資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第3.2課《避障機器人—感知障礙與行動規劃》教學設計
課題 避障機器人—感知障礙與行動規劃 單元 第三單元 學科 信息科技 年級 五年級
核心素養目標 信息意識：意識在機器人領域至關重要。它使我們能夠敏銳地捕捉到機器人技術的最新動態和發展趨勢。 計算思維：能將問題分解是將復雜的任務分解為一系列簡單的子任務，以便機器人能夠逐步完成。 數字化學習與創新：明白能夠了解和掌握機器人技術的新途徑，讓我們可以隨時隨地學習機器人編程、設計和應用的知識。信息社會責任：在學習過程中，我們需要思考其對社會、環境和人類的影響。需要遵循倫理道德規范。
教學重點 機器人需具備敏銳的信息意識，時刻關注行業動態與技術發展趨勢。
教學難點 機器人需要涉及多個學科領域的知識。
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3.2課 《避障機器人—感知障礙與行動規劃》板書課題。1.想要深入認識機器人，可以從開源機器人入手，了解相關的過程與控制原理，還可以自己嘗試實現部分功能，比如我們常見的大部分機器人能夠感知周圍的障礙物，及時調整行進路徑，避開障礙物，像這樣的避障機器人應用了什么樣的原理？制作這樣的機器人原型需要什么樣的工具和方法？這節課我們一起探索一下吧! 思考：同學們，假設讓你們制作一個簡易機器人，你們會如何設計？會使用什么技術來實現呢？如果讓我制作一個簡易機器人，我會從以下幾個方面進行設計：外觀設計：可以選擇一個簡潔的幾何形狀，如圓形、方形或人形，以便于制作和移動。功能設計：選擇合適的移動功能設計、感知功能設計、控制功能、交互功能等。材料選擇：機身材料輕便、電子元件質量可靠工具配件。如果制作一個簡易機器人，可以考慮使用以下技術來實現：傳感器技術：紅外傳感器用于檢測障礙物和物體的距離、光敏傳感器用于檢測環境光線的強度。電機控制技術：直流電機是簡易機器人中常用的動力源、舵機用于控制機器人的關節運動，如機器人的手臂或頭部。微控制器技術：Arduino是一種廣泛使用的開源微控制器平臺、Python是一種簡單易學的編程語言，具有豐富的庫和工具。2.播放視頻。 學習新知引入。完成思考問題。觀看教學視頻。 用開源機器人知識引入課堂。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。感知障礙物---做出行動規劃當我們要實現機器人的某個功能時，可以從開源機器人著手，研究其功能背后實現的原理。機器人具有感知能力，并能根據感知到的信息做出行動規劃。要實現機器人的某個功能，我們需要思考機器人需要感知哪些信息？感知到信息后，機器人要做什么樣的行動規劃？以避障機器人為例，避障機器人需要具有感知障礙物的能力，能夠通過對障礙物的距離判斷來規劃行走路線。比如在機器人行進過程中，當前方有障礙物擋住前進的道路時，機器人可以轉彎以避開障礙物，再繼續前進，如圖 3.2.1所示。因此，避障機器人的功能可以歸結為自動行走、感知障礙物并顯示與障礙物之間距離、躲避障礙物等基礎功能。課堂活動大家想要實現一個具備怎樣功能的機器人呢？請分析你想要設計的機器人的功能。學習助手功能：回答各種問題并能夠快速準確地回答主人的問題，包括歷史、科學、文化等方面的知識。可以通過連接互聯網獲取最新的信息。健康管理功能：健康檢測及運動檢測、健康提醒緊急救援等。家庭助手功能：掃地和拖地能夠自動清潔地面，識別不同的地面材質并調整清潔方式，緊急救援在緊急情況下，能夠撥打急救電話或聯系家人。社交互動功能：陪伴主人參加社交活動，如聚會、旅行等。二、知識準備機器人的工作過程(見圖 3.2.2)一般是通過感知系統(輸入)獲取外部信息，然后將這些信息發送給控制系統(控制)進行處理，控制系統通過運算后給出處理方案，將方案結果發送給執行系統(輸出)執行相應的操作，如機器人行走。機器人常用傳感器機器人的感知系統通常是各種傳感器，這些傳感器就相當于機器人的眼、耳、口、鼻。根據功能的不同進行分類，常見的機器人傳感器如表3.2.1所示。傳感器類別傳感器名稱圖片視覺攝像頭或視覺傳感器距離超聲波傳感器（可用于超聲波定位、測距、避障等應用場景）聽覺聲音傳感器觸覺按鍵傳感器環境溫濕度傳感器紅外循跡傳感器（通過發射和接收紅外線檢測黑線、白線）姿態姿態傳感器認識超聲波傳感器避障機器人可以使用超聲波傳感器作為感知系統，當感知到前面有障礙物時，會將障礙物與機器人之間的距離數據發送給控制系統，控制系統做出相應處理。在這里超聲波就相當于避障機器人的眼睛。超聲波傳感器(見圖3.2.3)是將超聲波信號轉換成其他信號(通常是電信號)的傳感器。超聲波傳感器的工作原理(見圖3.2.4)是從發射探頭發射超聲波，超聲波會在空氣中傳播，當遇到障礙物時會將超聲波反彈回來，根據發射和接收的時間差及聲波的傳輸速度，從而計算出超聲波與障礙物之間的距離。機器人行走通常情況下，機器人行走有前進、后退、左轉、右轉和停止等情況。以輪式機器人為例，當左、右兩個輪子以同樣的速度往同一個方向轉動時，機器人就前進或后退(由于左、右兩個輪子在機器人上往往是對稱安裝的，所以兩個輪子通常轉向相反，才能實現往同一方向轉動)。當兩個輪子的轉速存在差別時，機器人就會轉彎，即當左輪慢(停)，右輪快時，機器人就左轉;當左輪快，右輪慢(停)時，機器人就右轉。當左、右兩個輪子停止轉動時，機器人就停止。控制機器人前進、后退、左轉、右轉和停止的程序代碼如圖 3.2.5 所示。器材準備分析了機器人的功能之后，根據機器人的功能準備相關器材。如避障機器人感知障礙物用什么感知設備可以實現呢 常見的有超聲波傳感器、雷達傳感器、紅外探測傳感器、攝像頭等。避障機器人的行走功能用什么設備來實現需要根據機器人的形態來定，例如輪式機器人可以使用電機來實現行走，像雙足、四足等機器人可以使用舵機等設備來執行行走的功能。制作避障機器人的器材清單如圖 3.2.6 所示。課堂活動要實現避障機器人的相關功能，同學們會選擇哪些器材呢？微控制器：如 Arduino、Raspberry Pi 等。這些微控制器可以接收傳感器的信號，并根據預設的算法控制機器人的運動。電機：可以選擇直流電機或步進電機。直流電機速度快、扭矩大，但控制精度相對較低；步進電機控制精度高，但速度和扭矩相對較小。電池：為機器人提供動力。可以選擇鋰電池、鎳氫電池等車架：可以使用鋁合金、塑料等材料制作機器人的車架，確保機器人的結構穩定。四、項目體驗—避障機器人實現避障機器人的功能可按照以下方式，利用連接線將超聲波傳感器和電機連接到主控板上，如圖 3.2.7 所示。打開編程軟件，根據避障機器人的功能梳理程序流程圖(見圖3.2.8)，并編寫程序(見圖3.2.9)實現避障機器人的功能，即顯示當前障礙物到超聲波的距離。當遇到障礙物時，機器人轉彎(可以選擇左轉實現，也可以選擇右轉實現)，從而避開障礙物以避免停滯不前，而轉彎后，如果沒有障礙物，那么機器人繼續前進。五、課堂練習請同學們編寫避障機器人的程序，并使用積木將避障機器人的結構搭建出來，如圖3.2.10所示。避障機器人程序Python 示例：導入所需的庫，設置 GPIO 引腳，定義超聲波傳感器測量距離的函數，主循環實現避障邏輯，清理 GPIO 資源。積木搭建避障機器人結構：底座、驅動部分、傳感器安裝、控制部分、裝飾和加固。六、拓展延伸1.人與機器人共存之道問：機器人發展越來越快，會不會有一天超越人類呢？答：這個問題目前完全沒必要擔憂，雖然現在很多影視作品中經常會出現機器人發展成高級智能后就會傷害人類的現象，但是現實與科幻之間還相距甚遠!問：為什么如此確定呢？答：人們創造機器人的目的是讓它們服務人類社會。人們在研究和使用機器人的同時也為機器人制定了以下規則。第一：機器人不得傷害人類，或任由人類受到傷害而無所作為;第二：機器人應服從人類的一切命令，但命令與第一條相抵觸時例外;第三：機器人必須保護自己的存在，但不得與第一、第二條相抵觸。機器人三大法則的存在使機器人不會對人類做出傷害行為。2.如何提高避障機器人對透明障礙物的感知能力？傳感器選擇與優化：手術機器人可以幫助醫生進行高精度的手術操作，如微創手術等。信號處理與算法改進：信號增強算法采用信號增強技術，如濾波、放大和降噪等，提高傳感器接收到的信號質量。環境適應與輔助手段：光照控制調整機器人周圍的光照條件，以提高對透明障礙物的感知能力。標記或涂層，在透明障礙物上添加標記或涂層，使其更容易被傳感器檢測到。3、對于遠距離障礙感知，哪種傳感器或技術最為有效？激光雷達：激光雷達通過發射激光束并測量反射光的時間來確定目標物體的距離。它可以快速掃描周圍環境，生成高精度的三維點云數據。毫米波雷達:毫米波雷達利用毫米波頻段的電磁波來檢測目標物體。它通過發射毫米波信號并接收反射信號。視覺傳感器與深度學習技術結合：智能玩具機器人可以與兒童進行互動游戲，講故事、唱歌、回答問題等，激發兒童的想象力和創造力。雙目視覺傳感器：使用兩個攝像頭模擬人類的雙眼，通過對兩個攝像頭拍攝的圖像進行分析和處理，計算出物體的距離和深度信息。4、如何確保避障機器人在行動規劃過程中的安全性和穩定性？硬件設計方面：傳感器選擇與優化多傳感器融合采用多種類型的傳感器，校準與維護定期對傳感器進行校準，確保其測量數據的準確性。軟件算法方面：實時環境感知采用高效的算法對傳感器數據進行實時處理；建立準確的環境模型，以便機器人能夠更好地規劃行動路徑。測試與驗證方面：軟件仿真利用機器人仿真軟件，在虛擬環境中對機器人的行動規劃算法進行測試和驗證。5、未來避障機器人的技術發展趨勢是什么？未來避障機器人的技術發展趨勢主要包括以下幾個方面：人工智能與機器學習的深度融合：機器學習和深度學習算法將在避障機器人中得到更廣泛的應用和深入的發展。機器人能夠通過大量的數據訓練提高對不同場景的適應性。通信技術的發展：高速、低延遲通信隨著 5G 等高速通信技術的普及，避障機器人的通信速度和穩定性將得到極大的提升，提高對復雜環境的應對能力。 學習感知障礙物—做出行動規劃的知識。根據所學內容提出課堂活動問題。學習機器人有關知識。學習機器人器材準備提出問題進行課堂活動。對避障機器人項目進行體驗。進行課堂練習。學習知識拓展。。 初步學習，鍛煉學生的學習能力和觀察能力。增加課堂趣味性。帶領學生認識并學習。通過學習為后面內容進行鋪墊。通過問題，培養學生思考能力。進行實踐項目體驗進一步加深所學知識。鞏固加深所學內容。對所學內容進行知識延伸。
課堂小結 避障機器人—感知障礙與行動規劃1、引入新知內容2、學習感知障礙物—做出行動與規劃3、學習知識準備、器材準備4、學習項目體驗—避障機器人5、完成課題練習6、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 利用簡單的材料制作一個簡易的避障機器人模型。設計一個你心目中的避障機器人，用彩筆把他畫出來。 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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