例談Arduino創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)優(yōu)秀獲獎(jiǎng)科研論文

例談Arduino創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)優(yōu)秀獲獎(jiǎng)科研論文

[摘要]通過(guò)“自動(dòng)跟蹤風(fēng)扇”的設(shè)計(jì)，介紹如何在中小學(xué)信息技術(shù)課上開展機(jī)器人教學(xué)。創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)應(yīng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)情，結(jié)合創(chuàng)客教育的理念以及信息技術(shù)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生積極動(dòng)手實(shí)踐、探索與創(chuàng)新。

[關(guān)鍵詞]Arduino；創(chuàng)意機(jī)器人；傳感器；信息技術(shù)；中小學(xué)

機(jī)器人（Robot）是指能夠自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義是：一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。生活中常見(jiàn)的自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)提款機(jī)和紅外自動(dòng)抽水馬桶等，都具有機(jī)器人的特征。在此引用的課例，要求學(xué)生設(shè)計(jì)出可以根據(jù)人所處的位置調(diào)整方向的風(fēng)扇。雖然它的功能很簡(jiǎn)單，但本質(zhì)上也是機(jī)器人。

學(xué)校有關(guān)機(jī)器人的教學(xué)從初中三年級(jí)開始涉及，由于所選教材涉及的中鳴機(jī)器人設(shè)備比較貴，更新?lián)Q代又較快，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素、可拓展性和創(chuàng)客教育的開源性特點(diǎn)，筆者決定選擇Arduino進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)，參考教材為網(wǎng)絡(luò)電子教材《Arduino創(chuàng)意機(jī)器人》。此前，學(xué)生們已經(jīng)學(xué)過(guò)了Scratch圖形編程軟件，掌握了積木式程序設(shè)計(jì)。在開始設(shè)計(jì)Arduino創(chuàng)意機(jī)器人“自動(dòng)跟蹤風(fēng)扇”之前，學(xué)生對(duì)Arduino編程的流程以及硬件（如電機(jī)、聲音傳感器、舵機(jī)等）的連接、PWM（脈沖寬度調(diào)制）已有所了解。

一、課堂導(dǎo)入與任務(wù)提出

教師首先播放一段掃地機(jī)器人的視頻，讓學(xué)生思考：掃地機(jī)器人是如何判斷前方是否有物體，從而避開障礙物繼續(xù)前行的呢？有的學(xué)生說(shuō)“靠雷達(dá)”，有的學(xué)生說(shuō)“靠眼睛”。教師引導(dǎo)：Arduino就好比人的大腦，負(fù)責(zé)思考和控制行動(dòng)。但是大腦的信息需要人體各個(gè)感官來(lái)提供。比如眼睛可以提供視覺(jué)信息，鼻子可以提供嗅覺(jué)信息，皮膚可以提供溫度信息等。如果我們想讓小風(fēng)扇成為一個(gè)機(jī)器人，使它能夠根據(jù)人的移動(dòng)，始終朝著人的位置吹風(fēng)。那么它要如何感受到人的移動(dòng)呢？如果它也有“眼睛”就好辦了。這時(shí)引入新傳感器的概念，它可以根據(jù)光線的變化判斷前方是否有物體，從而實(shí)現(xiàn)追蹤功能。教師還指出，提到“雷達(dá)”的同學(xué)也有道理，雷達(dá)是發(fā)出“聲波”探測(cè)物體。那么這節(jié)課上要用到的“數(shù)字防跌落傳感器”就好比是眼睛，可以通過(guò)感知光線判斷前方是否有物體。

向?qū)W生提出任務(wù)：設(shè)計(jì)一臺(tái)風(fēng)扇，使它能夠跟著人（人手）位置的變化自動(dòng)搖頭。具體要求是：當(dāng)人（人手）位于風(fēng)扇左側(cè)，風(fēng)扇會(huì)向左旋轉(zhuǎn)；如果人離開左側(cè)位置，風(fēng)扇就會(huì)向右旋轉(zhuǎn)到初始位置。同理，當(dāng)人（人手）位于風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇會(huì)向右旋轉(zhuǎn)；如果人（人手）離開右側(cè)位置，風(fēng)扇就會(huì)向左旋轉(zhuǎn)到初始位置。

二、硬件材料及其工作原理

所需硬件包括：Romeo板一塊，舵機(jī)SG90（180度）一個(gè)，風(fēng)扇一個(gè)，數(shù)字防跌落傳感器2個(gè)，電機(jī)2個(gè)。教師需要指導(dǎo)學(xué)生了解硬件的連接方法。

風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)。風(fēng)扇需要電機(jī)的驅(qū)動(dòng)才能轉(zhuǎn)起來(lái)。由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)需要的電流較大，不能直接使用Arduino的針腳，所以要把電機(jī)連接到Arduino板上，并提供專門的電源。本例中Romeo板可提供M1和M2的四個(gè)接線柱來(lái)連接電機(jī)，接線不區(qū)分正負(fù)極，但是連接位置（或順序）不同會(huì)影響風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。M1和M2分別對(duì)應(yīng)跳線的4、5、6、7接口。4代表電機(jī)1的方向控制，5代表電機(jī)1的速度控制，6代表電機(jī)2的速度控制，7代表電機(jī)2的方向控制。如果程序中選取了M1接線柱來(lái)連接風(fēng)扇，對(duì)應(yīng)的就是4和5兩個(gè)接口。M1還可以連接電機(jī)，有兩個(gè)接線柱4和5。4控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，即風(fēng)扇可能是順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，5控制轉(zhuǎn)速。首先要將電機(jī)連接在M1接線柱上，將“引腳”模塊中的“針腳值”設(shè)為5（控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速），并設(shè)置轉(zhuǎn)速為200（數(shù)值越大，轉(zhuǎn)得越快）。然后再把塑料風(fēng)扇葉片固定到電機(jī)上面。

舵機(jī)。舵機(jī)能夠讓機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)，如機(jī)器人的頭部扭轉(zhuǎn)、關(guān)節(jié)部分的活動(dòng)、風(fēng)扇的搖頭功能等。這里選用的是180度舵機(jī)，這意味著風(fēng)扇可以在左右180°范圍內(nèi)搖頭。舵機(jī)上有紅、黑、黃三條控制線，分別對(duì)應(yīng)電源、地線和信號(hào)線。這里要把舵機(jī)信號(hào)線連接在與程序代碼對(duì)應(yīng)的數(shù)字接口上，本例為9號(hào)接口。電源線連接VCC接口，地線連接GND接口，這里VCC接口代表電源的正極，GND代表電源的負(fù)極。風(fēng)扇搖頭，需要舵機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于180°時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度逐步累加，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)到180°位置時(shí)，再一步一步遞減到0°。

數(shù)字防跌落傳感器。這是一種Arduino紅外傳感器，主要利用紅外測(cè)距原理，和聲波測(cè)距的原理類似，有效距離為10cm。數(shù)字防跌落傳感器最初是為了使機(jī)器人走到有臺(tái)階的地方能及時(shí)停下來(lái)，防止因繼續(xù)前行而跌落摔壞。在本課中使用防跌落傳感器的目的，是讓風(fēng)扇“感知”自己和人的距離是否小于10cm，以便及時(shí)調(diào)整自己的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)智能改變方向。它將成為機(jī)器人的“眼睛”。將數(shù)字防跌落傳感器分別連接數(shù)字口11和12，因?yàn)閭鞲衅髦惠敵?（沒(méi)有障礙物）和1（有障礙物）兩種狀態(tài)，是數(shù)字信號(hào)，所以必須連接數(shù)字接口。Arduino的數(shù)字接口為Remeo板上的digital接口0～13，一共有14個(gè)，除了前面已經(jīng)占用的接口5和6，其余數(shù)字接口都可以任意選用。其中舵機(jī)和風(fēng)扇的連接要講究一點(diǎn)技巧，要保證能夠讓舵機(jī)有效地輔助電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的搖頭功能（見(jiàn)圖1）。

三、課堂任務(wù)

整個(gè)課堂由兩部分組成。基礎(chǔ)任務(wù)部分由教師帶領(lǐng)學(xué)生共同完成；完整任務(wù)部分由學(xué)生在基礎(chǔ)任務(wù)的基礎(chǔ)上小組合作完成。

1.基礎(chǔ)任務(wù)

使用一個(gè)數(shù)字防跌落傳感器和舵機(jī)，制作自動(dòng)跟蹤風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)左邊傳感器檢測(cè)到物體，風(fēng)扇向左搖頭；否則向右搖頭。編輯圖形代碼（見(jiàn)圖2）。設(shè)定風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，為電機(jī)設(shè)定方向和速度。設(shè)定針腳的模擬值為“5”（代表了左搖），PWM值為“200”（代表轉(zhuǎn)速）。

接下來(lái)編寫代碼實(shí)現(xiàn)“當(dāng)前方有物體，舵機(jī)向左轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)左側(cè)數(shù)字防跌落傳感器檢測(cè)不到物體，舵機(jī)向右轉(zhuǎn)動(dòng)”。因?yàn)閿?shù)字防跌落傳感器連接在了數(shù)字針腳11上面，所以針腳應(yīng)設(shè)置為11。因?yàn)樾枰鶕?jù)風(fēng)扇左側(cè)是否有人（人手），然后才能判斷風(fēng)扇向哪個(gè)方向搖頭，所以在循環(huán)的開始，首先要判斷數(shù)字針腳11的值是0還是1，如果是0，表示左側(cè)有人，這個(gè)時(shí)候風(fēng)扇需要向左搖頭，所以舵機(jī)的角度k越來(lái)越小，直到度數(shù)變?yōu)?°，即達(dá)到了最左側(cè)。相反，如果值為1，那么說(shuō)明左側(cè)沒(méi)有人（人手），然后將舵機(jī)連接在數(shù)字針腳9上，由于舵機(jī)需要跟隨人（人手）的位置不斷運(yùn)動(dòng)，所以需要設(shè)置成變量，變量設(shè)置為k。k值會(huì)逐步增加，直到180°（見(jiàn)圖3）。

完成以上代碼的編寫以后，需要將程序代碼上載到Arduino板上，并觀察運(yùn)行情況。接下來(lái)學(xué)生在小組內(nèi)討論后自主完成以下任務(wù)：一是硬件部分的連接，首先完成的小組可以進(jìn)行演示，成績(jī)計(jì)入小組競(jìng)賽成績(jī)中；二是代碼的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，學(xué)生依據(jù)教師的講解和示范，親自設(shè)計(jì)并運(yùn)行程序，率先完成的小組加分。

2.完整任務(wù)

要求學(xué)生完成完整程序的編寫并實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)人（人手）在風(fēng)扇的左側(cè)，風(fēng)扇向左搖頭，當(dāng)人（人手）不在風(fēng)扇的左側(cè)，風(fēng)扇向右搖頭；當(dāng)人（人手）在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇向右搖頭，當(dāng)人（人手）不在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇向左搖頭。以下為教師的引導(dǎo)過(guò)程示例。

教師：剛剛我們已經(jīng)完成了整個(gè)任務(wù)的一半，剩下的程序要怎樣編寫，有沒(méi)有便捷的方法？

學(xué)生：把剛剛的代碼克隆，然后修改代碼的相應(yīng)參數(shù)就可以了。

教師：需要修改哪些代碼呢？

學(xué)生：判斷人在風(fēng)扇的右側(cè)，當(dāng)人在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇需要向右搖頭，當(dāng)人不在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇要向左搖頭。

教師：怎樣實(shí)現(xiàn)呢？請(qǐng)首先考慮硬件部分。

學(xué)生：一個(gè)數(shù)字防跌落傳感器放在左側(cè)，一個(gè)數(shù)字防跌落傳感器放在右側(cè)。

教師：那么如何來(lái)判斷哪個(gè)數(shù)字傳感器是左側(cè)的？哪個(gè)數(shù)字傳感器是右側(cè)的呢？

學(xué)生：剛剛的數(shù)字傳感器接的端口是針腳11，那么現(xiàn)在的數(shù)字傳感器的端口可以接在其他的數(shù)字針腳上，就可以區(qū)別了。

教師：下面大家就可以親自動(dòng)手了。如果有問(wèn)題，可以先在組