《避障機器人-感知障礙與行動規(guī)劃》講義

《避障機器人--感知障礙與行動規(guī)劃》講義一、說教材1、教學內容咱們今天要學習的內容是清華版2024小學五年級上冊第3單元自制開源機器人中的第2課——避障機器人：感知障礙與行動規(guī)劃。2、教材的地位和作用在前面的課程里，同學們已經對機器人有了初步的了解，比如機器人的基本組成部分等。這一課呢，是在前面知識基礎上的一個延伸，讓同學們開始深入了解機器人如何感知周圍環(huán)境中的障礙，并且根據這些感知來規(guī)劃自己的行動。這就像是我們人在走路的時候，看到前面有個大石頭（障礙），我們得想辦法繞過去，機器人也得有這樣的本事。這部分知識為后面學習更復雜的機器人控制和功能實現(xiàn)打下了重要的基礎。二、說教學目標（一）知識目標1、同學們要知道避障機器人是如何利用傳感器來感知障礙的。比如說，就像我們的眼睛能看到東西一樣，機器人的傳感器就是它的“眼睛”，能夠發(fā)現(xiàn)前面有沒有東西擋著它的路。2、理解行動規(guī)劃在避障機器人中的重要性，也就是機器人知道發(fā)現(xiàn)障礙后該怎么做，是向左轉、向右轉還是停下來等。（二）能力目標1、能夠自己動手制作一個簡單的避障機器人模型，在這個過程中，學會連接各種部件，像傳感器、控制器和電機等，這就好比搭積木，每個部件都得放在正確的位置上才能讓機器人正常工作。2、通過小組合作和實驗，能夠調整避障機器人的參數(shù)，讓它更好地避障。就像我們調整自己走路的速度和方向一樣，機器人也需要調整它的速度、轉向角度等參數(shù)來更好地避開障礙。（三）情感目標1、在制作和調試避障機器人的過程中，培養(yǎng)同學們的耐心和細心。因為這可不是一件簡單的事兒，可能會遇到很多問題，比如線路連接錯了，或者機器人就是不聽話，這時候就需要我們耐心地去查找問題，細心地去解決。2、激發(fā)同學們對機器人技術的興趣，讓大家感受到科技的魅力。我給大家講個真實的事兒啊，我有個朋友，他去參加一個科技展覽，看到了各種各樣的機器人，其中有一個避障機器人特別厲害，它在一個布滿障礙物的場地里穿梭自如，就像一個小機靈鬼兒一樣。我朋友當時就被震撼到了，從那以后就對機器人技術特別感興趣，還自己開始學習相關知識呢。我希望通過這堂課，也能讓同學們有這樣的感覺。三、說教學重難點1、教學重點理解避障機器人的感知原理和行動規(guī)劃策略。這就像是我們要搞清楚機器人的大腦是怎么想的，它怎么知道前面有東西，又怎么決定怎么躲開。突破方法：我們會通過實際的演示，讓同學們直觀地看到避障機器人的工作過程。比如說，我會把一個做好的避障機器人放在有障礙物的地方，讓它運行起來，大家可以清楚地看到它是如何感知到障礙并且做出反應的。然后再把機器人拆開，給大家詳細講解每個部件的作用，特別是傳感器和控制器是如何協(xié)同工作來實現(xiàn)感知和行動規(guī)劃的。2、教學難點能夠根據實際情況準確地調整避障機器人的參數(shù)。這可不容易，因為不同的環(huán)境、不同的障礙物可能需要不同的參數(shù)設置。就像我們在不同的路況下開車，速度和轉彎的角度都得調整一樣。突破方法：我們會分成小組，讓同學們在不同的模擬環(huán)境下對自己制作的避障機器人進行測試。比如說，一組同學設置比較稀疏的障礙物，另一組設置比較密集的障礙物。然后大家根據機器人的表現(xiàn)來調整參數(shù)，在這個過程中不斷地總結經驗，看看什么樣的參數(shù)適合什么樣的環(huán)境。而且老師會在旁邊指導，及時解答同學們遇到的問題。四、說教學方法1、直觀演示法對于避障機器人這么一個比較抽象的東西，直觀演示是非常有效的。就像我剛才說的，把做好的機器人在障礙物中運行給同學們看，讓大家一目了然。2、小組合作法制作避障機器人可不是一個人就能輕松完成的事兒，需要大家分工合作。有的同學可以負責連接線路，有的同學可以負責測試，還有的同學可以記錄數(shù)據。這樣大家可以互相學習，互相幫助，還能提高大家的團隊合作能力。3、問題引導法在教學過程中，我會不斷地提出問題，引導同學們思考。比如說，當機器人沒有正確避障的時候，我會問同學們：“你們覺得可能是哪里出了問題呢？是傳感器沒檢測到，還是行動規(guī)劃的算法不對呢？”這樣可以激發(fā)同學們的思維，讓他們主動去尋找答案。五、教學過程1、導入（5分鐘）同學們，我先給大家講個故事。有一天，我在家里打掃衛(wèi)生，用掃地機器人掃地。這個掃地機器人可聰明了，它在屋子里跑來跑去，遇到桌子腿、椅子腿這些障礙物的時候，都能很巧妙地繞開。我就想啊，這個掃地機器人是怎么知道前面有東西擋著它，然后又怎么知道該往哪里走才能避開這些東西呢？今天啊，我們就來一起研究一下這個神奇的避障機器人。2、知識講解（15分鐘）首先，我們來了解一下避障機器人的“眼睛”——傳感器。傳感器就像我們的眼睛一樣，能夠感知周圍的環(huán)境。常見的傳感器有紅外線傳感器和超聲波傳感器。我給大家舉個例子，紅外線傳感器就像我們的手一樣，當它發(fā)出的紅外線碰到障礙物反射回來的時候，它就能知道前面有東西了。而超聲波傳感器呢，就像蝙蝠的嘴巴和耳朵一樣，它發(fā)出超聲波，超聲波碰到障礙物再反射回來，它就可以根據這個時間差來判斷距離障礙物有多遠。然后，我們再來說說行動規(guī)劃。當傳感器感知到有障礙之后，機器人得有個計劃，是直接停下來呢，還是向左轉或者向右轉呢？這就需要一個行動規(guī)劃。這個行動規(guī)劃就像是我們走路的時候在大腦里想好的路線一樣。比如說，如果左邊的空間比較大，機器人可能就會選擇向左轉來避開障礙物。3、小組制作（30分鐘）現(xiàn)在，同學們要分成小組來制作自己的避障機器人了。每個小組的桌子上都有一些零件，包括傳感器、控制器、電機、電池還有一些線路。大家要按照我們剛剛講的原理，把這些零件連接起來。在這個過程中，要注意線路的連接一定要正確，就像我們穿珠子一樣，每一顆珠子都得串在正確的位置上。小組分工如下：一個同學負責看說明書，指揮大家怎么連接零件；兩個同學負責動手連接線路和安裝部件；還有一個同學負責記錄遇到的問題和解決的方法。如果在制作過程中遇到了問題，比如說線路接好了，但是機器人就是不工作，大家可以先自己檢查一下，是不是線路接反了，或者是某個部件沒有安裝好。如果實在解決不了，可以舉手問老師。4、測試與調整（30分鐘）好啦，大家的避障機器人應該都制作得差不多了?，F(xiàn)在我們要對機器人進行測試了。每個小組在自己的測試區(qū)域設置一些障礙物，然后讓機器人運行起來，看看它能不能成功避障。如果機器人不能很好地避障，那我們就要對它進行調整了。比如說，如果機器人總是撞到障礙物，可能是傳感器的角度不對，那我們就調整一下傳感器的角度；如果機器人轉向不靈活，可能是電機的速度或者轉向參數(shù)設置得不合理，那我們就調整一下這些參數(shù)。這就像我們調整自己的自行車一樣，如果剎車不靈了，我們就得調整剎車的部件。在這個過程中，每個小組要記錄下不同參數(shù)下機器人的避障情況。比如，當電機速度設置為多少的時候，機器人避障的成功率是多少；當傳感器角度調整到多少度的時候，機器人的避障效果最好。5、成果展示與總結（15分鐘）現(xiàn)在，每個小組派一個代表來展示一下你們小組制作的避障機器人，并且說說你們在制作過程中遇到了哪些問題，是怎么解決的，還有你們調整參數(shù)的經驗。其他小組的同學要認真聽，看看別的小組有沒有什么好的方法和經驗是我們可以學習的。最后，老師來總結一下今天的課程。我們今天學習了避障機器人的感知障礙原理和行動規(guī)劃，還自己動手制作了避障機器人并且進行了測試和調整。同學們在這個過程中表現(xiàn)得都非常棒，希望大家以后能夠繼續(xù)探索機器人的奧秘。六、說板書設計1、在黑板的左邊，我會寫上“避障機器人”幾個大字，這是今天課程的主題。2、在下面分兩欄，一欄寫“感知障礙”，在這一欄下面列出傳感器的類型，比如紅外線傳感器、超聲波傳感器，并且簡單畫出它們的工作原理示意圖。另一欄寫“行動規(guī)劃”，下面列出機器人可能的行動方式，比如左轉、右轉、停止等，并且用箭頭表示出在不同情況下的行動規(guī)劃邏輯。3、在黑板的右邊，我會留出一塊地方用來記錄同學們在制作和測試過程中遇到的典型問題和解決方法，這樣方便大家復習和回顧。七、說習題與答案1、習題（1）避障機器人常用的傳感器有哪些？請簡單描述它們的工作原理。（2）如果你的避障機器人總是在距離障礙物很近的時候才做出反應，你覺得可能是哪些參數(shù)需要調整？為什么？（3）在小組制作避障機器人的過程中，你認為最重要的環(huán)節(jié)是什么？為什么？2、答案（1）避障機器人常用的傳感器有紅外線傳感器和超聲波傳感器。紅外線傳感器是通過發(fā)出紅外線，當紅外線碰到障礙物反射回來時，就能感知到障礙物的存在。超聲波傳感器則是發(fā)出超聲波，根據超聲波碰到障礙物反射回來的時間差來判斷與障礙物的距離。（2）如果機器人總是在距離障礙物很近的時候才做出反應，可能需要調整傳感器的靈敏度參數(shù)，因為可能是