《智能机器人与传感器》教案 上-课程单元设计（张春晓）传感器导论-触觉相关 滑觉传感器

PAGEPAGE1《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：传感器导论授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能在拆开的机器里找到传感器2、能描述传感器的基本功能及分类3、能描述机器人里使用的传感器类型1、熟练掌握传感器的定义及特点；2、熟练掌握组成、分类及应用；3、熟练掌握传感器标定定义及意义；4、了解人与机器人机能对应关系；能力训练任务及案例敏感元件转换敏感元件转换元件测量电路辅助电路被测量被测量被测量被测量另一种非电量电信号可用电信号参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，ISBN：9787122283658，机器工业出版社，2017【2】贾海瀛，《传感器技术与应用》，ISBN：9787040422658，高等教育出版社，2015年09月PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、介绍传感器的定义及特点；2、介绍组成、分类及应用；3、介绍传感器标定定义及意义；4、介绍人与机器人机能对应关系；教师主讲多媒体听讲解3分钟引入（任务项目）本节课主要介绍传感器的基本概念、分类以及标定等内容。传感器种类繁多，课程采用机器人为载体，将涉及到的传感器按人体感觉器官进行分类。分类的目的是让具有同一属性的传感器归为一类，易于学习这一类型传感器工作原理以及使用等。教师主讲实际操作演示听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1、机器里使用的传感器分析2、传感器的基本功能及分类依据分析3、机器人里使用的传感器类型介绍上机指导上机实操20分钟深化（加深对基本能力的体会）由于整个课程设计是以多传感器机器人为纽带，最后介绍人与机器人的对应关系。拿人为类比，从整体上了解传感系统、CPU以及执行系统的协调工作关系。教师主讲实际操作演示听讲解20分钟归纳(知识和能力)林林总总的传感器，其工作原理都可以概括为：被测量系统可用的电信号。其中的系统可以是纯粹电子系统，也可以是机器装置+电子系统等构成。师生互动小组讨论讨论小组讨论10分钟训练巩固拓展检验根据各种传感器的输入输出特性，讨论开发、测试时需要用到什么仪器设备。教师主讲实际操作演示听讲解7分钟总结通过本课的学习，让学生了解传感器的定义、构成、分类及标定。并且从各行各业的应用介绍中，让学生了解到传感器就在我们身边（如智能穿戴）。并且知道仿人类的机器人是如何被设计出来的。教师主讲课件演示听课10分钟作业分组调研：例如汽车里面的传感器；智能手表里面的传感器；自动罐头包装生产线里面传感器；汽车生产线里面的传感器。说明作业要求课件演示学生记录5分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：机器人项目背景介绍授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能自己动手搭建机器人；2、能通过软件，设定各个关节舵机的转角；3、能让机器人按定义好的姿势动起来；4、学会各模块的基本功能以及了解信号的来龙去脉1、熟练掌握机器人发展史；2、熟练掌握Robo-Soul机器人的硬件系统结构及装配；3、熟练掌握如何通过PC软件让机器人摆个姿势；4、熟练掌握Robo-Soul机器人所有传感器模块及信号的传递能力训练任务及案例任务1：观看安装视频后，通过调节舵机的角度，尝试安装机器臂；任务2：设计一套动作，定义产生这套动作的关键姿势并联机验证；参考资料【1】DonalNorris,《RaspberryPiElectronicsProjectsfortheEvilGenius》,ISBN:9781259640599,McGraw-Hill,Sept.2013【2】WarrenGray,《ExperimentingwithRaspberryPi》,ISBN:9781484207703,Apress,Berkeley,CA,2014【3】RyanHeitz，《Hello，RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016【4】贾海瀛，《传感器技术与应用》，ISBN：9787040422658，高等教育出版社，2015年09月【5】乐幻索尔机器人官网：/index.htmlPAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、介绍机器人发展史：示教再现型、感觉型、智能型三个阶段；2、介绍课程用到的Robo-Soul机器人的硬件系统结构及装配；3、介绍如何通过PC软件让机器人摆个姿势；4、介绍Robo-Soul机器人所有传感器模块及信号的传递教师主讲多媒体听讲解5分钟引入（任务项目）本节课介绍的多自由度、多传感器智能机器人承担着学习并应用多种传感器的载体作用。这些传感器按照过机器人的眼、耳、鼻、皮肤的触觉、较抽象的感知、还有超越人类这六种类型进行分类。按照每种类型的信号的获取并处理进行讲解，最后进行数据融合的介绍。教师主讲及实物演示实际操作演示听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1、动手搭建机器人的某部分；2、通过软件，设定各个关节舵机的转角，从而定义姿势；3、让机器人按定义好的姿势简单动起来；现场指导实际操作实操30分钟深化（加深对基本能力的体会）介绍线性插值的知识，让学生了解到为什么离散几个关键姿势能让机器人动起来。教师主讲实际操作演示听讲解10分钟归纳(知识和能力)简单点的智能，例如通过摄像头识别到一个人站在前面，机器人能打招呼（前面定义的打招呼动作）。复杂点的智能就是前面有个苹果在前面，机器人识别后能通过机器手爪抓取它。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验设计一套较复杂的动作，如敬礼。定义产生这套动作的关键姿势并联机验证动作的连续性。学生上机实际操作演示实操20分钟总结通过本节课的学习，让学生了解到机器人的发展历史。并基于乐幻索尔公司的一款机器人，让学生具体了解机器人的安装，动作的定义等，为以后使用传感器后获得的信息准备好了机器人动作的响应。教师主讲课件演示听课2分钟作业课后调研：上淘宝或者乐幻索尔机器人公司主页，调研一下除了人形机器人，还有什么类似的机器人。说明作业要求课件演示学生记录3分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：课程实验环境介绍–树莓派平台介绍授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用树莓派的GPIO口串口复用功能2、能快速搭建硬件环境，将实验室及任务带到宿舍3、能初步使用wiringPi，通过命令行控制GPIO口4、学会使用putty软件进行连接1、熟练掌握树莓派硬件资源2、熟练掌握三种主流使用树莓派进行开发的方法：主机方式、远程登录方式或者通过串口登录3、熟练掌握GPIO口的功能描述及端口复用4、熟练掌握使用wiringPi软件控制GPIO口5、掌握putty界面的功能能力训练任务及案例任务1：将树莓派配置成为主机方式：连接电源（RPi）、显示器、键盘、鼠标以及网络；任务2：将树莓派配置成为远程登录方式：只需连接网络即可通过PC机登录访问；任务3：使用USB串口线连接GPIO复用串口（Pin8和Pin10），登录树莓派；任务4：使用USB串口线，通过PC发送消息至树莓派，树莓派接收并显示消息。任务5：使用串口，通过PC发送”On/Off”至树莓派，树莓派点亮/关闭LED等参考资料【1】DonalNorris,《RaspberryPiElectronicsProjectsfortheEvilGenius》,ISBN:9781259640599,McGraw-Hill,Sept.2013【2】WarrenGray,《ExperimentingwithRaspberryPi》,ISBN:9781484207703,Apress,Berkeley,CA,2014【3】RyanHeitz，《Hello，RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016【4】树莓派官网：/【5】树莓派实验室：/PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、介绍树莓派硬件资源2、介绍三种主流使用树莓派进行开发的方法：主机方式、远程登录方式或者通过串口登录3、介绍GPIO口的功能描述及端口复用4、介绍wiringPi软件控制GPIO口5、介绍PC机putty远程登录界面的功能教师主讲及实物演示多媒体听讲解7分钟引入（任务项目）传感器的输出信号需要用到一个处理器接收，并处理、显示、、传输这些信号和融合多路信号。信用卡片大小的树莓派是近几年国内外非常流行的嵌入式系统设计使用的主控系统。其GPIO口充当着可编程设置的输入输出口。可以安装多种Linux：Debian、RedHat、RISCOS、甚至还可以安装专用的ROS（RobotOperatingSystem）。有着丰富的软、硬件的支持，还有大量专著、杂志以及网络资源可以参考。本课程使用此硬件来充当智能机器人的“脑”，并通过便利的I/O接口连接各种机器人用到的传感器。教师主讲实际操作演示听讲解20分钟操练（掌握初步或基本能力）演示使用putty软件进行三种连接开发方式1.主机方式2.远程登录方式3.通过串口登录上机指导上机实操20分钟深化（加深对基本能力的体会）在学习了远程登录软件putty后，还可以学习一下Windows与Linux文件共享传输管理软件，例如FileZilla。教师主讲实际操作演示听讲解5分钟归纳(知识和能力)通过学习上面三种连接方式，让学生总结出在不同的场合（例如宿舍、家庭或者图书馆），如何能够方便地使用树莓派进行开发师生互动小组讨论讨论小组讨论10分钟训练巩固拓展检验在学会基本串口在树莓派以及PC机通信的基础上，演示如何使用PC控制树莓派上的LED灯的亮灭。通过使用让学生初步了解使用树莓派进行使用的基本硬件搭建。教师主讲实际操作演示听讲解10分钟总结掌握树莓派的硬件资源以及如何使用这些资源。掌握PC机里的一些常用软件的基本使用，例如putty的远程登录以及串口通信。教师主讲课件演示听课5分钟作业课后调研：上网查找最新树莓派硬件的功能扩展说明作业要求课件演示学生记录3分钟后记下载wiringPi（1）gitclonegit:///wiringPi（2）cdwiringPi（3）gitpullorigin安装./build测试安装是否成功gpio-v使用《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：Raspbian操作系统简介授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用基本的Linux命令2、会连接树莓派至因特网3、会使用nano编辑器编写脚本并存盘4、会设置树莓派的状态：例如开机后直接进入图形界面等1、熟练掌握Linux的历史以及树莓派Raspbian系统（debian）2、熟练掌握基本的Linux命令3、熟练掌握Raspbian网络设置，并连上Internet4、熟练掌握使用raspi-config命令设置树莓派5、熟练掌握Linux下编辑器nano能力训练任务及案例任务1：学习使用Linux命令：ls,cd,mkdir,rm对当前路径进行列目录、进入子目录、建立新目录以及删除文件目录等基本操作；任务2：启动并使用编辑器nano,修改网络连接配置文件，让树莓派上因特网；任务3：使用apt-getupdat，或者apt-getupgrade进行树莓派的系统更新；参考资料【1】刘忆智，《Linux从入门到精通》，ISBN：9787302312727，清华大学出版社，2014年2月【2】WolframDonat,《Python树莓派编程》,ISBN：9787111550303,机械工业出版社,2016年11月【3】RyanHeitz，《Hello，RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016【4】树莓派官网：/【5】树莓派实验室：/PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、介绍Linux的历史以及树莓派Raspbian系统（debian）2、介绍基本的Linux命令使用3、介绍Raspbian网络设置，并连上Internet4、介绍raspi-config命令设置树莓派5、介绍Linux下编辑器nano教师主讲多媒体听讲解5分钟引入（任务项目）类似于智能机器人这样的应用型项目，需要用到嵌入式操作系统Linux。在多任务的Linux帮助下，机器人才能在“看”的同时能“听”、感知周围的事物变化，并反馈到CPU进行判断处理。同时，Linux还提供了硬件资源、软件资源的整合使用的一个平台，让你使用一些简单易学的语言（类似Python）就可以很好地控制此嵌入式系统。教师主讲多媒体听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1.登录Raspbian,并使用基本命令ls,cd,mkdir,rm。建立目录，进入目录，列出里面的内容等；2.使用nano编辑python程序并存盘；列文件ls查看3．使用apt-getupdat，或者apt-getupgrade进行树莓派的系统更新上机指导上机实操25分钟深化（加深对基本能力的体会）在初步熟悉Linux操作后，介绍一下Linux系统的结构。让学生有更多的了解Linux平台是一个开发智能硬件比较理想系统。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操10分钟归纳(知识和能力)在Linux下学习一个命令，或者是编写脚本配置系统，方法1是直接使用帮助命令man。方法2是上网找相关的帮助信息。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验在网络的帮助下，显示接入U盘里面的目录文件。师生互动实际操作演示指导+实操20分钟总结主要涉及到在Linux环境下，使用一些课程必须用到的命令。学习Linux是一个循序渐进的过程，踏出第一步后，坚持不懈地在Linux下编程，若干年后会积攒不少的经验。教师主讲课件演示听课5分钟作业课后练习：网上查找使用树莓派DIY各种电子产品，尝试自己力所能及的。借此来熟悉Linux系统配置、硬件的连接以及软件的配合等说明作业要求课件演示学生记录5分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：Python编程语言1授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、学会在树莓派里搭建传感器开发的Python编程环境2、学会使用Python语言控制树莓派GPIO3、会用使用简单的顺序编程1、会用循环程序结构2、会用条件程序结构3、会用选择程序结构1、熟练掌握传感器的Python编程环境的搭建2、熟练掌握使用Python语言控制树莓派GPIO口的函数库3、熟练掌握Python语言的常用变量类型4、熟练掌握Python语言的顺序程序结构5、介绍Python语言的循环程序结构6、介绍Python语言的条件程序结构7、介绍Python语言的选择程序结构能力训练任务及案例任务1：安装环境sudoapt-getinstallpython-devpython-rpi.gpio任务2：编程让点亮一个LED；参考资料【1】WolframDonat,《Python树莓派编程》,ISBN：9787111550303,机械工业出版社,2016年11月【2】RyanHeitz，《Hello，RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016【3】树莓派官网：/【4】树莓派实验室：/PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、介绍Python编程环境的搭建2、介绍Python语言控制树莓派GPIO口的操作3、介绍Python语言的常用变量类型4、介绍Python语言的顺序程序结构5、介绍Python语言的循环程序结构6、介绍Python语言的条件程序结构7、介绍Python语言的选择程序结构教师主讲多媒体听讲解7分钟引入（任务项目）Python语言的简单易用性，很适合各个年龄层次的学生学习计算机编程。在学习并使用传感器并进行简单测试结果过程中，Python加上树莓派这样的组合，让学生很容易上手。这并不代表Python是简单的入门级的编程语言，进多年的发展壮大，现在Python语言在科学计算、3D建模、游戏以及人工智能等方面有不错的表现。教师主讲多媒体听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1.安装环境sudoapt-getinstallpython-devpython-rpi.gpio，并掌握GPIO操作2．编程让LED点亮；上机指导上机实操25分钟深化（加深对基本能力的体会）学习使用Pythontime库来进行延时处理，让一直点亮的灯一亮一灭。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操15分钟归纳(知识和能力)编程语言有很多，有难有易。这节课学习的python编程，是属于容易学习的。掌握后，可以用累计经验学习较难的编程语言。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验结合上面学习的几种编程技巧，增加按钮开关。例如开关打开时，LED表现为一亮一灭。师生互动实际操作演示指导+实操15分钟总结主要涉及到在Linux环境下，使用python语言通过对树莓派的GPIO口编程，体会按钮输入以及LED输出。教师主讲课件演示听课5分钟作业课后调研：用蜂鸣器代替LED灯，进行类似的实验说明作业要求课件演示学生记录3分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：Python编程语言授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、会用使用简单的函数编程2、会运用python语言做个时钟1、熟练掌握Python语言的函数编程2、熟练掌握时钟的运作的流程图，掌握自上而下的编程方法能力训练任务及案例任务：做个时钟，显示MM：SS格式。参考资料【1】WolframDonat,《Python树莓派编程》,ISBN：9787111550303,机械工业出版社,2016年11月【2】RyanHeitz，《Hello，RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016【3】树莓派官网：/【4】树莓派实验室：/PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、介绍Python语言的函数编程2、介绍时钟的运作的流程图，掌握自上而下的编程方法教师主讲多媒体听讲解5分钟引入（任务项目）在单片机课程中，大家已经接触过7-seg数码管。我们在这里用Python语言来控制数码管，并做一个时钟。让大家可以与C语言单片机版本进行对比。教师主讲多媒体听讲解2分钟操练（掌握初步或基本能力）制作时钟，显示MM：SS格式。上机指导上机实操28分钟深化（加深对基本能力的体会）程序包含约100多行程序，可以尽量使用函数进行封装的方法。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操15分钟归纳(知识和能力)项目用到基本所有Python语言的编程结构，以及介绍函数封装的概念。熟练掌握此技巧，可以写出大型且结构清晰的程序。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验使用结构清晰的函数形式将散乱的语句封装起来。师生互动实际操作演示指导+实操17分钟总结应该对比C语言来说，用Python来实现一个时钟的难度比较容易。教师主讲课件演示听课5分钟作业将所有的程序用结构清晰的函数进行重写。说明作业要求课件演示学生记录3分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：超越人类触觉–人体红外传感器HC-SR501授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用HC-SR501模块2、学会连接模块与树莓派3、学会Python对树莓派GPIO口的操作函数库的使用4、学会编写代码，获得是否有红外源的Python程序5、学会检验结果的正确性1、熟练掌握人体红外的工作原理（>30CM）；2、熟练掌握HC-SR501模块的使用方法，例如可调电位器的作用2、熟练掌握HC-SR501模块与树莓派的连接3、熟练掌握GPIO口的python代码控制方法4、熟练掌握编写传感器代码5、掌握使用测试结果的方法能力训练任务及案例任务1：连接HC-SR501模块至树莓派相应的gpio口任务2：编写Python程序，获得Pin40GPIO的输入电平任务3：检测结果的可靠性，可以结合调整可调电阻，使结果更加符合应用需要。参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】IrvKalb,《LearntoProgramwithPython》，ISBN:9787040422658，APress，2015年9月【3】RyanHeitz，《Hello，RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016【4】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016【5】KimmoKarvinenandTeroKarvinen,《GettingStartedwithSensors》,ISBN：9781449367084，MakerMedia,Inc.,2014【6】树莓派官网：/PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、讲解人体红外工作原理；2、讲解传感器HC-SR501模块树莓派的连接方法3、介绍Python操作树莓派GPIO库的使用importRPi.GPIOasGPIO4、讲解编写传感器代码5、讲解测试结果的方法教师主讲及实物演示多媒体听讲解5分钟引入（任务项目）第一个传感器的介绍就是超越人类感觉范围的红外传感器，其原因是此传感器输出二进制数据：0或1。从接收此结果来说是最简单的。教师主讲多媒体听讲解5钟操练（掌握初步或基本能力）1、连接传感器HC-SR501模块与树莓派2、使用RPi.GPIO库来设置树莓派gpio口的输入输出属性3、编写程序获得结果4、检验结果的正确性师生互动讨论小组讨论30分钟深化（加深对基本能力的体会）通常二进制结果是以中断方式告诉树莓派系统，从而提高效率，而不是轮询方式。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操5分钟归纳(知识和能力)传感器最简单的输出量就是二进制数据。此类传感器是模块内部有了阈值裁决电路，将模拟量判决成高低电平。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验使用轮询的方式，得到开关量后控制LED灯发光。师生互动实际操作演示指导+实操20分钟总结人体红外传感器给机器人一个超越人类的功能：如蛇等，能感知具有主动发出红外线的物体的能力。此结果有利于后期传感器数据融合，例如知道前方有一个嫌疑“人”，可以驱动人脸识别算法进行识别。教师主讲课件演示听课5分钟作业课程调研：自己编写一个按钮开关检测按下状态的程序。说明作业要求课件演示学生记录5分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：超越人类触觉–红外接近觉传感器E3F-DS30C4授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、会使用E3F-DS30C4模块2、学会连接模块与树莓派3、巩固Python对树莓派GPIO口的操作函数库的使用4、学会编写代码，获得距离范围内存在物体与否的Python程序5、学会使用中断编程6、学会检验结果的正确性1、熟练掌握红外接近觉传感器E3F-DS30C4的工作原理及测距范围（<30CM）；2、熟练掌握E3F-DS30C4模块的使用方法，例如可调电位器的作用2、熟练掌握E3F-DS30C4模块与树莓派的连接3、熟练掌握GPIO口的python代码控制方法4、熟练掌握中断的使用5、掌握使用测试结果的方法能力训练任务及案例任务1：连接E3F-DS30C4模块至树莓派相应的gpio口任务2：编写Python程序，获得Pin40GPIO的输入电平，并使用中断处理任务3：检测结果的可靠性，可以结合调整可调电阻，使结果更加符合应用需要。参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】IrvKalb,《LearntoProgramwithPython》，ISBN:9787040422658，APress，2015年9月【3】RyanHeitz，《Hello，RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016【4】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016【5】KimmoKarvinenandTeroKarvinen,《GettingStartedwithSensors》,ISBN：9781449367084，MakerMedia,Inc.,2014【6】树莓派官网：/PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1、介绍红外接近觉传感器E3F-DS30C4的工作原理及测距范围（<80CM）；2、介绍E3F-DS30C4模块的使用方法，例如可调电位器的作用2、介绍E3F-DS30C4模块与树莓派的连接3、介绍GPIO口的python代码控制方法4、介绍传感器代码5、介绍测试结果的方法教师主讲及实物演示多媒体听讲解5分钟引入（任务项目）在距离物体几十厘米内探测物体的传感器，其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便后续的动作。作为机器人视觉系统的补充，为机器人在近距离或者视觉死角提供非视觉目标探测。教师主讲多媒体听讲解5钟操练（掌握初步或基本能力）1：连接E3F-DS30C4模块至树莓派相应的gpio口2：编写Python程序，获得Pin40GPIO的输入电平3：检测结果的可靠性，可以结合调整可调电阻，使结果更加符合应用需要师生互动讨论小组讨论25分钟深化（加深对基本能力的体会）继续上次课的中断方式编写服务程序，提高整体代码的效率。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操20分钟归纳(知识和能力)对距离的感知，是机器人了解周围事物、防止碰撞、避障的主要方法。而不同传感器对不同距离还原有不同的精度。适当选择并使用距离传感器，有利于建立更加精良的机器人。师生互动小组讨论讨论小组讨论3分钟训练巩固拓展检验学会让模块的输出量产生一个中断输入树莓派的某个GPIO口，树莓派相应此中断的编程方法。师生互动实际操作演示指导+实操17分钟总结采用轮询或者中断的方法，都可以得到外接传感器的数据是否准备好。可以根据应用要求实时性来进行选择。有些应用可能选择CPU管脚有限，不适合使用中断方法。教师主讲课件演示听课5分钟作业后记使用中断方法：（1）定义回调函数deftest_callback(channel)：print('Intest_callbackfuc')（2）定义检测函数add_event_detect(channel,GPIO.RISING,callback=test_callback,bouncetime=200)上升沿检测，关联回调，bouncetime用于按键软件防抖例如使用按钮控制led灯亮灭：《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：感知相关--超声波距离传感器授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用树莓派连接超声波测距模块2、能在Raspbian下使用nano编写并且调试python测距程序3、会指定测试方案来测定距离的准确性，1、熟练掌握超声波测距技术的工作原理测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。2、熟练掌握超声波测距在机器人上的应用：避障以及协助定位物体在三维空间的位置信息3、熟练掌握实验的硬件搭建4、熟练掌握程序的意思5、熟练掌握传感器误差的来源，并采用多次测距，求误差的统计方法能力训练任务及案例任务1：采用远程网络登录方式连接上树莓派并在树莓派上连接超声波测距模块任务2：启动并使用编辑器nano,输入一个python测距程序，并存盘；任务3：调试并执行此python程序任务4：测试得到距离的准确性，进行统计分析测量结果的可靠性，并用例如Excel等工具绘制误差统计图参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】贾海瀛,《传感器技术与应用》，ISBN:9787040422658，高等教育出版社，2015年9月【3】苏炜等，《超声波测距误差分析》，传感器技术，2004年第23卷第6期【4】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016【5】树莓派官网：/【6】树莓派实验室：/PAGEPAGE1二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1.介绍超声波测距模块的原理、距离计算及模块的使用2.介绍硬件的搭建3.解释测距程序4.介绍传感器误差的来源，并采用多次测距，求误差的统计方法教师主讲及实物演示多媒体听讲解5分钟引入（任务项目）超声波测距模块是许多机器人的标配。根据机器人相机看到的事物，测量物体表面到机器人的距离。此距离数值用于机器人接近（或远离）物体的参考，或者使用机器手臂抓取物体其中之一的参考值（需要多传感器融合技术）。教师主讲多媒体听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1.按要求连线，让PC机能使用树莓派并对超声波测距模块进行控制2.编辑python程序并存盘、调试程序的正确性上机指导上机实操25分钟深化（加深对基本能力的体会）讲解多次测量求误差的方法，并学会使用类似Matlab或者Excel等绘制误差的统计分布图。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操12分钟归纳(知识和能力)通过学习在树莓派上使用python对超声波测距模块进行编程。让学生了解在这样的硬件环境下传感器编程的一般方法：（1）连接传感器模块的输入/输出端口到树莓派相应的端口（2）使用一些python库进行程序编写（3）结果输出师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验让学生结合上节课点亮LED等程序，结合超声波测距模块，当手与测距模块距离小于10cm时，点亮LED灯。当手离开时熄灭。师生互动实际操作演示指导+实操20分钟总结机器人所具有的特点是模仿人类的特点而来的。对于距离的估计，刚靠看是不能得出的，还得结合使用经验来具体判断距离的估计值。而超声波测距，也是对距离的一种估计。在有一定精度要求的情景下应用，需要对估计值进行修正。教师主讲课件演示听课5分钟作业看教学视频：3D旋转的方法：Euler、axis-angle、quoternion说明作业要求课件演示学生记录3分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：感知相关--陀螺仪传感器MPU6050之IIC总线介绍授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能再Raspbian里面安装IIC工具i2c-tools2、会使用i2cdetect–l命令列举树莓派上有几组i2c总线3、会列举在某个IIC总线（例如总线1）上挂载的设备情况i2cdetect-r-y14、会查看某个设备寄存器组（例如设备地址：0x20）的值，i2cdump-f-y10x205、会查看IIC总线1，设备0x20里的寄存器0x77的值：i2cget-f-y10x200x776、会设置上述寄存器的值为0x3f：i2cset-f-y10x200x770x3f1、熟练掌握陀螺仪传感器的应用案例2、熟练掌握陀螺仪与树莓派的连接2、熟练掌握IIC协议3、熟练掌握陀螺仪模块通过IIC接口与树莓派通信的调试方法--i2c-tools工具介绍4、熟练掌握基于python语音的IIC编程库函数能力训练任务及案例任务1：安装pythonIIC读取库以及IIC辅助工具：sudoapt-getinstall-ypython-smbusi2c-tools任务2：列举树莓派IIC总线的数目及详细信息任务3：列举挂载在某总线上的设备总数及详细信息任务4：列举挂载在某总线上的某个设备的所有寄存器值任务5：列举挂载在某总线上的某个设备的某个寄存器值任务6：设置挂载在某总线上的某个设备的某个寄存器值参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】贾海瀛,《传感器技术与应用》，ISBN:9787040422658，高等教育出版社，2015年9月【3】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1.讲解陀螺仪的发展历史及应用案例2.讲述陀螺仪MPU6050与树莓派的连接3．讲解IIC协议4.Linux下i2c-tools工具介绍5.讲述IICpython库函数及使用教师主讲多媒体听讲解5分钟引入（任务项目）通过介绍使用IIC协议的陀螺仪传感器模块，让学生了解如何通过IIC协议得到采样此协议工作的传感器里面的数据。教师主讲多媒体听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1.连接树莓派及陀螺仪模块2.通过IIC工具，测试此链接的有效性、获取陀螺仪设备的地址、列举寄存器值等任务。上机指导上机实操20分钟深化（加深对基本能力的体会）通过讲解如何使用python语言的IIC库函数，让学生能通过编程实时得到传感器的数据。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操25分钟归纳(知识和能力)通过对陀螺仪传感器的连接，很多传感器使用IIC协议将数据从传感器端传到另一端。因为使用的通用IIC库，对于其他使用IIC协议的传感器也适用。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验学习连接另一种采用IIC协议传感器，使用i2c-tools里面的工具进行分析。师生互动实际操作演示指导+实操15分钟总结通过对陀螺仪传感器的IIC连接，让学生初步了解使用IIC协议的设备与树莓派的通信方法。教师主讲课件演示听课2分钟作业课后练习：查找并连接查看其他IIC协议的传感器寄存器值。说明作业要求课件演示学生记录3分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：感知相关--陀螺仪传感器MPU6050授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用树莓派连接陀螺仪模块2、会通过IIC辅助工具测试陀螺仪模块安装的正确性3、能使用IIC库函数对模块编程并获取数据4、懂得选择3D旋转的数学方法1、熟练掌握陀螺仪MPU6050模块的原理2、熟练掌握陀螺仪技术在机器人上的应用3、熟练掌握Python程序每一行程序的意义4、掌握从陀螺仪数据里获得姿态的方法5、掌握3D选择的数学方法：Euler、axis-angle、quoternion6、掌握上述方法的优缺点能力训练任务及案例任务1：连接并测试陀螺仪模块连接的正确性任务2：使用IIC库进行MPU6050传感器的数据获取实验任务3：调试上述代码参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】贾海瀛,《传感器技术与应用》，ISBN:9787040422658，高等教育出版社，2015年9月【3】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016【4】KimmoKarvinenandTeroKarvinen,《GettingStartedwithSensors》,ISBN：9781449367084，MakerMedia,Inc.,2014【5】树莓派官网：/【6】MPU6050姿态计算参考:http://rln.moe/appix/orange-pi-mpu6050/PAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1.讲解陀螺仪的工作原理2.讲解MPU6050芯片框图3.讲解陀螺仪程序4.介绍从陀螺仪数据里获得姿态的方法教师主讲及实物演示多媒体听讲解10分钟引入（任务项目）机器人最主要的部位就是身体，它定意了机器人的位置、朝向以及重心，从而决定机器人的平衡特性。从陀螺仪传感器里正好能计算到一个坐标系，从而可以获得机器人的朝向及重心计算。教师主讲多媒体听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1.连接树莓派及陀螺仪模块，并且测试IIC连接的有效性2.通过IIC库函数,编程让树莓派可以得到陀螺仪模块里面的原始数据上机指导上机实操28分钟深化（加深对基本能力的体会）获取的原始数据，需要转变成姿态坐标系。有以下两种方法：1.直接从原始数据计算（较难）2.通过MPU6050内置DigitalMotionProcessor(DMP)处理器计算，直接输出类似欧拉角或者四元组等姿态数据。3、学会使用3D旋转的数学运算方法4、知道3D旋转中gimballock的含义教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操20分钟归纳(知识和能力)通过连接IIC协议获取数据的实战，让学生获得通过协议控制传感器的经验。从而可以推广其他协议下获取传感器数据也有类似的过程。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验1．让学生尝试从陀螺仪得到的原始数据转变成为姿态数据。2．得到的姿态数据有可能存在噪音，了解去噪音算法（卡尔曼滤波器）的使用。师生互动实际操作演示指导+实操8分钟总结机器人的平衡性、机器人的朝向等主要的参数都需要靠陀螺仪传感器来完成。得到噪音较低的姿态数据，有利于帮助机器人运动过程中不易摔倒，以及帮助机器人在环境中定位方向。教师主讲课件演示听课2分钟作业查找资料，解释3D旋转：Euler、axis-angle、quoternion的意思教师主讲课件演示听课2分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：触觉相关--腕力传感器：ADCMCP3002原理及应用授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用MCP3002ADC芯片2、学会使用SPI协议进行通信3、学会阅读MCP3002芯片的英文文档4、会使用MCP3002python库进行编程开发1、熟练掌握模拟转数字芯片的工作原理：其中包括采样定理；用天平来类比ADC框图的工作原理；2、熟练掌握MCP3002数字输出SPI协议的工作时序3、掌握英文文档的阅读理解4、熟练掌握此ADCPython库函数的使用能力训练任务及案例任务1：阅读MCP3002芯片的英文文档，解决问题(1)芯片管脚的功能及典型接法任务2：阅读MCP3002芯片的英文文档，解决问题(2)SPI读取数据的时序任务3：安装python的SPI库函数：gitclone/doceme/py-spidev.git参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】贾海瀛,《传感器技术与应用》，ISBN:9787040422658，高等教育出版社，2015年9月【3】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016【4】KimmoKarvinenandTeroKarvinen,《GettingStartedwithSensors》,ISBN：9781449367084，MakerMedia,Inc.,2014【5】树莓派官网：/【6】SPI库下载地址:/doceme/py-spidevPAGEPAGE2二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1.讲解ADC的工作原理2.讲解MCP3002芯片框图3.引导学生阅读英文文档4.介绍SPI协议的原理教师主讲多媒体听讲解3分钟引入（任务项目）本课涉及到很多模拟量传感器，例如可调电阻、温度以及压力等转变为数字量必须使用的数字模拟转换模块。通过对ADC模块的编程操作，让我们能对此类输出模拟量的迅速转变为数字量，接入MCU进行进一步的计算处理教师主讲多媒体听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1.结合MCP3002DAC的英文文档，了解其工作原理2.通过git源码管理工具下载并安装SPIpython库py-spidev3.学习py-spidev库的整体结构及函数的用法师生互动讨论小组讨论28分钟深化（加深对基本能力的体会）库函数py-spidev是从C库转到python的应用。可以尝试对照SPI的时序图，来理解C库函数的实现。教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操20分钟归纳(知识和能力)通过本课的学习，一共学习了两个常用连接树莓派及传感器的协议：IIC及SPI。根据实际应用选择不同的接口，例如如果输入输出口数目有限，显然IIC（2线）比SPI（3线）要好。从传输速度来说，SPI（>30Mbps）要比IIC（<4Mbps）快些。师生互动小组讨论讨论小组讨论6分钟训练巩固拓展检验让学生尝试将更多MCP3002英文文档内容翻译成中文，通过此专业英文的阅读训练，提高学生对芯片硬件资源的认识。师生互动实际操作演示指导+实操10分钟总结通过本课学习，懂得如何使用MCP3002ADC进行模拟量到数字量的转换，结合下节课的内容，完成将压力传感器的模拟数值转变为数字量，提供给智能算法计算机器人手指握力的大小，从而让机器手能抓取类似于鸡蛋这样脆的物体。其次通过阅读英文文档的训练，让学生能自主得到最新最快的资讯。教师主讲课件演示听课5分钟作业课程调研：查找树莓派的SPI接口说明作业要求课件演示学生记录3分钟后记《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：触觉相关--腕力传感器FlexiForce授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用FlexiForce推荐的连接电路2、学会使用FlexiForce与树莓派及ADC连接3、学会阅读FlexiForce的英文文档4、会根据数据表判断数字输出结果的正确性1、熟练掌握机器手概念、硬抓取及软抓取2、FlexiForce的工作原理；3、熟练掌握FlexiForce输出的预处理电路4、熟练掌握FlexiForce与MCP3002的连接方法，以及与树莓派的连接方法5、读懂程序，掌握FlexiForce输出的正确性（需要参考datasheet了的“力—电压”关系图）能力训练任务及案例任务1：连接FlexiForce至运算放大器形成一个腕力传感器模块任务2：连接腕力传感器与MCP3002ADC芯片任务3：连接SPI至树莓派相应的SPI接口任务4：编写并调试程序，输出正确结果参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】贾海瀛,《传感器技术与应用》，ISBN:9787040422658，高等教育出版社，2015年9月【3】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016【4】KimmoKarvinenandTeroKarvinen,《GettingStartedwithSensors》,ISBN：978144936708