資源簡介

(共39張PPT)
第三單元 第2課
避障機(jī)器人—感知障礙與行動規(guī)劃
（清華大學(xué)版）五年級
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
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
計算思維
數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新
信息社會責(zé)任
在學(xué)習(xí)過程中，我們需要思考其對社會、環(huán)境和人類的影響。需要遵循倫理道德規(guī)范。
明白能夠了解和掌握機(jī)器人技術(shù)的新途徑，讓我們可以隨時隨地學(xué)習(xí)機(jī)器人編程、設(shè)計和應(yīng)用的知識。
能將問題分解是將復(fù)雜的任務(wù)分解為一系列簡單的子任務(wù)，以便機(jī)器人能夠逐步完成。
意識在機(jī)器人領(lǐng)域至關(guān)重要。它使我們能夠敏銳地捕捉到機(jī)器人技術(shù)的最新動態(tài)和發(fā)展趨勢。
02
新知導(dǎo)入
想要深入認(rèn)識機(jī)器人，可以從開源機(jī)器人入手，了解相關(guān)的過程與控制原理，還可以自己嘗試實(shí)現(xiàn)部分功能，比如我們常見的大部分機(jī)器人能夠感知周圍的障礙物，及時調(diào)整行進(jìn)路徑，避開障礙物，像這樣的避障機(jī)器人應(yīng)用了什么樣的原理？制作這樣的機(jī)器人原型需要什么樣的工具和方法？這節(jié)課我們一起探索一下吧!
02
新知導(dǎo)入
如果想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能，要怎么實(shí)現(xiàn)呢？
有障礙物，
我要轉(zhuǎn)彎。
02
新知導(dǎo)入
思考
同學(xué)們，假設(shè)讓你們制作一個簡易機(jī)器人，你們會如何設(shè)計？會使用什么技術(shù)來實(shí)現(xiàn)呢？
在我看來，計算機(jī)計算機(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。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，讓計算機(jī)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(jī)的世界里起著非常重要的作用。
如果讓我制作一個簡易機(jī)器人，我會從以下幾個方面進(jìn)行設(shè)計：
外觀設(shè)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(shè)計：選擇合適的移動功能設(shè)計、感知功能設(shè)計、控制功能、交互功能等。
材料選擇：機(jī)身材料輕便、電子元件質(zhì)量可靠工具配件。
02
新知導(dǎo)入
在我看來，計算機(jī)計算機(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。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，讓計算機(jī)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(jī)的世界里起著非常重要的作用。
如果制作一個簡易機(jī)器人，可以考慮使用以下技術(shù)來實(shí)現(xiàn)：
傳感器技術(shù)：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(huán)境光線的強(qiáng)度。
電機(jī)控制技術(shù)：直流電機(jī)是簡易機(jī)器人中常用的動力源、舵機(jī)用于控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動，如機(jī)器人的手臂或頭部。
微控制器技術(shù)：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(xué)的編程語言，具有豐富的庫和工具。
02
新知導(dǎo)入
03
新知講解
一、感知障礙物—做出行動規(guī)劃
當(dāng)我們要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的某個功能時，可以從開源機(jī)器人著手，研究其功能背后實(shí)現(xiàn)的原理。機(jī)器人具有感知能力，并能根據(jù)感知到的信息做出行動規(guī)劃。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的某個功能，我們需要思考機(jī)器人需要感知哪些信息？感知到信息后，機(jī)器人要做什么樣的行動規(guī)劃？
以避障機(jī)器人為例，避障機(jī)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(guī)劃行走路線。比如在機(jī)器人行進(jìn)過程中，當(dāng)前方有障礙物擋住前進(jìn)的道路時，機(jī)器人可以轉(zhuǎn)彎以避開障礙物，再繼續(xù)前進(jìn)，如圖 3.2.1所示。因此，避障機(jī)器人的功能可以歸結(jié)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(chǔ)功能。
03
新知講解
顯示距離
行走
探測障礙物
圖3.2.1 避障機(jī)器人的功能分析與設(shè)計
03
新知講解
課堂活動
大家想要實(shí)現(xiàn)一個具備怎樣功能的機(jī)器人呢？請分析你想要設(shè)計的機(jī)器人的功能。
學(xué)習(xí)助手功能：回答各種問題并能夠快速準(zhǔn)確地回答主人的問題，包括歷史、科學(xué)、文化等方面的知識。可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)獲取最新的信息。
健康管理功能：健康檢測及運(yùn)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(zhì)并調(diào)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(lián)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。
03
新知講解
二、知識準(zhǔn)備
機(jī)器人的工作過程(見圖 3.2.2)一般是通過感知系統(tǒng)(輸入)獲取外部信息，然后將這些信息發(fā)送給控制系統(tǒng)(控制)進(jìn)行處理，控制系統(tǒng)通過運(yùn)算后給出處理方案，將方案結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行系統(tǒng)(輸出)執(zhí)行相應(yīng)的操作，如機(jī)器人行走。
傳感器感知信息
執(zhí)行器執(zhí)行操作
下達(dá)命令
執(zhí)行器執(zhí)行操作
下達(dá)命令
核心版處理信息
電機(jī)
電機(jī)
傳輸信息
圖3..2.2 機(jī)器人的工作過程
03
新知講解
機(jī)器人的感知系統(tǒng)通常是各種傳感器，這些傳感器就相當(dāng)于機(jī)器人的眼、耳、口、鼻。根據(jù)功能的不同進(jìn)行分類，常見的機(jī)器人傳感器如表3.2.1所示。
機(jī)器人常用傳感器
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(yīng)用場景）
聽覺 聲音傳感器
表3.2.1 機(jī)器人常用傳感器
03
新知講解
傳感器類別 傳感器名稱 圖片
觸覺 按鍵傳感器
環(huán)境 溫濕度傳感器
紅外 循跡傳感器 （通過發(fā)射和接收紅外線檢測黑線、白線）
姿態(tài) 姿態(tài)傳感器
續(xù)表：
03
新知講解
避障機(jī)器人可以使用超聲波傳感器作為感知系統(tǒng)，當(dāng)感知到前面有障礙物時，會將障礙物與機(jī)器人之間的距離數(shù)據(jù)發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做出相應(yīng)處理。在這里超聲波就相當(dāng)于避障機(jī)器人的眼睛。超聲波傳感器(見圖3.2.3)是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他信號(通常是電信號)的傳感器。
認(rèn)識超聲波傳感器
圖3.2.3 超聲波傳感器
03
新知講解
超聲波傳感器的工作原理(見圖3.2.4)是從發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，超聲波會在空氣中傳播，當(dāng)遇到障礙物時會將超聲波反彈回來，根據(jù)發(fā)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。
圖3.2.4 超聲波傳感器的工作原理
超聲波
發(fā)射探頭
超聲波
接收探頭
距離值
超聲波傳感器
障
礙
物
03
新知講解
通常情況下，機(jī)器人行走有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等情況。以輪式機(jī)器人為例，當(dāng)左、右兩個輪子以同樣的速度往同一個方向轉(zhuǎn)動時，機(jī)器人就前進(jìn)或后退(由于左、右兩個輪子在機(jī)器人上往往是對稱安裝的，所以兩個輪子通常轉(zhuǎn)向相反，才能實(shí)現(xiàn)往同一方向轉(zhuǎn)動)。當(dāng)兩個輪子的轉(zhuǎn)速存在差別時，機(jī)器人就會轉(zhuǎn)彎，即當(dāng)左輪慢(停)，右輪快時，機(jī)器人就左轉(zhuǎn);當(dāng)左輪快，右輪慢(停)時，機(jī)器人就右轉(zhuǎn)。當(dāng)左、右兩個輪子停止轉(zhuǎn)動時，機(jī)器人就停止。控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止的程序代碼如圖 3.2.5 所示。
機(jī)器人行走
03
新知講解
前進(jìn)
M1
M2
打開 MI 電機(jī) 正傳 速度 60
打開 M2 電機(jī) 反轉(zhuǎn) 速度 60
打開 MI 電機(jī) 正傳 速度 60
打開 M2 電機(jī) 反轉(zhuǎn) 速度 60
打開 MI 電機(jī) 正傳 速度 0
打開 M2 電機(jī) 反轉(zhuǎn) 速度 60
打開 MI 電機(jī) 正傳 速度 60
打開 M2 電機(jī) 反轉(zhuǎn) 速度 0
注：M1 電機(jī)為左輪，M2電機(jī)為右輪
關(guān)閉 M1 輸出
關(guān)閉 M2 輸出
M1
M2
后退
M1
M2
停止
M1
M2
左轉(zhuǎn)
M1
右轉(zhuǎn)
M2
圖3.2.5 機(jī)器人進(jìn)行狀態(tài)對應(yīng)的代碼
03
新知講解
分析了機(jī)器人的功能之后，根據(jù)機(jī)器人的功能準(zhǔn)備相關(guān)器材。如避障機(jī)器人感知障礙物用什么感知設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)呢 常見的有超聲波傳感器、雷達(dá)傳感器、紅外探測傳感器、攝像頭等。避障機(jī)器人的行走功能用什么設(shè)備來實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)機(jī)器人的形態(tài)來定，例如輪式機(jī)器人可以使用電機(jī)來實(shí)現(xiàn)行走，像雙足、四足等機(jī)器人可以使用舵機(jī)等設(shè)備來執(zhí)行行走的功能。
制作避障機(jī)器人的器材清單如圖 3.2.6 所示。
三、器材準(zhǔn)備
主控板x1 超聲波傳感器x1 電機(jī)x2
連接線x1 數(shù)據(jù)線x1 年輪x2
圖3.2.6 制作避障機(jī)器人的器材清單
03
新知講解
課堂活動
要實(shí)現(xiàn)避障機(jī)器人的相關(guān)功能，同學(xué)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(jù)預(yù)設(shè)的算法控制機(jī)器人的運(yùn)動。
電機(jī)：可以選擇直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)速度快、扭矩大，但控制精度相對較低；步進(jìn)電機(jī)控制精度高，但速度和扭矩相對較小。
電池：為機(jī)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(jī)器人的車架，確保機(jī)器人的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
03
新知講解
實(shí)現(xiàn)避障機(jī)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(jī)連接到主控板上，如圖 3.2.7 所示。
四、項(xiàng)目體驗(yàn)—避障機(jī)器人
圖3.2.7 避障機(jī)器人電路連接圖
03
新知講解
打開編程軟件，根據(jù)避障機(jī)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(shí)現(xiàn)避障機(jī)器人的功能，即顯示當(dāng)前障礙物到超聲波的距離。當(dāng)遇到障礙物時，機(jī)器人轉(zhuǎn)彎(可以選擇左轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，也可以選擇右轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn))，從而避開障礙物以避免停滯不前，而轉(zhuǎn)彎后，如果沒有障礙物，那么機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。
開始
顯示超聲波的檢測距離值
超聲波檢測值≤10？
否
機(jī)器人左轉(zhuǎn)
圖3.2.8 避障機(jī)器人程序流程圖
機(jī)器人前進(jìn)
是
03
新知講解
模式 普通 不換行
OLED 顯示生效
12c 超聲波≤10
否則
主程序
一直重復(fù)
OLEO 顯示 清空
OLEO 第1行 顯示
圖3.2.9 主控板控制機(jī)器人避障機(jī)器人避障程序代碼
轉(zhuǎn)文本“距離”
12c超聲波
如果
打開 MI 電機(jī) 正傳 速度 0
打開 M2 電機(jī) 反轉(zhuǎn) 速度 60
打開 MI 電機(jī) 正傳 速度 60
打開 M2 電機(jī) 反轉(zhuǎn) 速度 60
04
課堂練習(xí)
實(shí)踐
請同學(xué)們編寫避障機(jī)器人的程序，并使用積木將避障機(jī)器人的結(jié)構(gòu)搭建出來，如圖3.2.10所示。
避障機(jī)器人程序Python 示例：導(dǎo)入所需的庫，設(shè)置 GPIO 引腳，定義超聲波傳感器測量距離的函數(shù)，主循環(huán)實(shí)現(xiàn)避障邏輯，清理 GPIO 資源。
積木搭建避障機(jī)器人結(jié)構(gòu)：底座、驅(qū)動部分、傳感器安裝、控制部分、裝飾和加固。
圖3.2.10 避障機(jī)器人結(jié)構(gòu)
05
拓展延伸
人與機(jī)器人共存之道
機(jī)器人發(fā)展越來越快，會不會有一天超越人類呢？
這個問題目前完全沒必要擔(dān)憂，雖然現(xiàn)在很多影視作品中經(jīng)常會出現(xiàn)機(jī)器人發(fā)展成高級智能后就會傷害人類的現(xiàn)象，但是現(xiàn)實(shí)與科幻之間還相距甚遠(yuǎn)!
05
拓展延伸
人與機(jī)器人共存之道
為什么如此確定呢？
人們創(chuàng)造機(jī)器人的目的是讓它們服務(wù)人類社會。人們在研究和使用機(jī)器人的同時也為機(jī)器人制定了以下規(guī)則。
第一：機(jī)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(jī)器人應(yīng)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(jī)器人必須保護(hù)自己的存在，但不得與第一、第二條相抵觸。
機(jī)器人三大法則的存在使機(jī)器人不會對人類做出傷害行為。
05
拓展延伸
如何提高避障機(jī)器人對透明障礙物的感知能力？
傳感器選擇與優(yōu)化：
多傳感器融合結(jié)合不同類型的傳感器，如超聲波傳感器、紅外傳感器和激光傳感器等。
信號處理與算法改進(jìn)：
信號增強(qiáng)算法采用信號增強(qiáng)技術(shù)，如濾波、放大和降噪等，提高傳感器接收到的信號質(zhì)量。
05
拓展延伸
如何提高避障機(jī)器人對透明障礙物的感知能力？
環(huán)境適應(yīng)與輔助手段：
光照控制調(diào)整機(jī)器人周圍的光照條件，以提高對透明障礙物的感知能力。標(biāo)記或涂層，在透明障礙物上添加標(biāo)記或涂層，使其更容易被傳感器檢測到。
優(yōu)化傳感器參數(shù)：
對于超聲波傳感器，可以調(diào)整發(fā)射頻率和脈沖寬度等參數(shù)。較高的發(fā)射頻率可能對透明障礙物有更好的響應(yīng)，但同時也會受到更多的噪聲。
05
拓展延伸
對于遠(yuǎn)距離障礙感知，哪種傳感器或技術(shù)最為有效？
激光雷達(dá)：
激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束并測量反射光的時間來確定目標(biāo)物體的距離。它可以快速掃描周圍環(huán)境，生成高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
毫米波雷達(dá):
毫米波雷達(dá)利用毫米波頻段的電磁波來檢測目標(biāo)物體。它通過發(fā)射毫米波信號并接收反射信號。
05
拓展延伸
對于遠(yuǎn)距離障礙感知，哪種傳感器或技術(shù)最為有效？
視覺傳感器與深度學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合：
智能玩具機(jī)器人可以與兒童進(jìn)行互動游戲，講故事、唱歌、回答問題等，激發(fā)兒童的想象力和創(chuàng)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(jìn)行分析和處理，計算出物體的距離和深度信息。
05
拓展延伸
如何確保避障機(jī)器人在行動規(guī)劃過程中的安全性和穩(wěn)定性？
硬件設(shè)計方面：傳感器選擇與優(yōu)化多傳感器融合采用多種類型的傳感器，校準(zhǔn)與維護(hù)定期對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
軟件算法方面：實(shí)時環(huán)境感知采用高效的算法對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理；建立準(zhǔn)確的環(huán)境模型，以便機(jī)器人能夠更好地規(guī)劃行動路徑。
測試與驗(yàn)證方面：軟件仿真利用機(jī)器人仿真軟件，在虛擬環(huán)境中對機(jī)器人的行動規(guī)劃算法進(jìn)行測試和驗(yàn)證。
05
拓展延伸
未來避障機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢是什么？
未來避障機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面：
人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的深度融合：機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法將在避障機(jī)器人中得到更廣泛的應(yīng)用和深入的發(fā)展。機(jī)器人能夠通過大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練提高對不同場景的適應(yīng)性。
通信技術(shù)的發(fā)展：高速、低延遲通信隨著 5G 等高速通信技術(shù)的普及，避障機(jī)器人的通信速度和穩(wěn)定性將得到極大的提升，提高對復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)對能力。
06
活動日志
活動日志 班級：XX 姓名：XX
活動名稱 避障機(jī)器人—感知障礙與行動規(guī)劃
活動環(huán)節(jié) 1口 2口 3口 4口（在對應(yīng)環(huán)節(jié)畫V）
活動完成內(nèi)容 感知障礙物—做出行動規(guī)劃、知識準(zhǔn)備、器材準(zhǔn)備、項(xiàng)目體驗(yàn)—避障機(jī)器人
活動完成度 口口口口口口口口口(100%)
活動小結(jié) 問題與反思：技術(shù)難題運(yùn)動能力不足。
改進(jìn)的方法：研發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動技術(shù)等。
07
課堂總結(jié)
1
引入新知內(nèi)容
避障機(jī)器人—感知障礙與行動規(guī)劃
2
學(xué)習(xí)感知障礙物—做出行動規(guī)劃
3
學(xué)習(xí)知識準(zhǔn)備、器材準(zhǔn)備
4
學(xué)習(xí)項(xiàng)目體驗(yàn)—避障機(jī)器人
5
完成課題練習(xí)
1
2
3
4
5
5
進(jìn)行相關(guān)知識拓展
6
08
板書設(shè)計
避障機(jī)器人—感知障礙與行動規(guī)劃
1.進(jìn)行新知引入
2.學(xué)習(xí)感知障礙物—做出行動規(guī)劃
3. 學(xué)習(xí)知識準(zhǔn)備、器材準(zhǔn)備
4.學(xué)習(xí)項(xiàng)目體驗(yàn)—避障機(jī)器人
5.完成課堂練習(xí)
6.進(jìn)行知識拓展
09
課后作業(yè)
01
利用簡單的材料制作一個簡易的避障機(jī)器人模型。
09
課后作業(yè)
02
設(shè)計一個你心目中的避障機(jī)器人，用彩筆把它畫出來。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

展開更多......

收起↑