《避障机器人-感知障碍与行动规划》讲义

《避障机器人--感知障碍与行动规划》讲义一、说教材1、教学内容咱们今天要学习的内容是清华版2024小学五年级上册第3单元自制开源机器人中的第2课——避障机器人：感知障碍与行动规划。2、教材的地位和作用在前面的课程里，同学们已经对机器人有了初步的了解，比如机器人的基本组成部分等。这一课呢，是在前面知识基础上的一个延伸，让同学们开始深入了解机器人如何感知周围环境中的障碍，并且根据这些感知来规划自己的行动。这就像是我们人在走路的时候，看到前面有个大石头（障碍），我们得想办法绕过去，机器人也得有这样的本事。这部分知识为后面学习更复杂的机器人控制和功能实现打下了重要的基础。二、说教学目标（一）知识目标1、同学们要知道避障机器人是如何利用传感器来感知障碍的。比如说，就像我们的眼睛能看到东西一样，机器人的传感器就是它的“眼睛”，能够发现前面有没有东西挡着它的路。2、理解行动规划在避障机器人中的重要性，也就是机器人知道发现障碍后该怎么做，是向左转、向右转还是停下来等。（二）能力目标1、能够自己动手制作一个简单的避障机器人模型，在这个过程中，学会连接各种部件，像传感器、控制器和电机等，这就好比搭积木，每个部件都得放在正确的位置上才能让机器人正常工作。2、通过小组合作和实验，能够调整避障机器人的参数，让它更好地避障。就像我们调整自己走路的速度和方向一样，机器人也需要调整它的速度、转向角度等参数来更好地避开障碍。（三）情感目标1、在制作和调试避障机器人的过程中，培养同学们的耐心和细心。因为这可不是一件简单的事儿，可能会遇到很多问题，比如线路连接错了，或者机器人就是不听话，这时候就需要我们耐心地去查找问题，细心地去解决。2、激发同学们对机器人技术的兴趣，让大家感受到科技的魅力。我给大家讲个真实的事儿啊，我有个朋友，他去参加一个科技展览，看到了各种各样的机器人，其中有一个避障机器人特别厉害，它在一个布满障碍物的场地里穿梭自如，就像一个小机灵鬼儿一样。我朋友当时就被震撼到了，从那以后就对机器人技术特别感兴趣，还自己开始学习相关知识呢。我希望通过这堂课，也能让同学们有这样的感觉。三、说教学重难点1、教学重点理解避障机器人的感知原理和行动规划策略。这就像是我们要搞清楚机器人的大脑是怎么想的，它怎么知道前面有东西，又怎么决定怎么躲开。突破方法：我们会通过实际的演示，让同学们直观地看到避障机器人的工作过程。比如说，我会把一个做好的避障机器人放在有障碍物的地方，让它运行起来，大家可以清楚地看到它是如何感知到障碍并且做出反应的。然后再把机器人拆开，给大家详细讲解每个部件的作用，特别是传感器和控制器是如何协同工作来实现感知和行动规划的。2、教学难点能够根据实际情况准确地调整避障机器人的参数。这可不容易，因为不同的环境、不同的障碍物可能需要不同的参数设置。就像我们在不同的路况下开车，速度和转弯的角度都得调整一样。突破方法：我们会分成小组，让同学们在不同的模拟环境下对自己制作的避障机器人进行测试。比如说，一组同学设置比较稀疏的障碍物，另一组设置比较密集的障碍物。然后大家根据机器人的表现来调整参数，在这个过程中不断地总结经验，看看什么样的参数适合什么样的环境。而且老师会在旁边指导，及时解答同学们遇到的问题。四、说教学方法1、直观演示法对于避障机器人这么一个比较抽象的东西，直观演示是非常有效的。就像我刚才说的，把做好的机器人在障碍物中运行给同学们看，让大家一目了然。2、小组合作法制作避障机器人可不是一个人就能轻松完成的事儿，需要大家分工合作。有的同学可以负责连接线路，有的同学可以负责测试，还有的同学可以记录数据。这样大家可以互相学习，互相帮助，还能提高大家的团队合作能力。3、问题引导法在教学过程中，我会不断地提出问题，引导同学们思考。比如说，当机器人没有正确避障的时候，我会问同学们：“你们觉得可能是哪里出了问题呢？是传感器没检测到，还是行动规划的算法不对呢？”这样可以激发同学们的思维，让他们主动去寻找答案。五、教学过程1、导入（5分钟）同学们，我先给大家讲个故事。有一天，我在家里打扫卫生，用扫地机器人扫地。这个扫地机器人可聪明了，它在屋子里跑来跑去，遇到桌子腿、椅子腿这些障碍物的时候，都能很巧妙地绕开。我就想啊，这个扫地机器人是怎么知道前面有东西挡着它，然后又怎么知道该往哪里走才能避开这些东西呢？今天啊，我们就来一起研究一下这个神奇的避障机器人。2、知识讲解（15分钟）首先，我们来了解一下避障机器人的“眼睛”——传感器。传感器就像我们的眼睛一样，能够感知周围的环境。常见的传感器有红外线传感器和超声波传感器。我给大家举个例子，红外线传感器就像我们的手一样，当它发出的红外线碰到障碍物反射回来的时候，它就能知道前面有东西了。而超声波传感器呢，就像蝙蝠的嘴巴和耳朵一样，它发出超声波，超声波碰到障碍物再反射回来，它就可以根据这个时间差来判断距离障碍物有多远。然后，我们再来说说行动规划。当传感器感知到有障碍之后，机器人得有个计划，是直接停下来呢，还是向左转或者向右转呢？这就需要一个行动规划。这个行动规划就像是我们走路的时候在大脑里想好的路线一样。比如说，如果左边的空间比较大，机器人可能就会选择向左转来避开障碍物。3、小组制作（30分钟）现在，同学们要分成小组来制作自己的避障机器人了。每个小组的桌子上都有一些零件，包括传感器、控制器、电机、电池还有一些线路。大家要按照我们刚刚讲的原理，把这些零件连接起来。在这个过程中，要注意线路的连接一定要正确，就像我们穿珠子一样，每一颗珠子都得串在正确的位置上。小组分工如下：一个同学负责看说明书，指挥大家怎么连接零件；两个同学负责动手连接线路和安装部件；还有一个同学负责记录遇到的问题和解决的方法。如果在制作过程中遇到了问题，比如说线路接好了，但是机器人就是不工作，大家可以先自己检查一下，是不是线路接反了，或者是某个部件没有安装好。如果实在解决不了，可以举手问老师。4、测试与调整（30分钟）好啦，大家的避障机器人应该都制作得差不多了。现在我们要对机器人进行测试了。每个小组在自己的测试区域设置一些障碍物，然后让机器人运行起来，看看它能不能成功避障。如果机器人不能很好地避障，那我们就要对它进行调整了。比如说，如果机器人总是撞到障碍物，可能是传感器的角度不对，那我们就调整一下传感器的角度；如果机器人转向不灵活，可能是电机的速度或者转向参数设置得不合理，那我们就调整一下这些参数。这就像我们调整自己的自行车一样，如果刹车不灵了，我们就得调整刹车的部件。在这个过程中，每个小组要记录下不同参数下机器人的避障情况。比如，当电机速度设置为多少的时候，机器人避障的成功率是多少；当传感器角度调整到多少度的时候，机器人的避障效果最好。5、成果展示与总结（15分钟）现在，每个小组派一个代表来展示一下你们小组制作的避障机器人，并且说说你们在制作过程中遇到了哪些问题，是怎么解决的，还有你们调整参数的经验。其他小组的同学要认真听，看看别的小组有没有什么好的方法和经验是我们可以学习的。最后，老师来总结一下今天的课程。我们今天学习了避障机器人的感知障碍原理和行动规划，还自己动手制作了避障机器人并且进行了测试和调整。同学们在这个过程中表现得都非常棒，希望大家以后能够继续探索机器人的奥秘。六、说板书设计1、在黑板的左边，我会写上“避障机器人”几个大字，这是今天课程的主题。2、在下面分两栏，一栏写“感知障碍”，在这一栏下面列出传感器的类型，比如红外线传感器、超声波传感器，并且简单画出它们的工作原理示意图。另一栏写“行动规划”，下面列出机器人可能的行动方式，比如左转、右转、停止等，并且用箭头表示出在不同情况下的行动规划逻辑。3、在黑板的右边，我会留出一块地方用来记录同学们在制作和测试过程中遇到的典型问题和解决方法，这样方便大家复习和回顾。七、说习题与答案1、习题（1）避障机器人常用的传感器有哪些？请简单描述它们的工作原理。（2）如果你的避障机器人总是在距离障碍物很近的时候才做出反应，你觉得可能是哪些参数需要调整？为什么？（3）在小组制作避障机器人的过程中，你认为最重要的环节是什么？为什么？2、答案（1）避障机器人常用的传感器有红外线传感器和超声波传感器。红外线传感器是通过发出红外线，当红外线碰到障碍物反射回来时，就能感知到障碍物的存在。超声波传感器则是发出超声波，根据超声波碰到障碍物反射回来的时间差来判断与障碍物的距离。（2）如果机器人总是在距离障碍物很近的时候才做出反应，可能需要调整传感器的灵敏度参数，因为可能是