資源簡介

(共43張PPT)
第3單元 第4課
機器人的跟隨驗證—測驗與功能優化
（清華大學版）五年級
上
1
核心素養目標
3
新知講解
5
拓展延伸
7
板書設計
2
新知導入
4
課堂練習
6
課堂總結
課后作業
8
01
核心素養目標
信息意識
計算思維
數字化學習與創新
信息社會責任
在學習過程中，在機器人跟隨過程中，必須確保不會對人類和環境造成危害。
明白通過不斷積累跟隨驗證測試過程中的數據，機器人可以進行自我學習和改進。
能在機器人跟隨功能中起著核心作用，其中算法的設計與優化是關鍵環節。
意識到在跟隨驗證測試中具備敏銳的信息首先體現在對各種數據的收集和分析上。
02
新知導入
人們對美好生活的向往，驅動著人們去發現和創造更美好的事物，機器人就是其中一個例子。漸漸地，我們可以看到各種各樣應用在不同場景的機器人，它們的功能豐富多樣，可以避障，可以自動跟隨等。本節課讓我們一起實現機器人的跟隨功能，并驗證它能否跟隨移動吧!
02
新知導入
機器人好聰明，可以跟著人走。我打算自己做一個，驗證它能不能跟隨。
02
新知導入
思考
同學們，你們擁有一個機器人后，希望它具備什么功能呢
在我看來，計算機計算機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，并將這些信息轉化為電信號。例如，攝像頭就是一種圖像傳感器，它可以將外界的圖像轉化為數字信號，讓計算機能夠處理和分析。編碼就像是一個神秘的密碼世界。它雖然看不見摸不著，卻在計算機的世界里起著非常重要的作用。
知識解答：能夠隨時回答我在學習中遇到的各種問題，無論是數學難題、歷史事件的背景，還是科學概念的解釋。
家務助手：能夠打掃房間、整理物品，讓我的生活環境保持整潔。它可以自動識別不同類型的垃圾并進行分類處理，還能清潔各種家具和地面。
音樂和影視播放：可以播放我喜歡的音樂和電影，營造出舒適的娛樂氛圍。
02
新知導入
03
新知講解
一、跟隨功能分析
在電影中，能看到這樣的場景：機器人為主人掃地、端茶送餐，不僅如此，機器人還能跟隨主人走，主人走到哪里它就跟到哪里，既聰明又有趣。如今，電影照進現實，我們可以看到主人在前面逛街購物挑選商品，機器人在后面跟隨主人移動和幫忙攜帶物品(見圖3.4.1）；在人來人往的街道或車站，人們在前面輕松地走著，后面緊跟著一個跟隨主人移動的行李箱(見圖 3.4.2)……這就是依靠機器人的跟隨功能實現的。
03
新知講解
圖3.4.1 跟隨購物車
圖3.4.2 跟隨行李箱
03
新知講解
跟隨機器人的基本功能：自動跟隨目標移動，目標走到哪里它就跟到哪里。在設定的距離范圍內跟隨目標移動，目標前進，機器人就跟著前進；目標后退，機器人就自動后退；目標停止，機器人也停止。機器人與移動的目標對象始終保持在一定距離內。
自動跟隨
03
新知講解
機器人在一定距離內跟隨著目標移動，需要防止發生碰撞，能主動避障避免撞上跟隨目標或者其他障礙物。機器人能對前方障礙物的距離進行測量，并判斷障礙物的位置，當感知前進方向有障礙物時，機器人做停止不動或者后退的動作，并在障礙消除后恢復行進，如圖 3.4.3所示。
防碰撞
圖3.4.3 跟隨距離示意圖
03
新知講解
課堂活動
說一說，機器人的跟隨功能可以應用到哪些場景中。
日常生活場景：在商場或超市中，機器人可以跟隨主人，幫忙搬運購物袋；在旅行中，機器人可以跟隨游客，攜帶行李并提供導航服務。
工作場景：在倉庫或物流中心，跟隨功能的機器人可以跟隨工作人員，自動搬運貨物。
醫療場景：在醫院內部，機器人可以跟隨醫護人員，運輸醫療設備和藥品。
教學輔助：在課堂上，機器人可以跟隨教師，展示教學內容和實驗操作。
03
新知講解
二、跟隨功能實現
設定機器人的功能后，需要給機器人編寫程序來實現跟隨功能。例如，利用機器人的超聲波傳感器檢測距離，如果機器人與跟隨目標的距離大于設定值，那么機器人跟隨前進，如果機器人與跟隨目標的距離比較小，在某個距離范圍內，那么機器人就靜止:如果機器人與跟隨目標的距離過小，那么機器人就后退，防止碰撞。
03
新知講解
按照功能設計與分析，梳理程序思路，如圖 3.4.4所示。
程序設計
開始
顯示超聲波的檢測距離值
超聲波檢測值≥20？
是
機器人前進
否
10≤超聲波
檢測值＜20？
否
機器人停止
超聲波檢測值＜10？
否
是
機器人后退
圖3.4.4 程序流程
是
03
新知講解
相應的示例程序如圖 3.4.5 所示
主程序
OLED顯示 清空
OLED第1 行顯示
OLED 顯示生效
如果
一直重復
打開 M1 電機 正轉 速度 60
12c超聲波 ≥ 20
12c超聲波
10
≥
和
圖3.4.5 跟隨機器人示例程序
否者如果
轉文本 12c超聲波
模式 普通 不換行
打開 M2 電機 反轉 速度 60
12c超聲波
＜
20
關閉 M1 輸出
關閉 M2 輸出
否者如果
12c超聲波
＜
10
打開 M1 電機 反轉 速度 60
打開 M1 電機 正轉 速度 60
03
新知講解
完成程序的編寫后，把程序刷入機器人中，功能完整的機器人如圖3.4.6所示。
圖3.4.6 跟隨機器人示意圖
03
新知講解
課堂活動
請同學們完成機器人跟隨功能的程序設計，實現機器人自動跟隨及防碰撞功能。
所需技術和工具：傳感器、控制器、電機驅動、編程語言。
跟隨功能實現步驟：傳感器設置安裝并配置傳感器，確保能夠準確地檢測到目標物體和障礙物。電機控制根據跟隨算法的輸出，控制機器人的電機。
防碰撞功能實現步驟：障礙物檢測，使用傳感器檢測機器人周圍的障礙物。
03
新知講解
三、調試優化與分享
編寫完機器人跟隨的程序后，對其進行測試，驗證機器人是否實現了跟隨和防碰撞功能。在測試過程中，根據機器人的反饋，觀察機器人的跟隨功能存在的問題或不足之處，然后對機器人進行調試和優化。最后，把調試優化后的機器人展示出來。
03
新知講解
上述機器人的功能可能會存在一些問題。例如，機器人跟隨過程不夠流暢，出現忽走忽停的情況；跟隨目標轉彎時，機器人無法跟著目標靈活轉彎；如果跟隨目標發生了變化，機器人無法判斷等。
在測試機器人功能的過程中，根據具體出現的問題，思考解決方法，不斷地調試和優化它的功能，使機器人的功能達到比較理想的狀態。
調試優化
03
新知講解
實驗活動
請同學們調試機器人的跟隨功能，根據出現的問題，分析原因，思考解決方案，對機器人進行調試和優化，并根據不同測試結果填寫表3.4.1。
表3.4.1 機器人的調試和優化記錄表
感知 算法優化 控制調試
人物識別不準，升級傳感器 跟隨路徑抖動，調控指令頻率 速度控制不穩定，調整參數
光線暗感知下降，添加光線 反應遲緩，優化程序 轉向不靈活，優化轉向機構
距離判斷不準，校準距離 復雜環境容易迷失，建立識別機制 容易出現避障，完善避障算法
03
新知講解
對跟隨機器人進行優化后，可以將其分享到開源社區。常見的開源社區有開源中國社區、Arduino 中文社區、掌控板社區、DF 創客社區等。
將跟隨機器人分享到開源社區，不僅可以供其他學習者借鑒和學習，我們還可以在現有開源跟隨機器人的原基礎上繼續改造和優化自己的機器人，從而為跟隨機器人的迭代優化提供了更廣闊的空間。
分享
04
課堂練習
實踐
不同的開源社區，其主要功能和內容也有所不同，如表3.4.2所示。請同學們選擇一個開源社區平臺，將跟隨機器人分享到平臺上。
表3.4.2 開源社區
開源社區名稱 社區主要內容
開源中國 開源軟件庫、相關資訊、討論區、博客……
Arduino中文社區 Arduino相關程序、項目、想法、資料
掌控版社區 教程、項目作品、論壇答疑交流、軟件下載、硬件獲取渠道
DF創客社區 一個創客和創客教育者學習與分享的平臺，為學生和老師提供豐富的中文學習視頻教材、項目分享及常見問題解決方案
03
新知講解
我選擇在開源中國平臺分享機器人，以下是一般步驟：
注冊登錄。
創建項目：填寫項目名稱、項目描述、項目標簽等，你對項目名稱的明確表達。
上傳代碼與文檔：將跟隨機器人的代碼整理好，確保代碼的可讀性和可理解性。除了代碼，還需要上傳相關的文檔。文檔可以包括機器人的設計文檔、使用說明、測試報告等。
發布項目：在完成以上步驟后，仔細檢查項目的信息、代碼和文檔是否上傳完整且正確。
05
拓展延伸
智能跟隨機器人
除了利用超聲波探測距離來實現智能機器人的跟隨功能，還有其他方法嗎
當然有啦！現在人工智能技術越來越成熟了，利用人工智能的相關技術可以更靈活地實現跟隨。
05
拓展延伸
智能跟隨機器人
哇，聽上去很棒！可以舉個例子嗎
比如在機器人的頭部安裝 A 攝像頭，使機器人不僅除了可以識別障礙物，還可以通過識別主人的臉部特征辨別主人。
05
拓展延伸
智能跟隨機器人
既然識別人臉可以實現跟隨，那是不是也可以通過識別人體其他特征實現跟隨呢
你太聰明了！沒錯，智能機器人確實可以通過人體識別實現智能跟隨，不僅如此，它還能通過識別寵物實現智能跟隨。
05
拓展延伸
機器人跟隨驗證測試需要在什么樣的環境下進行？
光線條件穩定的房間：
室內環境的光線相對比較容易控制。例如在實驗室或者專門的測試房間里，穩定的光線可以讓機器人的視覺傳感器更好地工作。
空間布局簡單的場所：
選擇空間開闊、沒有太多障礙物的室內環境很重要。比如在一個空曠的倉庫或者大型會議室進行測試。
05
拓展延伸
天氣良好的開闊場地：
在室外進行測試時，最好選擇晴朗、無風或者微風的天氣。在開闊的操場或者廣場上，機器人可以有足夠的空間進行跟隨動作。
干擾因素少的區域：
要盡量避開人流、車流密集和有大量電磁干擾的區域。比如不能在交通繁忙的馬路邊或者高壓線附近進行測試。
機器人跟隨驗證測試需要在什么樣的環境下進行？
05
拓展延伸
機器人是通過什么原理來實現跟隨功能的？
視覺識別原理：
基于特征匹配機器人通過攝像頭捕捉周圍環境的圖像。光流是指圖像中模式運動的速度。機器人利用光流法分析圖像中像素的運動。
傳感器感應原理：
機器人裝備有紅外線傳感器。超聲波傳感器可以發出超聲波并接收反射波。機器人通過計算超聲波從發出到返回的時間來確定與目標物體之間的距離。
05
拓展延伸
機器學習與深度學習原理：
神經網絡模型通過大量的標記數據對神經網絡進行訓練。神經網絡模型通過大量的標記數據對神經網絡進行訓練。
慣性導航與定位原理（輔助）：
機器人內部有慣性測量單元（IMU），它可以測量機器人自身的加速度、角速度等信息。
機器人是通過什么原理來實現跟隨功能的？
05
拓展延伸
當機器人電量不足時，它會如何處理正在進行的跟隨任務？
機器人可以通過連接的通信系統，向控制中心或用戶終端發送電量不足的警報信息。這個信息可能包括機器人的當前位置、剩余電量估計等內容。這樣，操作人員就可以及時采取措施，比如手動將機器人移動到充電位置或者對機器人的任務進行重新安排。在一些倉儲物流場景中，當搬運機器人電量不足時，它會向倉庫管理系統發送警報，工作人員可以根據實際情況，優先處理該機器人所負責的貨物，或者安排其他機器人協助其返回充電。
05
拓展延伸
當遇到障礙物遮擋時，機器人會采取什么策略？
當遇到障礙物遮擋跟隨對象時，機器人會采取以下策略。
基于歷史運動數據：機器人會記錄跟隨對象在被遮擋之前的運動速度、方向和加速度等歷史數據。
結合環境信息推測：機器人可以利用預先存儲的環境地圖或者通過傳感器實時感知環境來推測跟隨對象的可能路徑。
視覺與其他傳感器結合：如果機器人主要依靠視覺來跟隨對象，當視覺被遮擋時，它會啟動其他輔助傳感器。
06
活動日志
活動日志 班級：XX 姓名：XX
活動名稱 機器人的跟隨驗證—測試與功能優化
活動環節 1口 2口 3口 4口（在對應環節畫V）
活動完成內容 跟隨功能分析、跟隨功能的實現、調試優化與分享
活動完成度 口口口口口口口口口(100%)
活動小結 問題與反思：環境適應性問題。
改進的方法：傳感器優化與融合。
06
活動日志
知識回顧
自制開源機器人—機電結合控制系統
走進機器人—科幻與現實
避障機器人—感知障礙與行動規劃
避障功能的調試—強化感知并優化算法
機器人的跟隨驗證—測試與功能優化
想象世界中的機器人
現實世界中的機器人
開源機器人
感知障礙物—做出行動規劃
知識準備
器材準備
項目體驗—避障機器人
跟隨功能分析
跟隨功能的實現
調試優化與分享
輸入—環境感知不足
控制與輸出—算法的優化
06
活動日志
過程與收獲
1.對機器人知識進行學習 。
2.進行避障機器人感知障礙的學習，認識到理論與實際之間的差距。
3.對避障功能進行調試 。
4. 進行機器人跟隨的驗證。
成果與交流
各小組成員將本組完成的項目創意文稿及相關記錄文檔和同學進行交流在班級上進行展示，和老師或同學共享成果，分享快樂。
06
活動日志
在參與自制開源機器人—機電結合控制系統的學習過程中，我深入了解了機械結構與電子控制系統之間的緊密關系。在機械方面，學會了如何設計和組裝機器人的框架、關節和傳動系統，以確保機器人具備穩定的結構和靈活的運動能力。同時，也明白了不同材料的特性和適用場景，能夠根據實際需求選擇合適的機械部件。它不僅提升了我的專業技能，還培養了我的團隊合作精神和創新意識。
06
活動日志
自評與他評
評價內容 自我評價 教師評價
1.項目的完成度 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
2.分工協作的合理性 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
3.演講展示的表現能力 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
4.解決問題的綜合能力 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆
07
課堂總結
1
引入新知內容
機器人的跟隨驗證—測試與功能優化
2
學習跟隨功能分析和實現
3
學習調試優化與分享
4
完成課題練習
5
進行相關知識拓展
1
2
3
4
5
08
板書設計
機器人的跟隨驗證—測試與功能優化
1.跟隨功能分析
2.跟隨功能的實現
3. 調試優化與分享
4.完成課堂練習
5.進行知識拓展
09
課后作業
01
請列舉四個在進行機器人跟隨驗證時需考慮哪些因素？
09
課后作業
02
利用簡單材料制作一個簡易的跟隨裝置。
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