基于小型機(jī)器人工程項(xiàng)目的“過程與控制”模塊教學(xué)

摘要：本文以“自動駕駛外賣服務(wù)”機(jī)器人工程項(xiàng)目為例，詳細(xì)解析了課堂小型機(jī)器人工程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)，以及“過程與控制”模塊的教學(xué)要點(diǎn)，旨在通過充滿現(xiàn)實(shí)意義和挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的工程思維，豐富工程技術(shù)相關(guān)的思想與方法，同時，增強(qiáng)學(xué)生的自我效能感以及自主可控使命感。關(guān)鍵詞：過程與控制；自主可控；工程思維；技術(shù)思想與方法；現(xiàn)實(shí)干擾因素《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中的“過程與控制”模塊為學(xué)生開啟了自動控制與智能控制的大門，成為幫助學(xué)生領(lǐng)悟技術(shù)自主可控深層含義的重要平臺。學(xué)生通過學(xué)習(xí)與實(shí)踐，逐漸理解控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)、“輸入—計(jì)算—輸出”的控制環(huán)節(jié)、反饋機(jī)制在優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性中的作用，以及計(jì)算機(jī)控制中邏輯與數(shù)值運(yùn)算對于精準(zhǔn)控制的重要性。這些基礎(chǔ)知識與技能的學(xué)習(xí)比較適合通過簡單、小型的控制系統(tǒng)來傳授。因此，本文選取“自動駕駛外賣服務(wù)”機(jī)器人工程項(xiàng)目，并詳細(xì)解析課堂小型機(jī)器人工程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)，以及“過程與控制”模塊的教學(xué)要點(diǎn)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)1.項(xiàng)目任務(wù)描述機(jī)器人需要在規(guī)定的路徑上自動行駛，在規(guī)定時間前將外賣箱及花籃送到指定地點(diǎn)（如圖1）。（1）任務(wù)要求及得分如下頁表所示。（2）時間得分：完成任務(wù)的團(tuán)隊(duì)，可獲得時間分，時間分=60-完成任務(wù)用時。（3）總得分=任務(wù)得分+時間得分。（4）場地描述。場地的尺寸可視信息科技教室面積而定。在課時和教室面積有限的情況下，建議場地邊長在1.0～1.2米，最多兩個項(xiàng)目組共享一塊場地，這樣既可以保障每組都有充分的時間進(jìn)行調(diào)試，又可以產(chǎn)生組間的互相促動和影響。2.項(xiàng)目設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析（1）能持續(xù)激發(fā)學(xué)生的興趣。由教學(xué)實(shí)踐可知，動態(tài)交互性強(qiáng)且能即時反饋的挑戰(zhàn)性任務(wù)更能吸引學(xué)生參與。例如，“自動駕駛外賣服務(wù)”機(jī)器人工程項(xiàng)目既與生活緊密相連，又滲透了科技在改善生活和服務(wù)社會發(fā)展中的重要作用，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在潛移默化中發(fā)展學(xué)生應(yīng)用科技改造社會的意識。（2）簡化任務(wù)與分層設(shè)計(jì)。鑒于課時有限，項(xiàng)目應(yīng)在2～3課時內(nèi)完成，以確保教學(xué)活動的連貫性和學(xué)生的持續(xù)投入。本項(xiàng)目采取任務(wù)分層設(shè)計(jì)的策略，分為簡單版和提升版兩種難度。簡單版任務(wù)僅要求小車到達(dá)指定節(jié)點(diǎn)即可得分，提升版則要求在簡單版的基礎(chǔ)上優(yōu)化控制的質(zhì)量與效率，這樣的設(shè)計(jì)旨在確保所有學(xué)生都能獲得成就感，并保持學(xué)習(xí)的積極性。（3）突出技術(shù)思想與方法的核心地位。由于課時有限，對于沒有實(shí)施硬件搭建教學(xué)的學(xué)校，在項(xiàng)目實(shí)施中可以弱化對硬件搭建的要求，為學(xué)生提供預(yù)先搭建好的小車，并配備兩個巡線傳感器，這樣可以使學(xué)生不被煩瑣的硬件搭建工作所困擾，從而有更多時間和精力深入探索技術(shù)思想，實(shí)踐各種技術(shù)方法，并激發(fā)出更多的創(chuàng)新思維。（4）在評分標(biāo)準(zhǔn)中引入時間維度。時間維度的引入使學(xué)生更全面地體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)工程的復(fù)雜性，體驗(yàn)到工程指標(biāo)不只是單一的技術(shù)層面，而是涉及多個維度的考量，如成本、時間、效率、可靠性等。項(xiàng)目的工程實(shí)現(xiàn)及“過程與控制”模塊教學(xué)要點(diǎn)解析1.項(xiàng)目分析、整體規(guī)劃及教學(xué)要點(diǎn)解析（1）識別和定義功能需求。在此環(huán)節(jié)，全體項(xiàng)目組成員要通過分析、討論來理解比賽規(guī)則，明確功能需求、得分標(biāo)準(zhǔn)。（2）子系統(tǒng)劃分。劃分子系統(tǒng)是工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于任務(wù)分解和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，不同的團(tuán)隊(duì)可能會生成不同的劃分方法，如有的項(xiàng)目組會劃分為傳感器子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)（如下頁圖2），有的項(xiàng)目組會劃分為巡線子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)彎子系統(tǒng)、任務(wù)動作子系統(tǒng)等（如下頁圖3）。那么，哪種劃分方法更有利于工程實(shí)施呢？只有對各子系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，才會發(fā)現(xiàn)圖2的劃分方法是不具可操作性的?！斑^程與控制”模塊教學(xué)要點(diǎn)解析：①“面向任務(wù)”的思維方式。在工程項(xiàng)目中，任務(wù)導(dǎo)向的思維方式至關(guān)重要。第一種子系統(tǒng)劃分方法雖然看似條理清晰，但實(shí)際上難以執(zhí)行，因?yàn)樗腔谥R體系而非實(shí)際任務(wù)體系來劃分的。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)思維，培養(yǎng)他們聚焦具體問題、提出并實(shí)施解決方案的能力，幫助學(xué)生建立起以完成任務(wù)為核心的思維方式。②“分解與聯(lián)系”的系統(tǒng)化思維方式。在圖2子系統(tǒng)的劃分中，將識別直線和識別路口分開處理，忽略了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。為了培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力，教師需要引導(dǎo)他們學(xué)會分解復(fù)雜任務(wù)，并洞察各分解部分之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，在本項(xiàng)目中，任務(wù)可以初步分解為識別直線、走直線、識別路口、路口轉(zhuǎn)彎、取外賣箱（花籃）、攜帶外賣箱（花籃）、放置外賣箱（花籃）等多個環(huán)節(jié)。通過分析這些環(huán)節(jié)，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)識別直線和路口是完成其他環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，而且識別直線和識別路口存在關(guān)聯(lián)。這種“分解與聯(lián)系”的分析方法有助于學(xué)生找到問題的突破口，并形成對任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)化分析的思維方式。2.各子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)及教學(xué)要點(diǎn)解析（1）巡線子系統(tǒng)——測定閾值。正確設(shè)置傳感器的閾值至關(guān)重要，它可以保證傳感器能夠準(zhǔn)確地區(qū)分賽道和背景。通常的做法是在實(shí)際場景的不同位置進(jìn)行多次取值，然后分別對線路和背景上的讀數(shù)計(jì)算平均值，最終的閾值通常設(shè)置為這兩個平均值的中間點(diǎn)。例如，如果線路的平均讀數(shù)為100，背景的平均讀數(shù)為300，那么閾值可以設(shè)置為200。在閾值初步確定后，要將閾值應(yīng)用于機(jī)器人小車，測試小車在賽道上的表現(xiàn)，觀察小車是否能夠準(zhǔn)確地識別和跟蹤賽道，如果表現(xiàn)不佳，則需要調(diào)整閾值?！斑^程與控制”模塊教學(xué)要點(diǎn)解析：①培養(yǎng)精準(zhǔn)習(xí)慣。建議使用能夠返回模擬數(shù)據(jù)的巡線傳感器，這樣做的目的是培養(yǎng)學(xué)生的精準(zhǔn)習(xí)慣，精確的數(shù)據(jù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。②認(rèn)識干擾因素的存在及應(yīng)對方法。在閾值的確定方法上，上述方法是較好的選擇，可以最大程度減少誤識別，提高循跡系統(tǒng)的可靠性，但并不是唯一的方法。在確定閾值的方法上，教師要鼓勵學(xué)生自主探索。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生可能把接近軌跡線顏色的值作為閾值，這種做法常會受傳感器的敏感度、場地質(zhì)量、環(huán)境光等因素影響而發(fā)生誤識別。此環(huán)節(jié)的實(shí)踐體驗(yàn)，使學(xué)生認(rèn)識到干擾問題，并拓展了應(yīng)對干擾的技術(shù)思想與方法。③增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作能力。學(xué)生在確定采樣點(diǎn)數(shù)量和位置，以及測試閾值效果的過程中，需要細(xì)致地觀察、精準(zhǔn)地測量、準(zhǔn)確地記錄，以提升實(shí)驗(yàn)操作能力。④探究原理。教師應(yīng)鼓勵對技術(shù)有濃厚興趣的學(xué)生進(jìn)一步研究巡線傳感器的工作原理。（2）巡線子系統(tǒng)——路徑識別及走直線算法。在起點(diǎn)先把機(jī)器人騎線放置，啟動后如果兩側(cè)傳感器都未檢測到黑線（假設(shè)軌跡線顏色為黑），小車?yán)^續(xù)直行。如果單側(cè)傳感器檢測到黑線（如左側(cè)），則意味著小車未能維持直行，已經(jīng)偏右了，因此需要糾偏，在這種情況下，相應(yīng)的調(diào)整命令被下達(dá)，使小車向相反方向（左）轉(zhuǎn)向，如具體指令為“向左轉(zhuǎn)1秒”。如果兩側(cè)傳感器都檢測到黑線，則表示小車已到路口，隨后可調(diào)用轉(zhuǎn)彎程序進(jìn)行處理（任務(wù)要求轉(zhuǎn)彎時），算法如下頁圖4所示?！斑^程與控制”模塊教學(xué)要點(diǎn)解析：①適應(yīng)“機(jī)器思維”。在算法設(shè)計(jì)中，深藏著常規(guī)思維與機(jī)器思維的對比。通常學(xué)生會認(rèn)為識別直線比識別路口簡單，但事實(shí)上對傳感器來說，識別路口更加直接，只需兩個傳感器均檢測到黑線即可；在未脫軌的情況下，傳感器“看到”的不是路口，就是直線，因此無需再單獨(dú)進(jìn)行一次直線識別，學(xué)生若按常規(guī)思維，將識別直線和識別路口割裂處理，并先去尋求識別直線，就會走到死胡，因?yàn)橛醚劬陀脗鞲衅鳌翱础钡姆绞绞遣煌摹Ｍㄟ^設(shè)計(jì)巡線算法，學(xué)生能夠深刻領(lǐng)悟到在自動控制領(lǐng)域，解決問題需要依循機(jī)器思維，即根據(jù)設(shè)備（傳感器）的性能來尋求解決方案。②創(chuàng)新思維培養(yǎng)。當(dāng)某個任務(wù)（如識別直線）難以實(shí)現(xiàn)時，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生積極嘗試新的解決方案（如轉(zhuǎn)向?qū)α⒚妗R別路口），養(yǎng)成靈活和創(chuàng)新的思維方式。③體驗(yàn)反饋。在小車行進(jìn)中，傳感器實(shí)時反饋車身與線路的位置偏離關(guān)系，程序根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)，及時對偏離直線軌跡的情況進(jìn)行修正。與新課標(biāo)中提到的空調(diào)中傳感器進(jìn)行反饋不同的是，本項(xiàng)目反饋的是行進(jìn)中的動態(tài)信息，而且是同時用兩個傳感器協(xié)同反饋偏離情況，豐富了學(xué)生對反饋的認(rèn)知。④認(rèn)識優(yōu)秀算法的重要性。自動控制中的算法，需要結(jié)合設(shè)備性能、環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)秀的算法能夠更精準(zhǔn)地獲取反饋并實(shí)現(xiàn)控制。（3）轉(zhuǎn)彎子系統(tǒng)——十字路口轉(zhuǎn)向180°。轉(zhuǎn)彎可以通過不同的方法來實(shí)現(xiàn)，如：單側(cè)減速，即減慢一側(cè)輪子的速度使機(jī)器人向慢側(cè)轉(zhuǎn)彎；停止并轉(zhuǎn)向，即完全停止一側(cè)的輪子，而另一側(cè)繼續(xù)轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)更銳利的轉(zhuǎn)向。當(dāng)開始轉(zhuǎn)彎后，小車如何判斷轉(zhuǎn)彎結(jié)束呢？常用的方法是傳感器重新對準(zhǔn)機(jī)制，即判斷小車是否歸位在下一條待巡的線路上。可以借助抽象出來的車與線的位置關(guān)系模型圖對判斷條件進(jìn)行分析，根據(jù)分析設(shè)計(jì)的算法如圖5所示?！斑^程與控制”模塊教學(xué)要點(diǎn)解析：①建模分析意識。對轉(zhuǎn)彎動作結(jié)束條件的判定，可利用的信息包括傳感器數(shù)據(jù)、十字線、小車轉(zhuǎn)動的實(shí)時位置，需要分析三者間的動態(tài)關(guān)系。比較好的方法是抽象出小車、十字線的圖形，借此分析小車在轉(zhuǎn)彎的過程中形成的車與線的動態(tài)位置關(guān)系，如下頁圖6所示。而這種位置關(guān)系的變化怎樣反饋給主控板呢？通過傳感器的數(shù)據(jù)就能找到問題的突破口，以此作為判斷條件，形成算法。經(jīng)歷這樣的分析過程，學(xué)生會認(rèn)識到對于動態(tài)、復(fù)雜的事物，可以通過抽象建模的方式將問題分解和可視化，從而形成建模分析的意識。②綜合控制意識。要引導(dǎo)學(xué)生意識到轉(zhuǎn)彎動作的實(shí)現(xiàn)是對兩個車輪同時進(jìn)行控制的綜合效果，對每個車輪的控制都包括“輸入—計(jì)算—輸出”三個環(huán)節(jié)。生活中一個控制效果的實(shí)現(xiàn)，有可能是對多個對象進(jìn)行協(xié)同控制的結(jié)果，從而豐富學(xué)生對控制復(fù)雜性的理解。（4）任務(wù)動作子系統(tǒng)。本項(xiàng)目涉及的動作任務(wù)包括從餐館取外賣箱攜帶至公園放下、從花店取花籃攜帶至醫(yī)院放下。為完成任務(wù)，可在小車前端安裝類似手臂的裝置，如下頁圖7所示。攜帶外賣箱最簡單的辦法是用“手臂”將其框住后直接拖帶；攜帶花籃最簡單的方式是將“手臂”插入花籃孔后，直接拖帶。以上方案雖然簡單，但容易產(chǎn)生外賣箱、花籃脫離控制的情況，優(yōu)化方案是：采用舵機(jī)，把外賣箱舉起；在挑起花籃的時候，應(yīng)用舵機(jī)向上轉(zhuǎn)動一定角度。這樣不但會解決脫離控制的問題，還可以提高小車攜帶物品后的行進(jìn)速度。“過程與控制”模塊教學(xué)要點(diǎn)解析：①“優(yōu)化”意識培養(yǎng)。引入舵機(jī)作為對簡單拖帶方式的優(yōu)化，可以使學(xué)生意識到不斷尋求更高效、更穩(wěn)定的解決方案的重要性，這是工程實(shí)踐中必不可少的部分。②體驗(yàn)真實(shí)工程的多因素制約。學(xué)生在選擇是否采用舵機(jī)優(yōu)化搭建時，需要考慮舵機(jī)搭建和編程調(diào)試所需的時間成本。由于總得分=任務(wù)得分+時間得分，學(xué)生必須權(quán)衡使用簡單方法節(jié)省時間和使用舵機(jī)提高穩(wěn)定性所帶來的效益對得分的影響，這樣的考量使學(xué)生意識到在做真實(shí)的工程項(xiàng)目時，不能單純追求技術(shù)上的完善，還要綜合考慮多方面的制約因素。綜上所述，課堂小型機(jī)器人工程項(xiàng)目為學(xué)生打造了一個貼近現(xiàn)實(shí)的科技實(shí)踐平臺。學(xué)生認(rèn)識到現(xiàn)實(shí)世界中的“控制”絕非理想狀態(tài)，會受到眾多干擾因素的影響，從而意識到“控制”的復(fù)雜性，并深刻體驗(yàn)到科