第8課程序設(shè)計(jì)—機(jī)器人的大腦和初步編程教學(xué)案

1、EV3電子教案入門篇第8課程序設(shè)計(jì)機(jī)器人的大腦和初步編程教學(xué)案一、提出問(wèn)題 機(jī)器人可以代替人類完成很多任務(wù)，它可以進(jìn)行水下作業(yè)，可以在醫(yī)院輔助醫(yī)生給患者治病，非常厲害！我們知道人可以通過(guò)大腦思考，那么機(jī)器人是如何進(jìn)行思考的呢?它是如何像人一樣完成各種工作呢?二、聯(lián)想 如圖8-1所示，機(jī)器人可以像人一樣的進(jìn)行思考，那機(jī)器人的大腦究竟是什么呢?圖8-1 機(jī)器人和人 技能牌 樂(lè)高機(jī)器人的大腦：EV3控制器，如圖8-2所示。圖8-2 EV3控制器 EV3控制器基于Linux操作系統(tǒng)，300MHz ARM9 處理器，16M閃存，64M 隨機(jī)存儲(chǔ)器。 EV3控制器是樂(lè)高機(jī)器人的大腦，換句話說(shuō)樂(lè)高機(jī)器人的數(shù)

2、據(jù)計(jì)算，電機(jī)控制，傳感器采集都要通過(guò)控制器來(lái)完成。下面，先介紹一下EV3控制器。圖8-3 EV3控制器按鍵 如圖8-3所示，控制器正面由顯示屏和按鍵組成，按鈕分別為返回按鈕，確定按鈕，上，下，左，右6個(gè)按鈕組成。 如圖8-4所示，控制器側(cè)面有USB插口和SD卡插口,USB口可以連接USB無(wú)線網(wǎng)卡，但網(wǎng)卡需要匹配控制器的硬件要求。SD卡可以擴(kuò)展控制器的內(nèi)存，最大可以擴(kuò)展到32GB。圖8-4 EV3 側(cè)面 如圖8-5所示，控制器前面是A，B，C，D四個(gè)輸出口，輸出口可以連接電機(jī)或燈。此外，還有控制器的PC程序傳輸口，通過(guò)這個(gè)接口可以通過(guò)數(shù)據(jù)線把程序傳輸給控制器。圖8-5 EV3 前面如圖8-6所示

3、，控制器后面是1，2，3，4四個(gè)輸入口，輸入口用來(lái)連接傳感器。傳感器采集的數(shù)據(jù)可以傳輸給控制器去處理。圖8-6 EV3后面三、要求：指定距離的機(jī)器人小車 小車向前行走50CM，然后停車，并鳴笛。 1. 小車向前行走的距離越準(zhǔn)確越好 2. 小車停下后要鳴笛示意 機(jī)器人小車要向前行走一段距離，然后停下，這就需要通過(guò)樂(lè)高機(jī)器人的大腦EV3控制器來(lái)對(duì)樂(lè)高電機(jī)進(jìn)行控制。下面我們要使用EV3控制器來(lái)做一輛機(jī)器人小車。四、構(gòu)建小車搭建： 我們來(lái)搭建一輛機(jī)器人小車，它使用兩個(gè)電機(jī)作為主動(dòng)輪來(lái)控制小車行走，并用一個(gè)金屬球作為從動(dòng)的輪子，如圖8-7所示。這里解釋一下主動(dòng)輪和從動(dòng)輪。通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)后，可以主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的輪

4、子稱為主動(dòng)輪；被動(dòng)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)的是從動(dòng)輪，起到輔助支撐的作用。兩個(gè)電機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線分別連接到控制器輸出口的B和C。圖8-7 機(jī)器人小車底部圖8-8 機(jī)器人小車側(cè)面 如圖8-8所示，機(jī)器人搭建完成，前幾節(jié)課我們都是利用電源控制機(jī)器人的動(dòng)作，都需要依靠人為的操控。這節(jié)課我們運(yùn)用EV3控制器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們需要給機(jī)器人編寫程序，只有把程序傳輸給控制器，控制器才可以控制機(jī)器人，完成我們規(guī)定的任務(wù)。 技能牌：EV3編程軟件 EV3編程軟件是一個(gè)圖形化的編程語(yǔ)言，它的編程不需要去記憶程序命令和繁瑣的結(jié)構(gòu)，只需要把各種圖形化程序模塊連接到一起就可以了。這樣既形象生動(dòng)，又簡(jiǎn)單易學(xué)。打開軟件后

5、新建一個(gè)文件，如圖8-9所示。編寫程序時(shí)需要把下方的程序模塊拖到白色區(qū)域并與前面圖片用線進(jìn)行連接。編好后的程序就像很多圖片用線縫起來(lái)一樣。圖8-9 程序新建文件界面 五、算法與程序： 算法： 為了讓小車可以準(zhǔn)確的行駛到50CM處，我們可以讓小車以相同的速度前進(jìn)，并從起點(diǎn)到50CM處進(jìn)行計(jì)時(shí)，把時(shí)間記錄下來(lái)。再把這個(gè)時(shí)間寫到程序中，讓小車按照這個(gè)時(shí)間來(lái)前進(jìn)，這樣小車就可以前進(jìn)到終點(diǎn)處停下來(lái)。根據(jù)這個(gè)想法，我們通過(guò)以下6個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。 程序：1. 編寫程序，讓小車一直向前行駛通過(guò)“移動(dòng)轉(zhuǎn)向”模塊，來(lái)控制小車向前。在模塊右上方選擇“B+C”,左下方選擇“開啟”模式，這時(shí)模塊下方分別有2個(gè)選項(xiàng)，分別是

6、方向和功率，如圖8-10所示。圖8-10 移動(dòng)轉(zhuǎn)向模塊方向：100到100，數(shù)值代表機(jī)器人的方向，數(shù)值不同機(jī)器人轉(zhuǎn)的方向就會(huì)不同，0代表直行。功率：100到100，正負(fù)代表前進(jìn)或后退，正方向?yàn)殡姍C(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)方向?yàn)殡姍C(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)值代表功率的大小。技能牌：循環(huán)結(jié)構(gòu)為了讓小車一直向前，在程序里面加入循環(huán)結(jié)構(gòu)。循環(huán)結(jié)構(gòu)可以使程序語(yǔ)句被循環(huán)執(zhí)行。在需要重復(fù)使用代碼的時(shí)候，循環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)常被用到，如圖8-11所示。圖8-11 循環(huán)結(jié)構(gòu)2. 計(jì)時(shí)，把時(shí)間記錄下來(lái)記錄小車行駛50CM距離的時(shí)間，把時(shí)間輸入到程序中，并在“移動(dòng)轉(zhuǎn)向”模塊的左下角選中“開啟指定時(shí)間”。把記錄的時(shí)間放到時(shí)間選項(xiàng)中，如2.8秒，

7、有了時(shí)間，我們就可以去掉循環(huán)語(yǔ)句，讓小車按照時(shí)間去行走，程序如圖8-12所示。圖8-12 小車前進(jìn)2.8秒3. 發(fā)出聲響在小車到達(dá)終點(diǎn)后，發(fā)出聲音。選擇聲音模塊，可以在右上角選擇樂(lè)高提供的各種聲音文件，程序如圖8-13所示。圖8-13 到達(dá)終點(diǎn)并發(fā)出聲音 4. 保存如圖8-14所示，保存項(xiàng)目名稱為“juli.ev3”，EV3程序所編寫的程序文件名是“*.ev3”。8-14 保存文件圖5. 下載1. 長(zhǎng)按控制器的“確定”按鈕，使控制器開機(jī)。2. 將下載傳輸線連接到EV3控制器和電腦USB口。3. 單擊“下載”按鈕。下載按鈕在程序的右下角，如圖8-15所示，在最右端EV3字母下方，三個(gè)按鈕分別是：

8、“下載”，“下載并運(yùn)行”和“運(yùn)行已選模塊”。圖8-15 程序下載4.6. 運(yùn)行 如圖8-16所示，在EV3控制器當(dāng)中，選擇文件夾中的“juli”文件夾，然后點(diǎn)擊確定按鈕選擇“program”,就可以運(yùn)行程序來(lái)控制機(jī)器人了。圖8-16 EV3顯示文件夾六、優(yōu)化與改進(jìn) 現(xiàn)在，我們用另一種方法來(lái)解決問(wèn)題。我們已經(jīng)知道路程是50CM，那么只要我們知道樂(lè)高的輪胎的直徑，我們就可以通過(guò)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來(lái)控制小車行走的距離。改進(jìn)步驟：1. 樂(lè)高輪胎的直徑我們使用的樂(lè)高輪胎的直徑是43.2mm，這個(gè)數(shù)值在樂(lè)高輪胎上有標(biāo)明，查看一下就可以知道，如圖8-17所示。 圖8-17 樂(lè)高輪胎2. 通過(guò)直徑計(jì)算周長(zhǎng)根據(jù)公式

9、：Ld，是圓周率3.14，d是樂(lè)高輪胎的直徑，是輪胎的周長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算L3.14×43.2135.6mm。（保留一位小數(shù)）3. 根據(jù)周長(zhǎng)L和距離S，計(jì)算出輪胎需要轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)圈數(shù)S/L500/135.6=3.7圈(保留一位小數(shù)）4. 編寫程序由于樂(lè)高電機(jī)里面配有轉(zhuǎn)速傳感器，可以測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和轉(zhuǎn)速。因此我們可以在“移動(dòng)轉(zhuǎn)向”模塊左下角選擇“開啟指定圈數(shù)”并輸入圈數(shù)為3.7（1圈360度）。程序如圖8-18所示。下載并運(yùn)行程序，看一看機(jī)器人是否可以走50CM的距離呢?圖8-18 小車前進(jìn)3.7圈 七、實(shí)踐與討論 機(jī)器人是如何能夠思考問(wèn)題或做出動(dòng)作的? _利用時(shí)間和角度兩種測(cè)量方法控制機(jī)

10、器人行走，哪一個(gè)更加準(zhǔn)確呢?為什么?_ _ 八、拓展 機(jī)器人走四方形 我們剛才已經(jīng)走了一條50CM的直線，下面請(qǐng)你讓機(jī)器人出發(fā)后走一個(gè)正方形，最后讓機(jī)器人回到起點(diǎn)。技能牌：機(jī)器人轉(zhuǎn)彎 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎還是利用“移動(dòng)轉(zhuǎn)向”模塊，為了更加精確，選擇“開啟指定度數(shù)”，方向改為51向右轉(zhuǎn)動(dòng)，功率50，角度390度，如圖8-19所示。 圖8-19 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎390度注意：轉(zhuǎn)彎的角度要根據(jù)機(jī)器人所走的場(chǎng)地和機(jī)器人的結(jié)構(gòu)來(lái)確定。通常使機(jī)器人轉(zhuǎn)到90度的位置，要不斷的修改方向值去測(cè)試機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。 最終的程序，如圖8-20所示。 圖8-20 程序循環(huán)4次 注意循環(huán)結(jié)構(gòu)，選擇好計(jì)數(shù)循環(huán)的次數(shù)。由于要走四邊形因此循

11、環(huán)次數(shù)取值為4。通過(guò)這個(gè)例子我們可以看到機(jī)器人的動(dòng)作是由程序來(lái)控制的，機(jī)器人本身是不會(huì)像人一樣進(jìn)行思考的，但是通過(guò)給機(jī)器人輸入程序后，就可以讓機(jī)器人像人一樣進(jìn)行思考和動(dòng)作了。九、作業(yè) 如圖8-21所示，如果讓機(jī)器人小車前進(jìn)，碰到障礙物后停止（障礙物固定在地面上，小車不會(huì)推動(dòng)），并發(fā)出聲響，你應(yīng)該用時(shí)間還是角度去控制機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)呢?說(shuō)說(shuō)為什么?圖8-21 機(jī)器人碰到障礙物停下第八課機(jī)器人小車搭建圖1. 樂(lè)高大電機(jī)與十字軸連接2. 樂(lè)高四方形連接器3. 軸銷連接器4. 樂(lè)高四方形連接器固定馬達(dá)5. 黃色長(zhǎng)梁與圓銷連接6. 黃色長(zhǎng)梁固定在馬達(dá)上7. 雙銷直角連接件8. 雙銷直角連接件與綠色三孔圓梁連接9. 連接黑色圓銷10. 直角梁11. 直角梁與圓銷連接12. 直角梁固定在雙銷直角連接件上13. 制作對(duì)稱的兩個(gè)積木件14. 灰色梁連接兩個(gè)積木件15. 前面已做好的馬達(dá)16. 將連接件固定在馬達(dá)上17. 車體底部18. 四方形連接器固定在背面19. 四個(gè)軸銷連接件加固20. 雙銷直角連接器21. 紅色直角梁22. 雙銷直角連接器與紅色直角梁連接23. 制作對(duì)稱的兩個(gè)24. 樂(lè)高金屬球和球罩25. 樂(lè)高金屬球放入到球罩中26. 藍(lán)色