《第2節(jié) 安防機器人的方案設計》課件

川教版（2019）信息技術（九年級下冊）第一單元認識未來城市中的機器人第2節(jié)安防機器人的方案設計課堂導入城市安防機器人不間斷巡邏在未來城市的道路上，因其具有“定線不定向”的巡邏特點，具有很好的機動性和安全性。安防機器人是如何按照管理員設定的路線做“定線巡邏”的？又是如何實現(xiàn)“不定向巡邏”的？課堂導入1.了解安防機器人的工作特點。2.學會設計中小學教育機器人的一般方法。3.掌握超聲波傳感器、紅外循跡傳感器的工作原理。學習目標一、分析項目二、確定方案三、技術選型四、編程環(huán)境的搭建目錄觀察動圖：看看機器人小車的巡邏路線，有多少種交叉路口？每一種交叉路口，機器人小車有多少條路線可以選擇？思考：如果我們要設計并制作這樣一臺機器人小車，需要完成哪些任務？分析項目根據(jù)學生回答歸納：需要完成以下兩項任務：一是選擇和使用傳感器，循著黑線做“定線”巡邏，以及機器人遇到路口的不同情形時，作出“不定向”選擇；二是選擇和使用傳感器，檢測障礙物，并發(fā)出警示。思考：機器人小車怎樣才能實現(xiàn)上述任務？分析項目1.確定機器人小車的外形及驅動方案為了實現(xiàn)巡邏功能，我們需要先確定由兩個電機作為驅動的四輪機器人小車方案，并通過橡皮筋實現(xiàn)前后輪同步運轉，如下圖所示：確定方案2.確定“定線”方案我們需要在城市安防機器人小車的前端，安裝3組紅外循跡傳感器，作為“眼睛”，通過紅外循跡傳感器檢測場地上的黑色線條，來判斷機器人小車是否偏離路線或是否需要轉向，方案如下圖：確定方案思考：當只有中間的紅外循跡傳感器檢測到黑線時，機器人小車保持直線行駛；當只有左邊的紅外循跡傳感器檢測到黑線時，機器人小車會怎樣行駛？當只有右邊的紅外循跡傳感器檢測到黑線時，機器人小車又會怎樣行駛？思考后填寫下表：紅外循跡傳感器檢測情況分析表傳感器檢測到的顏色機器人小車狀態(tài)傳感器檢測到的顏色機器人小車狀態(tài)傳感器檢測到的顏色機器人小車狀態(tài)左白保持直行左黑左白中黑中白中白右白右白右黑左轉右轉確定方案3.確定“不定向”方案城市安防機器人小車在循跡運行過程中，會遇到不同的路口，可以利用交叉路口的多向性，隨機選擇方向，實現(xiàn)“不定向巡邏”。（1）通過傳感器循著黑線行駛。（2）遇到“”形路口時，循著黑線轉彎方向轉彎行駛。（3）遇到“T”形路口時，隨機選擇左轉或右轉行駛。（4）遇到“十”形路口時，隨機選擇直行、左轉或右轉行駛。確定方案4.確定遇障礙時的警示方案（1）路線（黑線）任意位置放置一個16立方厘米的方塊作為模擬“障礙物”。（2）機器人小車通過傳感器檢測到前方有障礙物時，自動停車。（3）通過不斷閃爍警示“LED大燈”，提示工作人員，直到障礙物被移除。確定方案1.編程工具的選擇Mixly（米思齊）是一款中小學教育機器人常用的圖形化編程軟件，支持Arduino,MicroPython,Python等編程語言。我們可以通過拼接圖形化代碼模塊的方式來編寫程序。起始界面如下圖：圖形化程序編寫區(qū)系統(tǒng)功能區(qū)代碼預覽區(qū)消息提示區(qū)圖形化程序選擇區(qū)圖形化程序選擇區(qū)中包含多類應用模塊，拖動到編寫區(qū)即可完成編程。技術選型2.控制器的選擇控制器選擇中小學教育機器人常用的ArduinoUNO開發(fā)板（又叫Arduino控制器），上面搭載了包含14個輸入/輸出數(shù)字信號、6個模擬信號輸入、電源輸入、USB連接等用于開發(fā)的端口或接口，如下圖所示：技術選型3.傳感器的選擇（1）紅外循跡傳感器紅外循跡傳感器是集紅外發(fā)射和紅外接收于一體的紅外傳感器，發(fā)射出的紅外光遇到不同顏色的物體時，會不同程度地被吸收。當?shù)陀诮邮沼蛑禃r，就輸出高電平，反之則輸出低電平，其工作原理如下圖所示：技術選型(2)超聲波傳感器超聲波傳感器一般有兩個探頭，一個是超聲波發(fā)射端，一個是超聲波接收端。其工作原理是利用超聲波碰到障礙物會產(chǎn)生顯著的反射，形成反射回波，其工作原理如下圖所示：超聲波傳感器有一個有效范圍，可以通過公式s=(340xt)/2計算出與反射面之間的距離。以HC-SR04超聲波傳感模塊為例，其探測距離在2~45cm之間。技術選型4.器材清單機器人小車所需器材清單類型名稱數(shù)量作用控制系統(tǒng)ArduinoUNO開發(fā)板1作為控制器L298N電機驅動模塊1幫助主控制器驅動電機驅動系統(tǒng)M型電機2通過執(zhí)行控制器發(fā)出的指令驅動小車輪子轉動人機交互LED發(fā)光二極管1通過閃爍，提示遇到障礙傳感系統(tǒng)HC-SR04超聲波傳感器1檢測障礙物紅外循跡傳感器3檢查場地黑線，判斷小車循線狀態(tài)其他配件杜邦線若干連接傳感器與Arduino擴展板1k電阻1用于保護LED發(fā)光二極管結構件積木搭建套件1搭建小車車架外接電源18650鋰電池（含電池盒和開關）2提供動力編程工具Mixly編程工具1編寫小車控制程序技術選型在使用Arduino控制器之前，需要搭建編程環(huán)境，具體操作如下。1.用USB數(shù)據(jù)線將Arduino控制器與安裝好Mixly編程工具的電腦連接，電源指示燈長亮，表明Arduino控制器與電腦連接正常。2.打開Mixly編程工具，查看是否自動識別了Arduino控制器，如果沒有自動識別，則需要手動安裝Arduino控制器的驅動程序。如下圖：已自動識別未自動識別編程環(huán)境的搭建3.通過小實驗檢驗環(huán)境搭建是否成功。編寫一段程序，如下圖所示，上傳到Arduino控制器，如果控制器上的LED小燈間隔1s閃爍，表示編程環(huán)境搭建成功。編程環(huán)境的搭建課后實踐：請同學們試運用Mixly編程工具與Arduino控制器，完成在串口監(jiān)視上顯示“你好！我是城市守衛(wèi)機器人！”的任務。編程環(huán)境的搭建課堂小結安防機器人的方案設計分析項目1.確定機器人小車的外形及驅動方案2.確定“定線”方案3.確定“不定向”方案4.確定遇障礙時的警示方案確定方案1.確定機器人小車的外形及驅動方案2.確定“定線”方案3.確定“不定向”方案4