第10課程序設(shè)計——機器人大力士教學(xué)案

1、EV3電子教案入門篇第10課 程序設(shè)計機器人大力士教學(xué)案一、提出問題 當(dāng)今，日本盛行一種叫做“相撲”的比賽，比賽時兩位大力士在一個圓圈內(nèi)相互角力，一方把另一方推出圈外后就會獲得比賽的勝利，如圖10-1所示。你能做一個機器人大力士嗎?讓機器人去參加“相撲”比賽！二、聯(lián)想圖10-1 相撲運動 相撲機器人如果做成人形進(jìn)行角斗是最理想的，但人形機器人的制作比較復(fù)雜，再去進(jìn)行比賽就更難實現(xiàn)了。因此，我們利用上節(jié)課制作的機器人小車來制作機器人大力士。圖10-2 機器人相撲三、要求 機器人相撲，如圖10-2所示。 1. 機器人大力士不能出圈 2. 遇到對手時要相互角力 四、構(gòu)建 機器人大力士在行走的過程中是

2、不能主動出圈的，出圈后比賽就輸了。要使機器人不出圈主要是要讓機器人能夠準(zhǔn)確識別黑線，那機器人如何能夠識別黑線呢?這就要依靠機器人的眼睛顏色傳感器。圖10-3 顏色傳感器技能牌：顏色傳感器EV3套裝中提供了顏色傳感器，如圖10-3所示，顏色傳感器就像機器人的眼睛一樣，它可以識別顏色或光的強度。顏色傳感器提供了三種功能：1、顏色 2、反射光線強度 3、環(huán)境光強度 機器人大力士主要利用顏色傳感器的“反射光線強度”功能，它的原理是顏色傳感器的發(fā)射端口將會發(fā)射紅光，紅光從物體反射回來被接收端口接收。我們會看到反射回來的百分比：0100。數(shù)值越小代表光線越弱，數(shù)值越大光線越強。這里要注意反射的數(shù)值會受到物

3、體的顏色，材質(zhì)或環(huán)境光線的影響。 顏色傳感器安裝： 顏色傳感器的端口要朝下，如圖10-4所示，并且要考慮到當(dāng)前機器人測試的環(huán)境，如果安裝到小車的前方就要注意環(huán)境光對傳感器的影響。因此，為了將影響降到最低，我們通常將顏色傳感器安裝到機器人的車底，如圖10-5所示。這樣既可以避免環(huán)境光對顏色傳感器的干擾，而且在機器人相互碰撞的時候也不會把傳感器撞歪或撞掉。顏色傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到控制器輸入端口3。 圖10-4顏色傳感器的端口朝下圖10-5 顏色傳感器安裝到車底五、算法與程序： 算法：當(dāng)機器人前進(jìn)的時候，會始終通過顏色傳感器檢測地面光強，如果是白色地面機器人會一直前進(jìn)；如果遇到黑線，機器人就會

4、停止，后退并轉(zhuǎn)向，然后朝其他方向繼續(xù)前進(jìn)，根據(jù)算法編寫以下程序。 程序：1 選擇“移動轉(zhuǎn)向”模塊。注意這里要選擇“開啟”選項，如圖10-6所示，電機會一直轉(zhuǎn)動。如果選擇時間或角度，經(jīng)過所設(shè)置的時間或角度后，電機會停止，這樣機器人就會一直停下來。這是初學(xué)者經(jīng)常會犯的錯誤，需要在編程的時候一定要注意這個問題，設(shè)置好電機方向和電機功率的模塊程序如圖10-7所示。圖10-6 選擇“開啟”圖10-7電機模塊以及電機參數(shù) 1. 選擇“流程控制”類中的“等待”模塊。在我們需要等待時間或等待一個條件時經(jīng)常會用到這個模塊，如圖10-8所示。圖10-8 等待模塊2. 在“等待”模塊中選擇“顏色傳感器”>“比

5、較”>“反射光線強度”，如圖10-9所示。在右上角端口設(shè)置為3，注意端口所設(shè)置的數(shù)值一定要與傳感器連接的端口一致。這個模塊的作用是：當(dāng)條件不成立的時候會始終運行前一個模塊的動作，一旦條件成立，就會執(zhí)行后面的模塊，我們經(jīng)常會把它比喻成生活當(dāng)中的門，當(dāng)條件不成立的時候門是不開的，只能執(zhí)行前面的模塊；當(dāng)條件成立時門就開了，就可以執(zhí)行后面的模塊了。圖10-9 選擇反射光線強度4. 閾值的輸入 閾值是條件的比較值，在這里閾值應(yīng)該是黑色和白色的中間值，舉個例子，當(dāng)黑色光值為40,白色光值為60時，我們會選擇中間的一個值45或55。 如果在機器人前進(jìn)的過程中，它測到的光值小于閾值，這時機器人會知道當(dāng)前

6、位置是在黑線上；當(dāng)前光值大于閾值即認(rèn)定為在白色區(qū)域上。由此我們就可以通過比較來判斷當(dāng)前的位置是白色區(qū)域還是黑線。技能牌：閾值的測量在EV3控制器中打開“port view”程序塊，如圖10-10所示。選擇col-reflect功能，即“反射光線強度”功能。在端口查看中可以看到1端口顏色傳感器的數(shù)值，數(shù)值范圍是0100。測量的時候測兩次，傳感器放在白色區(qū)域讀一次值，值為96，如圖10-11所示。放在黑色區(qū)域讀一次值，值為4，如圖10-12所示。 測量值的大小要根據(jù)場地的材質(zhì)，地磚和白色燈箱布的差別還是很大的。根據(jù)我所測量的光值，最終閾值取值為50。圖10-10 打開“port view”程序塊圖

7、10-11 讀白色值圖10-12 讀黑色值 5. 檢測到黑線后，讓機器人停止，并向后退1秒，然后轉(zhuǎn)向1秒，如圖10-13所示。這里要設(shè)置一個讓機器人向后退的動作，因為當(dāng)檢測到黑線后，機器人的位置已經(jīng)處在黑線的上方位置，如果直接轉(zhuǎn)動，很容易讓傳感器接觸到圈外，這樣機器人很容易出現(xiàn)走出圈的動作。圖10-13 檢測黑線后向后退1秒下載程序，在運行時，你可以看到機器人碰到黑線后會停下，并后退和轉(zhuǎn)向，后退和轉(zhuǎn)向的時間可以根據(jù)你的場地進(jìn)行取值。當(dāng)然，對于電機的控制你也可以把時間控制換為角度來進(jìn)行動作?，F(xiàn)在，你的機器人大力士可以上場比賽啦！六、優(yōu)化與改進(jìn) 機器人大力士可以在圓圈內(nèi)行走，但是我們看到機器人不能

8、自動找到對手，它只是隨機的進(jìn)行移動，這樣我們會覺得比賽不是非常精彩。 下面我們就進(jìn)行一下改進(jìn)，利用樂高的超聲傳感器來找到對手并進(jìn)行角力。 技能牌：超聲波傳感器 超聲波傳感器可以測量前方物體與機器人之間的距離，如圖10-14所示。它的原理是超聲傳感器發(fā)出超聲波，超聲波從物體反射回來被超聲傳感器接收，根據(jù)聲波發(fā)射與接收的時間計算出機器人與物體之間的距離。超聲波傳感器的測量范圍是：0255cm。圖10-14 超聲波傳感器 1. 安裝超聲波傳感器 超聲波傳感器安裝在機器人的前方，將發(fā)射口一面朝前安裝。如圖10-5所示。這里要注意傳感器的安裝高度，不要安裝的過高，要根據(jù)對方機器人的高度進(jìn)行安裝，否則會檢

9、測不到對手。將傳感器通過數(shù)據(jù)線連接到控制器的輸入口4，如圖10-16所示。 圖10-15 超聲波傳感器的安裝 圖10-16 超聲波傳感器固定到小車上2. 算法與程序 算法： 機器人大力士在圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)尋找對手，一旦發(fā)現(xiàn)對手，前進(jìn)與對手進(jìn)行角力，同時，機器人要隨時檢測黑線，不能超越黑線走出圓圈。 程序：1) 機器人旋轉(zhuǎn)尋找對手，通過超聲波來發(fā)現(xiàn)對手。將“等待超聲波”模塊中的單位設(shè)置為厘米(cm)，超聲波傳感器的測量范圍是：0255cm，在超聲波距離小于30厘米時可以發(fā)現(xiàn)對方，如圖10-17所示。距離遠(yuǎn)近可以視比賽場地自行調(diào)整。圖10-17 等待超聲波小于30CM 2) 發(fā)現(xiàn)對手后，要與對手角力，但是

10、機器人始終要監(jiān)測超聲測距和地面黑線檢測兩個條件，因此，光值的判斷不能使用等待模塊，在這里我們使用切換模塊。技能牌：切換模塊 切換模塊可以進(jìn)行條件的比較或者是多種條件的選擇。切換模塊實際整合了程序設(shè)計中的分支語句和多條件選擇語句，如圖10-18所示。圖10-18 切換模塊用切換模塊判斷顏色傳感器是否檢測到地面黑線。當(dāng)顏色傳感器檢測到黑線時，機器人后退并且轉(zhuǎn)動；反之沒有檢測到黑線，機器人會向前行進(jìn)0.2秒，如圖10-19所示。 圖10-19 切換模塊控制機器人識別黑線并控制電機 3) 完整程序如圖10-20所示，這是相樸機器人的完整程序。圖10-20 相樸機器人程序 經(jīng)過改進(jìn)以后，機器人大力士就可

11、以尋找到對手，并與對手進(jìn)行角力，這將會讓我們的相撲比賽變得更加精彩！七、實踐與討論 當(dāng)我們測量黑線時，為什么光線強度值會小?_ _ 顏色傳感器離物體的距離是否會影響光線反射回來的比值?如何影響? _八、拓展 利用顏色傳感器的“反射光線強度”功能，讓機器人小車可以沿著黑線行走，如圖10-21所示。 提示：要使機器人小車能夠順利地走黑線，要調(diào)整顏色傳感器與電機之間的軸距距離，把顏色傳感器安裝到車的前方,這樣機器人小車走黑線的效果會更好! 圖10-21 機器人小車走黑線 完整程序：如圖10-22所示。圖10-22 機器人小車走黑線 九、作業(yè) 利用顏色傳感器的“顏色”功能，讓機器人能夠自動識別顏色，如檢測紅色時，讓機器人發(fā)出語音信息“Red”。 提示：選擇顏色傳感器“顏色”功能后，機器人可以識別無顏色，黑色，藍(lán)色，綠色，黃色，紅色，白色和棕色8種顏色，分別用數(shù)值07來表示，如圖10-23所示。另外，用顏色傳感器的切換語句進(jìn)行多條件比較會使程序變得十分簡單。注意：當(dāng)選擇顏色傳感器“顏色”功能后，傳感器與被測顏色之間要距離很近才可以測量的準(zhǔn)確。圖10-23 07代表的8種顏色光電小車搭建圖1. 軸銷轉(zhuǎn)接器2. 軸銷轉(zhuǎn)接器與圓銷連接3. 軸銷轉(zhuǎn)接器與十字軸連接4. 顏色傳感器5. 軸銷轉(zhuǎn)接器固定在顏色傳感器上6. 制作對稱的軸銷轉(zhuǎn)接器固下在顏色傳感器上7. 機器人小