《避障機(jī)器人-感知障礙與行動(dòng)規(guī)劃》講義

《避障機(jī)器人--感知障礙與行動(dòng)規(guī)劃》講義一、說(shuō)教材1、教學(xué)內(nèi)容咱們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容是清華版2024小學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第3單元自制開(kāi)源機(jī)器人中的第2課——避障機(jī)器人：感知障礙與行動(dòng)規(guī)劃。2、教材的地位和作用在前面的課程里，同學(xué)們已經(jīng)對(duì)機(jī)器人有了初步的了解，比如機(jī)器人的基本組成部分等。這一課呢，是在前面知識(shí)基礎(chǔ)上的一個(gè)延伸，讓同學(xué)們開(kāi)始深入了解機(jī)器人如何感知周?chē)h(huán)境中的障礙，并且根據(jù)這些感知來(lái)規(guī)劃自己的行動(dòng)。這就像是我們?nèi)嗽谧呗返臅r(shí)候，看到前面有個(gè)大石頭（障礙），我們得想辦法繞過(guò)去，機(jī)器人也得有這樣的本事。這部分知識(shí)為后面學(xué)習(xí)更復(fù)雜的機(jī)器人控制和功能實(shí)現(xiàn)打下了重要的基礎(chǔ)。二、說(shuō)教學(xué)目標(biāo)（一）知識(shí)目標(biāo)1、同學(xué)們要知道避障機(jī)器人是如何利用傳感器來(lái)感知障礙的。比如說(shuō)，就像我們的眼睛能看到東西一樣，機(jī)器人的傳感器就是它的“眼睛”，能夠發(fā)現(xiàn)前面有沒(méi)有東西擋著它的路。2、理解行動(dòng)規(guī)劃在避障機(jī)器人中的重要性，也就是機(jī)器人知道發(fā)現(xiàn)障礙后該怎么做，是向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)還是停下來(lái)等。（二）能力目標(biāo)1、能夠自己動(dòng)手制作一個(gè)簡(jiǎn)單的避障機(jī)器人模型，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)會(huì)連接各種部件，像傳感器、控制器和電機(jī)等，這就好比搭積木，每個(gè)部件都得放在正確的位置上才能讓機(jī)器人正常工作。2、通過(guò)小組合作和實(shí)驗(yàn)，能夠調(diào)整避障機(jī)器人的參數(shù)，讓它更好地避障。就像我們調(diào)整自己走路的速度和方向一樣，機(jī)器人也需要調(diào)整它的速度、轉(zhuǎn)向角度等參數(shù)來(lái)更好地避開(kāi)障礙。（三）情感目標(biāo)1、在制作和調(diào)試避障機(jī)器人的過(guò)程中，培養(yǎng)同學(xué)們的耐心和細(xì)心。因?yàn)檫@可不是一件簡(jiǎn)單的事兒，可能會(huì)遇到很多問(wèn)題，比如線路連接錯(cuò)了，或者機(jī)器人就是不聽(tīng)話，這時(shí)候就需要我們耐心地去查找問(wèn)題，細(xì)心地去解決。2、激發(fā)同學(xué)們對(duì)機(jī)器人技術(shù)的興趣，讓大家感受到科技的魅力。我給大家講個(gè)真實(shí)的事兒啊，我有個(gè)朋友，他去參加一個(gè)科技展覽，看到了各種各樣的機(jī)器人，其中有一個(gè)避障機(jī)器人特別厲害，它在一個(gè)布滿障礙物的場(chǎng)地里穿梭自如，就像一個(gè)小機(jī)靈鬼兒一樣。我朋友當(dāng)時(shí)就被震撼到了，從那以后就對(duì)機(jī)器人技術(shù)特別感興趣，還自己開(kāi)始學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)呢。我希望通過(guò)這堂課，也能讓同學(xué)們有這樣的感覺(jué)。三、說(shuō)教學(xué)重難點(diǎn)1、教學(xué)重點(diǎn)理解避障機(jī)器人的感知原理和行動(dòng)規(guī)劃策略。這就像是我們要搞清楚機(jī)器人的大腦是怎么想的，它怎么知道前面有東西，又怎么決定怎么躲開(kāi)。突破方法：我們會(huì)通過(guò)實(shí)際的演示，讓同學(xué)們直觀地看到避障機(jī)器人的工作過(guò)程。比如說(shuō)，我會(huì)把一個(gè)做好的避障機(jī)器人放在有障礙物的地方，讓它運(yùn)行起來(lái)，大家可以清楚地看到它是如何感知到障礙并且做出反應(yīng)的。然后再把機(jī)器人拆開(kāi)，給大家詳細(xì)講解每個(gè)部件的作用，特別是傳感器和控制器是如何協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)感知和行動(dòng)規(guī)劃的。2、教學(xué)難點(diǎn)能夠根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確地調(diào)整避障機(jī)器人的參數(shù)。這可不容易，因?yàn)椴煌沫h(huán)境、不同的障礙物可能需要不同的參數(shù)設(shè)置。就像我們?cè)诓煌穆窙r下開(kāi)車(chē)，速度和轉(zhuǎn)彎的角度都得調(diào)整一樣。突破方法：我們會(huì)分成小組，讓同學(xué)們?cè)诓煌哪M環(huán)境下對(duì)自己制作的避障機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試。比如說(shuō)，一組同學(xué)設(shè)置比較稀疏的障礙物，另一組設(shè)置比較密集的障礙物。然后大家根據(jù)機(jī)器人的表現(xiàn)來(lái)調(diào)整參數(shù)，在這個(gè)過(guò)程中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，看看什么樣的參數(shù)適合什么樣的環(huán)境。而且老師會(huì)在旁邊指導(dǎo)，及時(shí)解答同學(xué)們遇到的問(wèn)題。四、說(shuō)教學(xué)方法1、直觀演示法對(duì)于避障機(jī)器人這么一個(gè)比較抽象的東西，直觀演示是非常有效的。就像我剛才說(shuō)的，把做好的機(jī)器人在障礙物中運(yùn)行給同學(xué)們看，讓大家一目了然。2、小組合作法制作避障機(jī)器人可不是一個(gè)人就能輕松完成的事兒，需要大家分工合作。有的同學(xué)可以負(fù)責(zé)連接線路，有的同學(xué)可以負(fù)責(zé)測(cè)試，還有的同學(xué)可以記錄數(shù)據(jù)。這樣大家可以互相學(xué)習(xí)，互相幫助，還能提高大家的團(tuán)隊(duì)合作能力。3、問(wèn)題引導(dǎo)法在教學(xué)過(guò)程中，我會(huì)不斷地提出問(wèn)題，引導(dǎo)同學(xué)們思考。比如說(shuō)，當(dāng)機(jī)器人沒(méi)有正確避障的時(shí)候，我會(huì)問(wèn)同學(xué)們：“你們覺(jué)得可能是哪里出了問(wèn)題呢？是傳感器沒(méi)檢測(cè)到，還是行動(dòng)規(guī)劃的算法不對(duì)呢？”這樣可以激發(fā)同學(xué)們的思維，讓他們主動(dòng)去尋找答案。五、教學(xué)過(guò)程1、導(dǎo)入（5分鐘）同學(xué)們，我先給大家講個(gè)故事。有一天，我在家里打掃衛(wèi)生，用掃地機(jī)器人掃地。這個(gè)掃地機(jī)器人可聰明了，它在屋子里跑來(lái)跑去，遇到桌子腿、椅子腿這些障礙物的時(shí)候，都能很巧妙地繞開(kāi)。我就想啊，這個(gè)掃地機(jī)器人是怎么知道前面有東西擋著它，然后又怎么知道該往哪里走才能避開(kāi)這些東西呢？今天啊，我們就來(lái)一起研究一下這個(gè)神奇的避障機(jī)器人。2、知識(shí)講解（15分鐘）首先，我們來(lái)了解一下避障機(jī)器人的“眼睛”——傳感器。傳感器就像我們的眼睛一樣，能夠感知周?chē)沫h(huán)境。常見(jiàn)的傳感器有紅外線傳感器和超聲波傳感器。我給大家舉個(gè)例子，紅外線傳感器就像我們的手一樣，當(dāng)它發(fā)出的紅外線碰到障礙物反射回來(lái)的時(shí)候，它就能知道前面有東西了。而超聲波傳感器呢，就像蝙蝠的嘴巴和耳朵一樣，它發(fā)出超聲波，超聲波碰到障礙物再反射回來(lái)，它就可以根據(jù)這個(gè)時(shí)間差來(lái)判斷距離障礙物有多遠(yuǎn)。然后，我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)行動(dòng)規(guī)劃。當(dāng)傳感器感知到有障礙之后，機(jī)器人得有個(gè)計(jì)劃，是直接停下來(lái)呢，還是向左轉(zhuǎn)或者向右轉(zhuǎn)呢？這就需要一個(gè)行動(dòng)規(guī)劃。這個(gè)行動(dòng)規(guī)劃就像是我們走路的時(shí)候在大腦里想好的路線一樣。比如說(shuō)，如果左邊的空間比較大，機(jī)器人可能就會(huì)選擇向左轉(zhuǎn)來(lái)避開(kāi)障礙物。3、小組制作（30分鐘）現(xiàn)在，同學(xué)們要分成小組來(lái)制作自己的避障機(jī)器人了。每個(gè)小組的桌子上都有一些零件，包括傳感器、控制器、電機(jī)、電池還有一些線路。大家要按照我們剛剛講的原理，把這些零件連接起來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，要注意線路的連接一定要正確，就像我們穿珠子一樣，每一顆珠子都得串在正確的位置上。小組分工如下：一個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)看說(shuō)明書(shū)，指揮大家怎么連接零件；兩個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)動(dòng)手連接線路和安裝部件；還有一個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)記錄遇到的問(wèn)題和解決的方法。如果在制作過(guò)程中遇到了問(wèn)題，比如說(shuō)線路接好了，但是機(jī)器人就是不工作，大家可以先自己檢查一下，是不是線路接反了，或者是某個(gè)部件沒(méi)有安裝好。如果實(shí)在解決不了，可以舉手問(wèn)老師。4、測(cè)試與調(diào)整（30分鐘）好啦，大家的避障機(jī)器人應(yīng)該都制作得差不多了。現(xiàn)在我們要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試了。每個(gè)小組在自己的測(cè)試區(qū)域設(shè)置一些障礙物，然后讓機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)，看看它能不能成功避障。如果機(jī)器人不能很好地避障，那我們就要對(duì)它進(jìn)行調(diào)整了。比如說(shuō)，如果機(jī)器人總是撞到障礙物，可能是傳感器的角度不對(duì)，那我們就調(diào)整一下傳感器的角度；如果機(jī)器人轉(zhuǎn)向不靈活，可能是電機(jī)的速度或者轉(zhuǎn)向參數(shù)設(shè)置得不合理，那我們就調(diào)整一下這些參數(shù)。這就像我們調(diào)整自己的自行車(chē)一樣，如果剎車(chē)不靈了，我們就得調(diào)整剎車(chē)的部件。在這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)小組要記錄下不同參數(shù)下機(jī)器人的避障情況。比如，當(dāng)電機(jī)速度設(shè)置為多少的時(shí)候，機(jī)器人避障的成功率是多少；當(dāng)傳感器角度調(diào)整到多少度的時(shí)候，機(jī)器人的避障效果最好。5、成果展示與總結(jié)（15分鐘）現(xiàn)在，每個(gè)小組派一個(gè)代表來(lái)展示一下你們小組制作的避障機(jī)器人，并且說(shuō)說(shuō)你們?cè)谥谱鬟^(guò)程中遇到了哪些問(wèn)題，是怎么解決的，還有你們調(diào)整參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)。其他小組的同學(xué)要認(rèn)真聽(tīng)，看看別的小組有沒(méi)有什么好的方法和經(jīng)驗(yàn)是我們可以學(xué)習(xí)的。最后，老師來(lái)總結(jié)一下今天的課程。我們今天學(xué)習(xí)了避障機(jī)器人的感知障礙原理和行動(dòng)規(guī)劃，還自己動(dòng)手制作了避障機(jī)器人并且進(jìn)行了測(cè)試和調(diào)整。同學(xué)們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中表現(xiàn)得都非常棒，希望大家以后能夠繼續(xù)探索機(jī)器人的奧秘。六、說(shuō)板書(shū)設(shè)計(jì)1、在黑板的左邊，我會(huì)寫(xiě)上“避障機(jī)器人”幾個(gè)大字，這是今天課程的主題。2、在下面分兩欄，一欄寫(xiě)“感知障礙”，在這一欄下面列出傳感器的類(lèi)型，比如紅外線傳感器、超聲波傳感器，并且簡(jiǎn)單畫(huà)出它們的工作原理示意圖。另一欄寫(xiě)“行動(dòng)規(guī)劃”，下面列出機(jī)器人可能的行動(dòng)方式，比如左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等，并且用箭頭表示出在不同情況下的行動(dòng)規(guī)劃邏輯。3、在黑板的右邊，我會(huì)留出一塊地方用來(lái)記錄同學(xué)們?cè)谥谱骱蜏y(cè)試過(guò)程中遇到的典型問(wèn)題和解決方法，這樣方便大家復(fù)習(xí)和回顧。七、說(shuō)習(xí)題與答案1、習(xí)題（1）避障機(jī)器人常用的傳感器有哪些？請(qǐng)簡(jiǎn)單描述它們的工作原理。（2）如果你的避障機(jī)器人總是在距離障礙物很近的時(shí)候才做出反應(yīng)，你覺(jué)得可能是哪些參數(shù)需要調(diào)整？為什么？（3）在小組制作避障機(jī)器人的過(guò)程中，你認(rèn)為最重要的環(huán)節(jié)是什么？為什么？2、答案（1）避障機(jī)器人常用的傳感器有紅外線傳感器和超聲波傳感器。紅外線傳感器是通過(guò)發(fā)出紅外線，當(dāng)紅外線碰到障礙物反射回來(lái)時(shí)，就能感知到障礙物的存在。超聲波傳感器則是發(fā)出超聲波，根據(jù)超聲波碰到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間差來(lái)判斷與障礙物的距離。（2）如果機(jī)器人總是在距離障礙物很近的時(shí)候才做出反應(yīng)，可能需要調(diào)整傳感器的靈敏度參數(shù)，因?yàn)榭赡苁?/p>