川教版(2019版)九年級(jí)信息技術(shù)下冊(cè)課件第二單元第2節(jié)《安全消防機(jī)器人》

中物理第二單元探索未來(lái)城市中的機(jī)器人川教版（2019）信息技術(shù)（九年級(jí)下冊(cè)）第2節(jié)安全消防機(jī)器人1課堂導(dǎo)入1課堂導(dǎo)入機(jī)器人可以替代或輔助人類在特殊崗位從事危險(xiǎn)度高、工藝復(fù)雜的活動(dòng)。如在極端環(huán)境、自然災(zāi)害、火災(zāi)、?；繁?、核泄漏等安全事件中，機(jī)器人可以進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境，憑借遠(yuǎn)程通信、定位、防爆、防水、防病毒以及人工智能等功能，實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)，最大限度地保障人員及財(cái)產(chǎn)安全。思考：請(qǐng)說(shuō)說(shuō)在城市生活中，存在哪些安全問(wèn)題，面對(duì)這些問(wèn)題，你有解決的思路嗎?學(xué)習(xí)目標(biāo)11.理解火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟聿⒄莆掌涫褂梅椒ā?.學(xué)會(huì)一種避障算法，實(shí)現(xiàn)避障功能。3.能設(shè)計(jì)、搭建一個(gè)消防機(jī)器人模型，并編寫程序?qū)崿F(xiàn)功能。2目錄一、項(xiàng)目分析，方案確定二、系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)三、程序調(diào)試，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化項(xiàng)目分析，方案確定一一、項(xiàng)目分析，方案確定項(xiàng)目分析，方案確定一1.需求分析如果我們也想嘗試制作一個(gè)城市“消防員”——消防機(jī)器人，用來(lái)替代消防員執(zhí)行消防任務(wù)，我們就有了制作需求。項(xiàng)目分析，方案確定一2.技術(shù)選型我們要制作消防機(jī)器人，可以使用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)火源是否存在，使用超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)障礙物的距離?；鹧?zhèn)鞲衅魇抢没鹧姘l(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線（波長(zhǎng)760~1100nm)來(lái)檢測(cè)光源的傳感器。它把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)輸入到控制器里，控制器根據(jù)信號(hào)的變化做出相應(yīng)的程序處理。項(xiàng)目分析，方案確定一3.功能分析根據(jù)器材的基本特性，可以把消防機(jī)器人模型分成控制器、檢測(cè)裝置、運(yùn)動(dòng)裝置和滅火裝置四個(gè)部分。消防機(jī)器人控制器檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)裝置滅火裝置項(xiàng)目分析，方案確定一4.問(wèn)題建模為了模擬消防機(jī)器人檢測(cè)火源和滅火的過(guò)程，建立問(wèn)題模型：在一定空間里尋找火源，并用風(fēng)扇吹滅火源。項(xiàng)目分析，方案確定一5.方案確定作品功能：機(jī)器人在一定空間內(nèi)探測(cè)火源，若發(fā)現(xiàn)火源，則啟動(dòng)滅火裝置滅火。材料清單：Arduino控制器、火焰?zhèn)鞲衅?、超聲波測(cè)距模塊(HC-SR04)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1(L298N)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2(E9110)、直流電機(jī)（帶風(fēng)扇）、USB數(shù)據(jù)線。實(shí)現(xiàn)過(guò)程：先搭建消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，將控制器與運(yùn)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置、滅火裝置正確連接；分步驟檢測(cè)各裝置正常運(yùn)行后編寫程序，實(shí)現(xiàn)滅火功能；并在實(shí)際環(huán)境中不斷運(yùn)行實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化參數(shù)。項(xiàng)目分析，方案確定一運(yùn)行流程見下圖：開始直行遇到障礙物？檢測(cè)是否為火源？火源是否熄滅？避開障礙物啟動(dòng)滅火裝置否是是是否否系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二二、系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二1.結(jié)構(gòu)搭建根據(jù)設(shè)計(jì)方案，搭建消防機(jī)器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并安裝好火焰?zhèn)鞲衅鳌⒊暡y(cè)距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。滅火風(fēng)扇和L9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊Arduino控制器超聲波測(cè)距模塊電池盒機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二2.系統(tǒng)接線基于消防機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電路連接圖將Arduino控制器與運(yùn)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置、滅火裝置連接好，并記錄好器件針腳對(duì)應(yīng)表。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二連接端口對(duì)應(yīng)表模塊名稱模塊端口Arduino控制器端口火焰?zhèn)鞲衅鱒CC5VGNDGNDDO8超聲波測(cè)距模塊VCC5VGNDGNDEcho3Trig2滅火風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(L9110)VCC5VGNDGNDIB110IA19左右輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(L298N)IN17IN26IN35IN44系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二3.程序編寫在設(shè)計(jì)較復(fù)雜的程序時(shí)，程序員往往會(huì)將一個(gè)復(fù)雜的程序按照功能劃分為若干個(gè)小的程序模塊。每個(gè)小的程序模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)確定的功能，并在這些模塊之間建立必要的聯(lián)系。通過(guò)模塊的互相協(xié)作完成整個(gè)功能，這種程序設(shè)計(jì)的方式稱為模塊化的程序設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在我們需要將消防機(jī)器人的功能進(jìn)行細(xì)化，使用模塊化的方式逐一地實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的功能。（1）消防機(jī)器人避障功能問(wèn)題模型中，消防機(jī)器人在一個(gè)封閉的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，消防機(jī)器人行進(jìn)的動(dòng)作分為直行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。現(xiàn)在我們應(yīng)用模塊化的編程思想，先來(lái)編寫子模塊函數(shù)。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二直行函數(shù)后退函數(shù)左轉(zhuǎn)函數(shù)右轉(zhuǎn)函數(shù)停止函數(shù)不同電機(jī)的速度參數(shù)要根據(jù)不同情況分別進(jìn)行調(diào)試、確定系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二超聲波測(cè)距模塊用于檢測(cè)障礙物與消防機(jī)器人的距離，在調(diào)試時(shí)可以使用串口打印功能測(cè)試超聲波測(cè)距模塊的運(yùn)行情況。下圖為串口輸出超聲波測(cè)距距離程序示例：系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二任務(wù)一：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)超聲波測(cè)距模塊的靈敏度，以及它在不同場(chǎng)景和障礙物存在的情況下測(cè)量距離的精度情況。在能正確檢測(cè)障礙物的距離后，我們就要開始著手設(shè)計(jì)機(jī)器人小車的避障功能，先設(shè)計(jì)出避障算法。我們先來(lái)看一種簡(jiǎn)單的避障算法的流程圖以及避障程序示例：系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二開始直行、障礙物檢測(cè)后退__1__秒鐘左轉(zhuǎn)彎障礙物距離>_20_cm？是否系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二小提示：障礙物距離參數(shù)和后退、左轉(zhuǎn)的時(shí)間參數(shù)需要根據(jù)電機(jī)和環(huán)境情況反復(fù)調(diào)試與優(yōu)化。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二任務(wù)二：你認(rèn)為上面的避障算法有需要改進(jìn)的地方嗎？請(qǐng)根據(jù)設(shè)計(jì)的算法畫出相應(yīng)的流程圖，并編寫程序上傳到消防機(jī)器人以驗(yàn)證算法的正確性與避障效率。(2）消防機(jī)器人滅火功能滅火動(dòng)作由風(fēng)扇吹滅火焰來(lái)模擬，可以將滅火動(dòng)作設(shè)計(jì)為啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇滅火和停止風(fēng)扇滅火兩個(gè)函數(shù)。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二火源用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)：火焰?zhèn)鞲衅鱀O針腳輸出為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)為“0”時(shí)表示檢測(cè)到火焰，為“1”時(shí)表示未檢測(cè)到火焰。那么火源的檢測(cè)及滅火動(dòng)作的程序如下：上圖中的程序使用了循環(huán)語(yǔ)句和條件語(yǔ)句，當(dāng)檢測(cè)到火源時(shí)（8號(hào)管腳讀入的數(shù)值為“0”時(shí)）則循環(huán)執(zhí)行“outFire”函數(shù)，直到?jīng)]有檢測(cè)到火源時(shí)（8號(hào)管腳讀入的數(shù)值為“1”時(shí)）則執(zhí)行“stopOutFire”函數(shù)。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二(3）程序整合在前面程序模塊設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試之后，將消防機(jī)器人按原先設(shè)計(jì)的算法流程圖進(jìn)行整合。程序調(diào)試，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化三三、程序調(diào)試，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化程序調(diào)試，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化三將程序上傳至Arduino控制器，并將消防機(jī)器人放在實(shí)際模擬場(chǎng)景中，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的主要功能。任務(wù)三：通