第10课程序设计机器人大力士教学方案计划案.doc

*-第10课 程序设计机器人大力士教学案一、提出问题 当今，日本盛行一种叫做“相扑”的比赛，比赛时两位大力士在一个圆圈内相互角力，一方把另一方推出圈外后就会获得比赛的胜利，如图10-1所示。你能做一个机器人大力士吗?让机器人去参加“相扑”比赛！二、联想图10-1 相扑运动 相扑机器人如果做成人形进行角斗是最理想的，但人形机器人的制作比较复杂，再去进行比赛就更难实现了。因此，我们利用上节课制作的机器人小车来制作机器人大力士。图10-2 机器人相扑三、要求 机器人相扑，如图10-2所示。 1. 机器人大力士不能出圈 2. 遇到对手时要相互角力 四、构建 机器人大力士在行走的过程中是不能主动出圈的，出圈后比赛就输了。要使机器人不出圈主要是要让机器人能够准确识别黑线，那机器人如何能够识别黑线呢?这就要依靠机器人的眼睛颜色传感器。图10-3 颜色传感器技能牌：颜色传感器EV3套装中提供了颜色传感器，如图10-3所示，颜色传感器就像机器人的眼睛一样，它可以识别颜色或光的强度。颜色传感器提供了三种功能：1、颜色 2、反射光线强度 3、环境光强度 机器人大力士主要利用颜色传感器的“反射光线强度”功能，它的原理是颜色传感器的发射端口将会发射红光，红光从物体反射回来被接收端口接收。我们会看到反射回来的百分比：0100。数值越小代表光线越弱，数值越大光线越强。这里要注意反射的数值会受到物体的颜色，材质或环境光线的影响。 颜色传感器安装： 颜色传感器的端口要朝下，如图10-4所示，并且要考虑到当前机器人测试的环境，如果安装到小车的前方就要注意环境光对传感器的影响。因此，为了将影响降到最低，我们通常将颜色传感器安装到机器人的车底，如图10-5所示。这样既可以避免环境光对颜色传感器的干扰，而且在机器人相互碰撞的时候也不会把传感器撞歪或撞掉。颜色传感器通过数据传输线连接到控制器输入端口3。 图10-4颜色传感器的端口朝下图10-5 颜色传感器安装到车底五、算法与程序： 算法：当机器人前进的时候，会始终通过颜色传感器检测地面光强，如果是白色地面机器人会一直前进；如果遇到黑线，机器人就会停止，后退并转向，然后朝其他方向继续前进，根据算法编写以下程序。 程序：1 选择“移动转向”模块。注意这里要选择“开启”选项，如图10-6所示，电机会一直转动。如果选择时间或角度，经过所设置的时间或角度后，电机会停止，这样机器人就会一直停下来。这是初学者经常会犯的错误，需要在编程的时候一定要注意这个问题，设置好电机方向和电机功率的模块程序如图10-7所示。图10-6 选择“开启”图10-7电机模块以及电机参数 1. 选择“流程控制”类中的“等待”模块。在我们需要等待时间或等待一个条件时经常会用到这个模块，如图10-8所示。图10-8 等待模块2. 在“等待”模块中选择“颜色传感器”>“比较”>“反射光线强度”，如图10-9所示。在右上角端口设置为3，注意端口所设置的数值一定要与传感器连接的端口一致。这个模块的作用是：当条件不成立的时候会始终运行前一个模块的动作，一旦条件成立，就会执行后面的模块，我们经常会把它比喻成生活当中的门，当条件不成立的时候门是不开的，只能执行前面的模块；当条件成立时门就开了，就可以执行后面的模块了。图10-9 选择反射光线强度4. 阈值的输入 阈值是条件的比较值，在这里阈值应该是黑色和白色的中间值，举个例子，当黑色光值为40,白色光值为60时，我们会选择中间的一个值45或55。 如果在机器人前进的过程中，它测到的光值小于阈值，这时机器人会知道当前位置是在黑线上；当前光值大于阈值即认定为在白色区域上。由此我们就可以通过比较来判断当前的位置是白色区域还是黑线。技能牌：阈值的测量在EV3控制器中打开“port view”程序块，如图10-10所示。选择col-reflect功能，即“反射光线强度”功能。在端口查看中可以看到1端口颜色传感器的数值，数值范围是0100。测量的时候测两次，传感器放在白色区域读一次值，值为96，如图10-11所示。放在黑色区域读一次值，值为4，如图10-12所示。 测量值的大小要根据场地的材质，地砖和白色灯箱布的差别还是很大的。根据我所测量的光值，最终阈值取值为50。图10-10 打开“port view”程序块图10-11 读白色值图10-12 读黑色值 5. 检测到黑线后，让机器人停止，并向后退1秒，然后转向1秒，如图10-13所示。这里要设置一个让机器人向后退的动作，因为当检测到黑线后，机器人的位置已经处在黑线的上方位置，如果直接转动，很容易让传感器接触到圈外，这样机器人很容易出现走出圈的动作。图10-13 检测黑线后向后退1秒下载程序，在运行时，你可以看到机器人碰到黑线后会停下，并后退和转向，后退和转向的时间可以根据你的场地进行取值。当然，对于电机的控制你也可以把时间控制换为角度来进行动作。现在，你的机器人大力士可以上场比赛啦！六、优化与改进 机器人大力士可以在圆圈内行走，但是我们看到机器人不能自动找到对手，它只是随机的进行移动，这样我们会觉得比赛不是非常精彩。 下面我们就进行一下改进，利用乐高的超声传感器来找到对手并进行角力。 技能牌：超声波传感器 超声波传感器可以测量前方物体与机器人之间的距离，如图10-14所示。它的原理是超声传感器发出超声波，超声波从物体反射回来被超声传感器接收，根据声波发射与接收的时间计算出机器人与物体之间的距离。超声波传感器的测量范围是：0255cm。图10-14 超声波传感器 1. 安装超声波传感器 超声波传感器安装在机器人的前方，将发射口一面朝前安装。如图10-5所示。这里要注意传感器的安装高度，不要安装的过高，要根据对方机器人的高度进行安装，否则会检测不到对手。将传感器通过数据线连接到控制器的输入口4，如图10-16所示。 图10-15 超声波传感器的安装 图10-16 超声波传感器固定到小车上2. 算法与程序 算法： 机器人大力士在圈内旋转寻找对手，一旦发现对手，前进与对手进行角力，同时，机器人要随时检测黑线，不能超越黑线走出圆圈。 程序：1) 机器人旋转寻找对手，通过超声波来发现对手。将“等待超声波”模块中的单位设置为厘米(cm)，超声波传感器的测量范围是：0255cm，在超声波距离小于30厘米时可以发现对方，如图10-17所示。距离远近可以视比赛场地自行调整。图10-17 等待超声波小于30CM 2) 发现对手后，要与对手角力，但是机器人始终要监测超声测距和地面黑线检测两个条件，因此，光值的判断不能使用等待模块，在这里我们使用切换模块。技能牌：切换模块 切换模块可以进行条件的比较或者是多种条件的选择。切换模块实际整合了程序设计中的分支语句和多条件选择语句，如图10-18所示。图10-18 切换模块用切换模块判断颜色传感器是否检测到地面黑线。当颜色传感器检测到黑线时，机器人后退并且转动；反之没有检测到黑线，机器人会向前行进0.2秒，如图10-19所示。 图10-19 切换模块控制机器人识别黑线并控制电机 3) 完整程序如图10-20所示，这是相朴机器人的完整程序。图10-20 相朴机器人程序 经过改进以后，机器人大力士就可以寻找到对手，并与对手进行角力，这将会让我们的相扑比赛变得更加精彩！七、实践与讨论 当我们测量黑线时，为什么光线强度值会小?_ _ 颜色传感器离物体的距离是否会影响光线反射回来的比值?如何影响? _八、拓展 利用颜色传感器的“反射光线强度”功能，让机器人小车可以沿着黑线行走，如图10-21所示。 提示：要使机器人小车能够顺利地走黑线，要调整颜色传感器与电机之间的轴距距离，把颜色传感器安装到车的前方,这样机器人小车走黑线的效果会更好! 图10-21 机器人小车走黑线 完整程序：如图10-22所示。图10-22 机器人小车走黑线 九、作业 利用颜色传感器的“颜色”功能，让机器人能够自动识别颜色，如检测红色时，让机器人发出语音信息“Red”。 提示：选择颜色传感器“颜色”功能后，机器人可以识别无颜色，黑色，蓝色，绿色，黄色，红色，白色和棕色8种颜色，分别用数值07来表示，如图10-23所示。另外，用颜色传感器的切换语句进行多条件比较会使程序变得十分简单。注意：当选择颜色传感器“颜色”功能后，传感器与被测颜色之间要距离很近才可以测量的准确。图10-23 07代表的8种颜色光电小车搭建图1. 轴销转接器2. 轴销转接器与圆销连接3. 轴销转接器与十字轴连接4. 颜色传感器5. 轴销转接器固定在颜色传感器上6. 制作对称的轴销转接器固下在颜色传感器上7. 机器人小车的底部8. 颜色传感器固定在机器人小车的底部9. 完成颜色传感器的安装超声小车搭建图1. 圆梁2. 圆梁与销连接3. 长销固定到圆梁中4. T型圆梁5. T型圆梁与圆梁连接6. 制作另一个T型圆梁7. T型圆梁固定到长梁上8. 超声波传感器9. 圆梁固定到超声波传感器上10. 机器人小车前面11. 超声波传感器固定到机器人小车前面12. 完成后的机器人小车