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：0－100。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0－100。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：0—255cm。 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：0—255cm，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0－7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 0－7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