資源簡介

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第3.3課《避障功能的調試—強化感知并優化算法》教學設計
課題 避障功能的調試—強化感知并優化算法 單元 第三單元 學科 信息科技 年級 五年級
核心素養目標 1.信息意識：了解傳感器數據的來源及其重要性，學習如何收集、分析和處理環境感知數據。2.計算思維：理解算法在解決避障問題中的重要性，能夠設計和調整算法以提升機器人的智能響應能力。3.數字化學習與創新：學習如何運用數學方法優化算法和路徑規劃，鼓勵嘗試不同的算法與模型創新，探索多種解決方案以應對實際問題。4.信息社會責任：理解先進技術（如機器人避障）的普及對社會的潛在影響，包括對就業、生活質量和安全的影響。
教學重點 強化避障機器人感知狀況。
教學難點 學習了解如何優化避障機器人的算法。
教學過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
導入新課 第3.3課 《避障功能的調試—強化感知并優化算法》板書課題。 一個好的作品經過精雕細琢后,才會呈現它的價值與作用。制作項目作品的過程也是一樣的,初步搭建好機器人的原型并不意味著作品完成了,我們還要在真實的情境中對作品“輸入一控制一輸出”各模塊的性能進行調試,通過反饋結果不斷進行優化,這樣才能呈現一個好的作品,將之分拿到社區中才能更好地傳承開源精神。 思考：機器人的避障功能在不同的環境下會有什么樣的反饋效果呢 室內環境：家具布局復雜：如果家具排列密集，機器人可能會頻繁檢測到障礙物，導致導航緩慢或頻繁改變方向。室外環境：開放空間：在無障礙物的開闊地區，避障功能可以順暢運行，導航效率較高。動態環境：移動障礙物：如行人、動物等，避障系統需要實時更新信息并迅速作出反應，這要求算法具備較高的智能和靈活性。2.播放視頻。 學習新知引入。完成思考問題。觀看教學視頻。 用智能創新知識引入課堂。用提問的方式引入課題，增強課堂互動性。將學生的注意吸引到課堂。
講授新課 新知講解：板書課題。一、輸入——環境感知不足對于機器人的避障功能來說，感知環境中的障礙物是它的第一步，在未知或者部分未知的環境下，避障需要通過傳感器獲取周圍環境信息。但在實際場景中使用傳感器感知環境時會發現，有時傳感器并不能很好地檢測到障礙物，比如障礙物的位置、形態、大小不能確定時，靠單一的傳感器檢測往往不能得到較為確切的障礙物信息，如圖3.3.1所示。在真正應用的過程中，需要多種傳感器相結合，然后對不同傳感器采集到的數據進行交叉反饋，以及信息融合，從而保證機器人能夠穩定可靠地工作。避障使用的傳感器多種多樣，各有不同的原理和特點，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。以超聲波避障機器人檢測不到類似于桌腿的復雜輪廓為例，可以嘗試增加紅外探測傳感器來解決這個問題，硬件模塊介紹如圖3.3.2所示。 想要讓機器人對環境的感知更加準確，可以增加傳感器來對信息進行驗證或增加冗余。例如給避障機器人增加紅外探測傳感器，置于前方時，可以擴大檢測前方障礙物的范圍；置于左、右兩側時，可以獲得前方、左側、右側的環境信息，對移動環境有一個較為綜合的判斷，如圖3.3.3所示。以避障機器人在前方增加紅外傳感器為例，對應的程序設計如圖3.3.4所示。思考：將避障機器人置于真實的環境中進行測試，發現機器人在感知環境障礙物時還存在哪些問題？想一想：怎么做才能讓機器人輸入的信息更加準確？問題： 動態障礙物：移動的障礙物可能導致機器人無法及時作出反應，增加碰撞風險。傳感器限制：傳感器的視場范圍、靈敏度和準確性可能不足以捕捉所有障礙物，尤其是在復雜或擁擠的環境中。怎樣更準確： 多傳感器融合：結合激光雷達、攝像頭、超聲波傳感器等多種傳感器的數據，通過融合算法提高環境感知的準確性。 改進算法：采用先進的計算機視覺和深度學習技術進行障礙物檢測，并使用快速且高效的算法來處理數據，減少延時。二、控制與輸出——算法的優化除了要測試機器人的傳感器對障礙物的感知是否準確之外，數據還要經過機器人主控板中的算法程序進行邏輯判斷，從而決定機器人的動作，所以對于機器人能否有一個優秀的性能，算法的優化也至關重要。探究機器人避障的最佳距離避障機器人檢測到前方有障礙物時，設置機器人避障的距離值是一個需要研究的問題，距離過短會影響機器人的避障功能，距離過長在一定區域內會影響機器人的活動空間。實驗內容：探究機器人避障的最佳距離。實驗目的：為避障機器人進行避障時，確定一個合適的距離閾值。實驗步驟：(1）先在程序設計中設定一個距離值，進行避障測試，觀察避障效果，在表3.3.1中填寫距離值，在對應結果處畫"√"。避障距離 /cm該距離值偏小無法轉向該距離值偏大有較大空余40cm√ (2）根據步驟（1）的測試結果，以增加或減少固定距離值（例如+5cm或﹣5cm）繼續測試，用來探測實際場景應用下的合適避障距離，以確保機器人的最優行動空間。填寫表3.3.2。距離 數值能否正常避障距離 145cm不能距離 250cm不能距離 355cm不能距離 460cm能 經過測試機器人避障的最短距離是60cm我認為它是 ("是"或"不是"）最佳的避障距離，原因是屬于一個保守的避障距離且能保證安全。 在避障機器人的應用中，除了要調整合適的避障距離來觸發機器人執行動作之外，在實際應用場景中，控制機器人轉向時也會發現以下問題：機器人旋轉時轉速太快，以至于不能很順利地找到無障礙物的道路；機器人只是單向旋轉很難找到合適的通行道路，在障礙物較為集中的區域，機器人會卡死等，如圖3.3.5所示。以調整機器人轉速為例，在傳感器檢測到前方有障礙物時，算法程序設計會讓機器人轉向，此時可以通過調整后輪的左、右兩個電機的轉向和速度實現轉向。有兩種調整方式，一種是單個車輪旋轉實現轉向，另一種是兩個車輪相對旋轉實現轉向。兩種不同調整方式的算法設計如圖3.3.6～圖3.3.7所示。經過測試后，會發現這兩種控制車輪轉向的方式各有特點，第一種單個車輪旋轉實現轉向，機器人轉向可控性強，但摩擦力較大，不太靈活；第二種兩個車輪相對旋轉實現轉向，機器人較為靈活，但可控性小，需要根據具體應用場景對算法進行優化。課堂練習根據避障機器人在實際場景中的應用，調整算法設計優化機器人的避障性能，可以嘗試從以下兩個方面進行優化。(1）機器人遇到障礙物后，先左、右分別轉向進行障礙物判斷，確定左側或右側沒有障礙物后再選擇左轉或右轉，實現機器人避障的最優選擇。(2）在障礙物較多的場景中，設置一個防卡死算法設計，當識別到左、右兩側都有障礙物時，機器人后退，脫離密集障礙物區域。 在機器人的避障應用中，傳感器采集的環境數據會控制機器人運動，而機器人的運動又會使傳感器采集的環境數值發生變化，形成一個動態反饋的環路狀態。對機器人的調試與優化就是在實驗環境下維持和平衡這種狀態，以達到最佳的使用效果。四、拓展延伸1.結構的優化問：為什么機器人只使用了三個輪子呢？答：因為機器人在前端使用了萬向輪。萬向輪就是所謂的活動腳輪，它的結構允許水平旋轉360度。問：為什么用萬向輪呢？使用4個車輪不可以嗎？答：機器人進行避障時，提供動力的只有兩個車輪，加上另外兩個車輪，轉向時勢必會增加車輪與地面的摩擦力，使運動不靈敏，另外，長此以往也會增加車輪的損耗。答：哦，所以才使用可以旋轉360度的萬向輪。答：雖然萬向輪轉向易調整，但較高靈活性會引起機器人運動方向的不可控，還是需要根據實際情況進行測試才可以啊！2.機器人避障技術的現實意義提高安全性人機共存：在工業、商業和家庭環境中，機器人能夠安全地與人類互動，降低意外碰撞和事故的風險。環境監測：在一些危險或不易接近的環境（如礦山、災后救援等）中，避障機器人可以有效地進行檢測和作業，保護人類安全。提升效率自動化生產：在制造業中，機器人避障系統能夠實現在動態環境中自我導航，提高生產效率和靈活性。物流與配送：在倉儲和配送中心，避障機器人可以優化貨物搬運和運輸流程，降低人力成本。擴展應用范圍無人駕駛：在智能交通系統中，避障技術是無人駕駛汽車和自動化運輸系統的核心，能大幅提升交通安全和效率。服務機器人：在醫療、酒店、清潔等領域，服務機器人不僅能提供便利，還能有效避開障礙，實現靈活服務。促進技術進步智慧城市：隨著智能城市的概念發展，避障技術為城市環境的智能化提供支撐，促進智能交通、智能監控等系統的發展。算法及感知能力的進步：避障技術的研究促進了計算機視覺、機器學習和人工智能等領域的技術發展。 了解機器人避障功能并實驗進行觀察。實驗探究機器人避障最佳距離。完成課堂練習。進行課外知識拓展。 初步了解避障功能并做實驗，鍛煉學生的學習能力和觀察能力。了解機器的算法優化，鍛煉學生動手實踐能力和觀察記錄能力。在課堂練習中強化所學知識內容。拓寬學生的知識面。
課堂小結 避障功能的調試—強化感知并優化算法1、引入新知內容2、進行避障實驗并觀察3、對避障機器進行算法優化4、完成課題練習5、進行相關知識拓展 總結回顧 對本節課內容進行總結概括。
課后作業 了解傳感器對于避障功能的重要性。總結算法優化對于避障機器的重要性。 布置作業 拓展學生的學習能力。
課堂板書 觀看板書 強調教學重點內容。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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