初中川教版（2019）第3节 安防机器人的制作实践教学设计

这是一份初中川教版（2019）第3节 安防机器人的制作实践教学设计，共7页。教案主要包含了新课导入，新课讲授，拓展阅读，课堂小结，作业布置等内容，欢迎下载使用。

课题
第3节《安防机器人的制作实践》
单元
一单元
学科
信息技术
年级
九年级
学习
目标
知识与技能：
1.能设计、搭建机器人小车，掌握机器人系统的接线方法。
2.能根据机器人小车的功能需求，设计流程图。
3.能根据流程图编写程序，实现机器人小车的各项功能。
过程与方法：
通过讲解，能设计、搭建机器人小车，掌握机器人系统的接线方法；通过探索实践，能根据流程图编写程序，实现机器人小车的各项功能；通过小组合作，能根据流程图编写程序，实现机器人小车的各项功能。
情感、态度与价值观：
拓展学生知识面，提高学生生活实践应用能力和信息素养，使学生乐于使用信息技术解决生活中的问题。培养学生的计算机思维和自主探究、小组合作能力。培养孩子们的动手操作能力。提升信息素养和创新能力。设计、搭建机器人小车。
重点
能设计、搭建机器人小车，掌握机器人系统的接线方法；能根据机器人小车的功能需求，设计流程图。
难点
能根据流程图编写程序，实现机器人小车的各项功能。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
教学设计
教学设计
教学设计
一、新课导入
我们已经明确了安防机器人小车的巡逻方案，并且搭建好编程环境，下面一起来动手实践吧，
二、新课讲授
（一）、搭建机器人小车
1、确立搭建要求
根据现有条件确定机器人小车的设计要求，如：
（1）由于电机功率所限，小车自重不宜过重。
（2）小车车架要预留传感器等功能单元的安装位置。
（3）要保证小车运行过程中各零部件不脱落、不相互干扰。
2、搭建机器人小车
按设计要求，结合技术选型，完成城市安防机器人小车的设计，包括确定机械结构、电机固定、传动方式、传感器以及Arduin控制器和电机驱动模块等的安装位置，并完成搭建，如图1-3-1所示。
任务一：
请根据实情，设计并搭建机器人小车。
小提示：
机器人小车在机械组装或运行过程中，不能让两个或两个以上零件（或部件）同时占有同一位置，否则会导致无法组装、碰撞等影响机器人小车运转的现象发生。
3、系统接线
接线也称排线、布线，是用不同颜色的导线（杜邦线）按要求将各传感器、电机、电源等功能单元与控制器相连。
（1）接人传感系统
参照表1-3-1传感器与控制器端口的对应关系，完成传感器的接线，如图13-2所示。
（2）电机驱动及电机的接线
参照表1-3-2驱动模块与控制器端口的对应关系，完成电机驱动及电机的接线，如图1-3-3所示。
（二）、功能调试
搭建完成后，为保证机器人小车正常运行，需分功能单元逐一编程调试。
1、红外循迹传感器工作调试
通过“串口监视器〞调试红外循迹传感器的感应距离。
选择“”模块中的“打印（自动换行）〞 等子模块。
选择“”，模块中的数字输人“”子模块，选择好管脚，其程序示例如图1-3-4所示。
将Arduin控制器与电脑用USB线连接，检查控制器型号和对应的串口号，上传调试程序。
将机器人小车放在规划有黑线的场地上，通过“串口监视器”的数据调整红外循迹传感器与场地地面的距离，如图1-3-5所示。
小提示：
波特率主要用于Arduin控制器与其他设备之间的串口通信，9600是使用最多的波特率，在串口通信中波特率越高，有效传输距离越小，而9600这个波特率，兼顾了传输速度和常用传输距离。
任务二：
请完成自己的机器人小车红外循迹模块的调试，并观察红外循迹传感器检测到黑线时，返回 （“1”或“0”）。
任务三：
改变“”的文本模块中空格的多少，观察串口监视窗口的显示。
2、超声波传威器工作调试
通过“串口监视器〞观察超声波传感器的检测距离数据是否正常，其程序和检测数据示例如图1-3-6所示。
3、电机工作调试
机器人小车通过1298N电机驱动模块驱动控制两个直流电机，由于直流电机存在顺时针或逆时针转动的可能，因此在编写程序前，应调试好左右电机的转动方向，可以通过编程来调整电机的转动方向，以保证机器人小车的直行、转弯、停止等动作能顺利完成，其基础程序示例如图1-3-7所示。
小提示：
通过调整左右电机的接线方式可以改变电机的转动方向，如图1-3-8所示。
任务四：
根据表1-3-3中所列电机调试程序与机器人小车的运动方向的对应关系，完成其他程序的分析。
（三）、程序设计
1、绘制流程图
（1）机器人小车工作流程图
为了理清编程思路，可以采用先总后分的编程模式，先思考总体方案，再分子项目解决方案。图1-3-9是城市安防机器人小车 “定线不定向”巡逻工作流程图。
小提示：
由于Arduin控制器执行的特殊性，只要Arduin开始运行，程序会一直循环执行。因此，会出现没有结束环节的无限循环流程图。
（2）循迹流程图
机器人小车在沿直线或弧线运动过程中，可能会偏离黑线，如图1-3-10所示是三种不同情形的分析。
根据分析，设计机器人小车循迹工作流程图，如图1-3-11所示。
思考：机器人小车在运动时，可能会因速度过快、偏转的角度过大，而偏离黑线，导致三个红外循迹传感器都末能检测到黑线，如图1-3-12所示。
以上两种情况下，小车该如何判断是向右还是向左偏离了黑线？
机器人小车在运动过程中，可能需要处理多种结果，编程时通常会用变量来标识可能出现的结果，即给初始状态下的机器人小车赋一个值（初始值），而当机器人小车运动状态发生变化时，变量的值也随之发生改变，以此来判断和描述机器人小车运动状态发生不同变化后的结果。
任务五：
先声明一个标志变量，并賦予其一定的初始值，用于标志小车“脱线”偏转状态。当小车发生偏转时，标志变量在初始值基础上增加或减少一定值，从而完成小车“脱线” 前偏转状态的“记录”，据此，完善图1-3-13的流程图。
（3）不同类型路口检测编程流程图
机器人小车行驶会遇到“”形、“”形或“”形路口，如图1-3-14所示。
小车经过不同类型路口时，多个红外循迹传感器可能会检测到相同的值。例如，如图1-3-15所示，在情况I中，右、中传感器同时检测到黑线时，可能是“” 形路口，或是“”形路口；而在情况2中，左、中、右传感器均检测到黑线时．可能是“”形路口，或是“”形路口。因此，要对遇到不同路口时得到同一检测值的情况加以判断。
如果小车继续直行（如图1-3-16），就能判断路口的类型。据此，“”形路口与“”形路口为例设计了如图1-3-17所示的工作流程图。
任务六：
请设计机器人小车遇到如图1-3-18所示的任一类型路口时的判断流程图。
2、根据流程图编写程序
各功能单元调试完成后，根据流程图编写各功能子程序，再按工作讲程整合。
（1）设计并声明相关变量
程序的编写会用到变量，需要在用之前进行声明，如图1-3-19所示。
（2）直流电机运行模块函数
拖动 “执行模块〞中电机控制模块，通过选择左右电机控制管脚号及运转速度，编写小车不同运动模式（直行、右转、左转、快速右转、快速左转、停止）的子程序，如图1-3-20所示。
任务七：
请根据图1-3-20程序示例，完成机器人小车左转、快速左转、后退等行驶状态的子模块函数的编写。
（3）遇障碍提示程序
当超声波传感器检测到障碍物与小车的距离小于等于30en时，小车停止，LED开始间隔0.5s闪烁，其程序示例如图1-3-21所示。
（4）逻辑判断
对照各工作流程图，编写判断程序。
·直行
当只有中间红外循迹传感器检测到黑线时，小车直行，其程序示例如图1-3-22所示。
·右转
当小车向左偏离时，右侧红外循迹传感器会检测到黑线，小车需要右转。但为了预防小车向左偏离过快而三组红外循迹传感器均未检测到黑线的情況发生，这时，设定“脱线变量〞递增。同理，若小车向右脱离黑线，“脱线变量”递减，其程序示例如图1-3-23所示。
·快速右转
当小车向左脱线，需要小车快速右转回到黑线上时，其程序示例如图1-3-24所示。
任务八：
请根据流程图完成小车向右偏离、向右脱线的逻辑判断程序的编写。
·“”形或“”形路口的判断
当中间红外循迹传感器与右侧红外循迹传感器同时检测到黑线时．
可视为小车遇到了 “”形路口或“”形路口，其判断语句示例如图1-3-25所示。
结合如图1-3-17所示的流程图，当机器人小车行驶至“”形或“”形路口时的控制程序编写如1-3-26所示。
·“”形或“”形路口的判断
当三个红外循迹传感器均检测到黑线时，可能是遇到“”形路口，也可能是遇到 “”形路口，需要小车再向前直行0.1s，然后再次判断，其程序示例如图1-3-27所示。
当只有中间红外循迹传感器检测到黑线时，则判断为“”形路口。此时，小车后退0.1s，并生成了个随机数，以确定小车的运动方向，其程序示例如图1-3-28所示。
当三个红外循迹传感器都没有检测到黑线时，则判断为“”形路口。此时，小车后退0.1s，并生成2个随机数，以确定小车是向左还是向右转，其程序示例如图1-3-29所示。
（5）组合各功能程序模块
按以上逻辑，将各功能程序模块组合成完整的程序。
任务九：
根据设计，将各功能子程序模块整合，实现机器人小车“定线不定向”巡逻的功能。
（四)、编译上传、调校参数
·检查各条命令是否完整，函数、变量等命名是否符合要求，通过“编译”检查是否成功。
•通过USB数据线将Arduin控制器连接电脑，选择对应的板卡和串口端口上传控制程序。
小提示：
在通电之前，请再次检查小车结构是否完好，各运动部之间是否存在相互千涉的情况。
通过校准红外循迹传感器检测距离和左右电机速度参数，完成机器人小车的调校。
记录机器人小车的运动情况，完成程序中各参数的调整，以实现城市安防机器人小车“定线不定向”巡逻的主要功能。
思考：如果需要机器人小车实现搬运物体的功能，还將用到哪些器材？
三、拓展阅读
自动驾驶
自动驾驶汽车是利用车载传感器来感知车辆周国环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，自动控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶，如图1-3-30所示。国内某快递公司据此研发了如图1-3-31所示的自动驾驶小车。
为了让这些会奔跑的“机器人”能模仿人一样去认知复杂多变的真实场景，同时．北要感知“自己”的运行状态，从而做出安全、适时、合理的判断和预测，工程师们提出了机器学习的概念。
使用机器学习的自动驾驶模仿人类驾驶，有感知、决策、执行三个环节，如图1-3-32所示。在感知阶段，计算机主要通过有“监督”的深度学习，来感知外界。所谓“监督”
，是事先由人工对路况、交通标识、交通规则等信息进行“正确值”的标定，通过训练，生成一个模型。当在运行过程中通过感知系统获取适时数据时，车载电脑依据模型预测该数据属于哪类，再由强化学习做出相应决策，即计算机通过“试错”来学习驾驶，从不断获得的反馈中强化有利行为，弱化不利行为，从而建立正确的驾驶决策模型，以此来控制车辆是否转向、是否加減油门或者制动，这样就构成了一个完整的自动驾驶系统。
四、课堂小结
今天你有哪些收获？遇到了哪些困难？是怎么解决的？还有哪些困惑？
五、作业布置
预习下一课《城市建设机器人》。
了解
学习
操作练习
学习
思考
了解
操作实践
观察
思考；表达
操作实践
了解
学习
操作实践
学习
练习
了解
学习
操作练习
学习
了解
交流表达
预习下一课
创设趣味的学习情境，更能激发学生的兴趣；
搭建机器人小车
培养动手能力
培养表达能力与解决问题的能力
培养动脑思考能力，培养思维
增加知识面
培养动手能力
学生利用自主探究、小组合作、实践操作的方法去解决问题；师生直观演示更具说服力，加深印象。
培养学生举一反三、学习迁移的能力；
鼓励学生尝试完成操作练习
培养表达能力
培养动手能力
增加知识面
培养动手能力
学习反馈
培养表达能力
学会倾听
培养自主学习能力
培养动手能力
培养倾听习惯
培养动手能力
培养逻辑思维
培养动手能力
增加知识面
增加知识面
培养自主学习能力
板书
第3节 安防机器人的制作实践
1、搭建机器人小车
2、功能调试
3、程序设计
4、编译上传、调校参数