，設(shè)置一個(gè)防卡死算法設(shè)計(jì)，當(dāng)識(shí)別到左、右兩側(cè)都有障礙物時(shí)，機(jī)器人后退，脫離密集障礙物區(qū)域。
04
課堂練習(xí)
實(shí)踐
在機(jī)器人的避障應(yīng)用中，傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)會(huì)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)又會(huì)使傳感器采集的環(huán)境數(shù)值發(fā)生變化，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)反饋的環(huán)路狀態(tài)。對(duì)機(jī)器人的調(diào)試與優(yōu)化就是在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下維持和平衡這種狀態(tài)，以達(dá)到最佳的使用效果。
05
拓展延伸
結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
為什么機(jī)器人只使用了三個(gè)輪子呢？
因?yàn)闄C(jī)器人在前端使用了萬(wàn)向輪。萬(wàn)向輪就是所謂的活動(dòng)腳輪，它的結(jié)構(gòu)允許水平旋轉(zhuǎn)360度。
05
拓展延伸
結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
為什么用萬(wàn)向輪呢？使用4個(gè)車輪不可以嗎？
機(jī)器人進(jìn)行避障時(shí)，提供動(dòng)力的只有兩個(gè)車輪，加上另外兩個(gè)車輪，轉(zhuǎn)向時(shí)勢(shì)必會(huì)增加車輪與地面的摩擦力，使運(yùn)動(dòng)不靈敏，另外，長(zhǎng)此以往也會(huì)增加車輪的損耗。
05
拓展延伸
結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
哦，所以才使用可以旋轉(zhuǎn)360度的萬(wàn)向輪。
雖然萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向易調(diào)整，但較高靈活性會(huì)引起機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的不可控，還是需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試才可以啊！
05
拓展延伸
機(jī)器人避障技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義
一、提高安全性
人機(jī)共存：在工業(yè)、商業(yè)和家庭環(huán)境中，機(jī)器人能夠安全地與人類互動(dòng)，降低意外碰撞和事故的風(fēng)險(xiǎn)。
環(huán)境監(jiān)測(cè)：在一些危險(xiǎn)或不易接近的環(huán)境（如礦山、災(zāi)后救援等）中，避障機(jī)器人可以有效地進(jìn)行檢測(cè)和作業(yè)，保護(hù)人類安全。
05
拓展延伸
機(jī)器人避障技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義
二、提升效率
自動(dòng)化生產(chǎn)：在制造業(yè)中，機(jī)器人避障系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中自我導(dǎo)航，提高生產(chǎn)效率和靈活性。
物流與配送：在倉(cāng)儲(chǔ)和配送中心，避障機(jī)器人可以優(yōu)化貨物搬運(yùn)和運(yùn)輸流程，降低人力成本。
05
拓展延伸
機(jī)器人避障技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義
三、擴(kuò)展應(yīng)用范圍
無(wú)人駕駛：在智能交通系統(tǒng)中，避障技術(shù)是無(wú)人駕駛汽車和自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)的核心，能大幅提升交通安全和效率。
服務(wù)機(jī)器人：在醫(yī)療、酒店、清潔等領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人不僅能提供便利，還能有效避開障礙，實(shí)現(xiàn)靈活服務(wù)。
05
拓展延伸
機(jī)器人避障技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義
四、 促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步
智慧城市：隨著智能城市的概念發(fā)展，避障技術(shù)為城市環(huán)境的智能化提供支撐，促進(jìn)智能交通、智能監(jiān)控等系統(tǒng)的發(fā)展。
算法及感知能力的進(jìn)步：避障技術(shù)的研究促進(jìn)了計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。
06
活動(dòng)日志
活動(dòng)日志 班級(jí)：XX 姓名：XX
活動(dòng)名稱 避障功能的調(diào)試—強(qiáng)化感知并優(yōu)化算法
活動(dòng)環(huán)節(jié) 1口 2口 3口 4口（在對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)畫V）
活動(dòng)完成內(nèi)容 輸入——環(huán)境感知不足、控制與輸出——算法的優(yōu)化
活動(dòng)完成度 口口口口口口口口口(100%)
活動(dòng)小結(jié) 問題與反思：實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)器人避障失敗問題
改進(jìn)的方法：注意傳感器的選擇以及數(shù)據(jù)算法的優(yōu)化。
07
課堂總結(jié)
1
引入新知內(nèi)容
避障功能的調(diào)試—強(qiáng)化感知并優(yōu)化算法
2
進(jìn)行避障實(shí)驗(yàn)并觀察
3
對(duì)避障機(jī)器進(jìn)行算法優(yōu)化
4
完成課題練習(xí)
5
進(jìn)行相關(guān)知識(shí)拓展
1
2
3
4
5
08
板書設(shè)計(jì)
避障功能的調(diào)試—強(qiáng)化感知并優(yōu)化算法
1.進(jìn)行新知引入
2.進(jìn)行避障實(shí)驗(yàn)并觀察
3.對(duì)避障機(jī)器進(jìn)行算法優(yōu)化
4.完成課堂練習(xí)
5.進(jìn)行知識(shí)拓展
09
課后作業(yè)
01
了解傳感器對(duì)于避障功能的重要性。
09
課后作業(yè)
02
總結(jié)算法優(yōu)化對(duì)于避障機(jī)器的重要性。
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