第10課程序設(shè)計(jì)——機(jī)器人大力士教學(xué)案

1、EV3電子教案入門篇第10課 程序設(shè)計(jì)機(jī)器人大力士教學(xué)案一、提出問(wèn)題 當(dāng)今，日本盛行一種叫做“相撲”的比賽，比賽時(shí)兩位大力士在一個(gè)圓圈內(nèi)相互角力，一方把另一方推出圈外后就會(huì)獲得比賽的勝利，如圖10-1所示。你能做一個(gè)機(jī)器人大力士嗎?讓機(jī)器人去參加“相撲”比賽！二、聯(lián)想圖10-1 相撲運(yùn)動(dòng) 相撲機(jī)器人如果做成人形進(jìn)行角斗是最理想的，但人形機(jī)器人的制作比較復(fù)雜，再去進(jìn)行比賽就更難實(shí)現(xiàn)了。因此，我們利用上節(jié)課制作的機(jī)器人小車來(lái)制作機(jī)器人大力士。圖10-2 機(jī)器人相撲三、要求 機(jī)器人相撲，如圖10-2所示。 1. 機(jī)器人大力士不能出圈 2. 遇到對(duì)手時(shí)要相互角力 四、構(gòu)建 機(jī)器人大力士在行走的過(guò)程中是

2、不能主動(dòng)出圈的，出圈后比賽就輸了。要使機(jī)器人不出圈主要是要讓機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識(shí)別黑線，那機(jī)器人如何能夠識(shí)別黑線呢?這就要依靠機(jī)器人的眼睛顏色傳感器。圖10-3 顏色傳感器技能牌：顏色傳感器EV3套裝中提供了顏色傳感器，如圖10-3所示，顏色傳感器就像機(jī)器人的眼睛一樣，它可以識(shí)別顏色或光的強(qiáng)度。顏色傳感器提供了三種功能：1、顏色 2、反射光線強(qiáng)度 3、環(huán)境光強(qiáng)度 機(jī)器人大力士主要利用顏色傳感器的“反射光線強(qiáng)度”功能，它的原理是顏色傳感器的發(fā)射端口將會(huì)發(fā)射紅光，紅光從物體反射回來(lái)被接收端口接收。我們會(huì)看到反射回來(lái)的百分比：0100。數(shù)值越小代表光線越弱，數(shù)值越大光線越強(qiáng)。這里要注意反射的數(shù)值會(huì)受到物

3、體的顏色，材質(zhì)或環(huán)境光線的影響。 顏色傳感器安裝： 顏色傳感器的端口要朝下，如圖10-4所示，并且要考慮到當(dāng)前機(jī)器人測(cè)試的環(huán)境，如果安裝到小車的前方就要注意環(huán)境光對(duì)傳感器的影響。因此，為了將影響降到最低，我們通常將顏色傳感器安裝到機(jī)器人的車底，如圖10-5所示。這樣既可以避免環(huán)境光對(duì)顏色傳感器的干擾，而且在機(jī)器人相互碰撞的時(shí)候也不會(huì)把傳感器撞歪或撞掉。顏色傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線連接到控制器輸入端口3。 圖10-4顏色傳感器的端口朝下圖10-5 顏色傳感器安裝到車底五、算法與程序： 算法：當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)的時(shí)候，會(huì)始終通過(guò)顏色傳感器檢測(cè)地面光強(qiáng)，如果是白色地面機(jī)器人會(huì)一直前進(jìn)；如果遇到黑線，機(jī)器人就會(huì)

4、停止，后退并轉(zhuǎn)向，然后朝其他方向繼續(xù)前進(jìn)，根據(jù)算法編寫以下程序。 程序：1 選擇“移動(dòng)轉(zhuǎn)向”模塊。注意這里要選擇“開啟”選項(xiàng)，如圖10-6所示，電機(jī)會(huì)一直轉(zhuǎn)動(dòng)。如果選擇時(shí)間或角度，經(jīng)過(guò)所設(shè)置的時(shí)間或角度后，電機(jī)會(huì)停止，這樣機(jī)器人就會(huì)一直停下來(lái)。這是初學(xué)者經(jīng)常會(huì)犯的錯(cuò)誤，需要在編程的時(shí)候一定要注意這個(gè)問(wèn)題，設(shè)置好電機(jī)方向和電機(jī)功率的模塊程序如圖10-7所示。圖10-6 選擇“開啟”圖10-7電機(jī)模塊以及電機(jī)參數(shù) 1. 選擇“流程控制”類中的“等待”模塊。在我們需要等待時(shí)間或等待一個(gè)條件時(shí)經(jīng)常會(huì)用到這個(gè)模塊，如圖10-8所示。圖10-8 等待模塊2. 在“等待”模塊中選擇“顏色傳感器”>“比

5、較”>“反射光線強(qiáng)度”，如圖10-9所示。在右上角端口設(shè)置為3，注意端口所設(shè)置的數(shù)值一定要與傳感器連接的端口一致。這個(gè)模塊的作用是：當(dāng)條件不成立的時(shí)候會(huì)始終運(yùn)行前一個(gè)模塊的動(dòng)作，一旦條件成立，就會(huì)執(zhí)行后面的模塊，我們經(jīng)常會(huì)把它比喻成生活當(dāng)中的門，當(dāng)條件不成立的時(shí)候門是不開的，只能執(zhí)行前面的模塊；當(dāng)條件成立時(shí)門就開了，就可以執(zhí)行后面的模塊了。圖10-9 選擇反射光線強(qiáng)度4. 閾值的輸入 閾值是條件的比較值，在這里閾值應(yīng)該是黑色和白色的中間值，舉個(gè)例子，當(dāng)黑色光值為40,白色光值為60時(shí)，我們會(huì)選擇中間的一個(gè)值45或55。 如果在機(jī)器人前進(jìn)的過(guò)程中，它測(cè)到的光值小于閾值，這時(shí)機(jī)器人會(huì)知道當(dāng)前

6、位置是在黑線上；當(dāng)前光值大于閾值即認(rèn)定為在白色區(qū)域上。由此我們就可以通過(guò)比較來(lái)判斷當(dāng)前的位置是白色區(qū)域還是黑線。技能牌：閾值的測(cè)量在EV3控制器中打開“port view”程序塊，如圖10-10所示。選擇col-reflect功能，即“反射光線強(qiáng)度”功能。在端口查看中可以看到1端口顏色傳感器的數(shù)值，數(shù)值范圍是0100。測(cè)量的時(shí)候測(cè)兩次，傳感器放在白色區(qū)域讀一次值，值為96，如圖10-11所示。放在黑色區(qū)域讀一次值，值為4，如圖10-12所示。 測(cè)量值的大小要根據(jù)場(chǎng)地的材質(zhì)，地磚和白色燈箱布的差別還是很大的。根據(jù)我所測(cè)量的光值，最終閾值取值為50。圖10-10 打開“port view”程序塊圖

7、10-11 讀白色值圖10-12 讀黑色值 5. 檢測(cè)到黑線后，讓機(jī)器人停止，并向后退1秒，然后轉(zhuǎn)向1秒，如圖10-13所示。這里要設(shè)置一個(gè)讓機(jī)器人向后退的動(dòng)作，因?yàn)楫?dāng)檢測(cè)到黑線后，機(jī)器人的位置已經(jīng)處在黑線的上方位置，如果直接轉(zhuǎn)動(dòng)，很容易讓傳感器接觸到圈外，這樣機(jī)器人很容易出現(xiàn)走出圈的動(dòng)作。圖10-13 檢測(cè)黑線后向后退1秒下載程序，在運(yùn)行時(shí)，你可以看到機(jī)器人碰到黑線后會(huì)停下，并后退和轉(zhuǎn)向，后退和轉(zhuǎn)向的時(shí)間可以根據(jù)你的場(chǎng)地進(jìn)行取值。當(dāng)然，對(duì)于電機(jī)的控制你也可以把時(shí)間控制換為角度來(lái)進(jìn)行動(dòng)作?，F(xiàn)在，你的機(jī)器人大力士可以上場(chǎng)比賽啦！六、優(yōu)化與改進(jìn) 機(jī)器人大力士可以在圓圈內(nèi)行走，但是我們看到機(jī)器人不能

8、自動(dòng)找到對(duì)手，它只是隨機(jī)的進(jìn)行移動(dòng)，這樣我們會(huì)覺得比賽不是非常精彩。 下面我們就進(jìn)行一下改進(jìn)，利用樂高的超聲傳感器來(lái)找到對(duì)手并進(jìn)行角力。 技能牌：超聲波傳感器 超聲波傳感器可以測(cè)量前方物體與機(jī)器人之間的距離，如圖10-14所示。它的原理是超聲傳感器發(fā)出超聲波，超聲波從物體反射回來(lái)被超聲傳感器接收，根據(jù)聲波發(fā)射與接收的時(shí)間計(jì)算出機(jī)器人與物體之間的距離。超聲波傳感器的測(cè)量范圍是：0255cm。圖10-14 超聲波傳感器 1. 安裝超聲波傳感器 超聲波傳感器安裝在機(jī)器人的前方，將發(fā)射口一面朝前安裝。如圖10-5所示。這里要注意傳感器的安裝高度，不要安裝的過(guò)高，要根據(jù)對(duì)方機(jī)器人的高度進(jìn)行安裝，否則會(huì)檢

9、測(cè)不到對(duì)手。將傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到控制器的輸入口4，如圖10-16所示。 圖10-15 超聲波傳感器的安裝 圖10-16 超聲波傳感器固定到小車上2. 算法與程序 算法： 機(jī)器人大力士在圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)尋找對(duì)手，一旦發(fā)現(xiàn)對(duì)手，前進(jìn)與對(duì)手進(jìn)行角力，同時(shí)，機(jī)器人要隨時(shí)檢測(cè)黑線，不能超越黑線走出圓圈。 程序：1) 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)尋找對(duì)手，通過(guò)超聲波來(lái)發(fā)現(xiàn)對(duì)手。將“等待超聲波”模塊中的單位設(shè)置為厘米(cm)，超聲波傳感器的測(cè)量范圍是：0255cm，在超聲波距離小于30厘米時(shí)可以發(fā)現(xiàn)對(duì)方，如圖10-17所示。距離遠(yuǎn)近可以視比賽場(chǎng)地自行調(diào)整。圖10-17 等待超聲波小于30CM 2) 發(fā)現(xiàn)對(duì)手后，要與對(duì)手角力，但是

10、機(jī)器人始終要監(jiān)測(cè)超聲測(cè)距和地面黑線檢測(cè)兩個(gè)條件，因此，光值的判斷不能使用等待模塊，在這里我們使用切換模塊。技能牌：切換模塊 切換模塊可以進(jìn)行條件的比較或者是多種條件的選擇。切換模塊實(shí)際整合了程序設(shè)計(jì)中的分支語(yǔ)句和多條件選擇語(yǔ)句，如圖10-18所示。圖10-18 切換模塊用切換模塊判斷顏色傳感器是否檢測(cè)到地面黑線。當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，機(jī)器人后退并且轉(zhuǎn)動(dòng)；反之沒有檢測(cè)到黑線，機(jī)器人會(huì)向前行進(jìn)0.2秒，如圖10-19所示。 圖10-19 切換模塊控制機(jī)器人識(shí)別黑線并控制電機(jī) 3) 完整程序如圖10-20所示，這是相樸機(jī)器人的完整程序。圖10-20 相樸機(jī)器人程序 經(jīng)過(guò)改進(jìn)以后，機(jī)器人大力士就可

11、以尋找到對(duì)手，并與對(duì)手進(jìn)行角力，這將會(huì)讓我們的相撲比賽變得更加精彩！七、實(shí)踐與討論 當(dāng)我們測(cè)量黑線時(shí)，為什么光線強(qiáng)度值會(huì)小?_ _ 顏色傳感器離物體的距離是否會(huì)影響光線反射回來(lái)的比值?如何影響? _八、拓展 利用顏色傳感器的“反射光線強(qiáng)度”功能，讓機(jī)器人小車可以沿著黑線行走，如圖10-21所示。 提示：要使機(jī)器人小車能夠順利地走黑線，要調(diào)整顏色傳感器與電機(jī)之間的軸距距離，把顏色傳感器安裝到車的前方,這樣機(jī)器人小車走黑線的效果會(huì)更好! 圖10-21 機(jī)器人小車走黑線 完整程序：如圖10-22所示。圖10-22 機(jī)器人小車走黑線 九、作業(yè) 利用顏色傳感器的“顏色”功能，讓機(jī)器人能夠自動(dòng)識(shí)別顏色，如檢測(cè)紅色時(shí)，讓機(jī)器人發(fā)出語(yǔ)音信息“Red”。 提示：選擇顏色傳感器“顏色”功能后，機(jī)器人可以識(shí)別無(wú)顏色，黑色，藍(lán)色，綠色，黃色，紅色，白色和棕色8種顏色，分別用數(shù)值07來(lái)表示，如圖10-23所示。另外，用顏色傳感器的切換語(yǔ)句進(jìn)行多條件比較會(huì)使程序變得十分簡(jiǎn)單。注意：當(dāng)選擇顏色傳感器“顏色”功能后，傳感器與被測(cè)顏色之間要距離很近才可以測(cè)量的準(zhǔn)確。圖10-23 07代表的8種顏色光電小車搭建圖1. 軸銷轉(zhuǎn)接器2. 軸銷轉(zhuǎn)接器與圓銷連接3. 軸銷轉(zhuǎn)接器與十字軸連接4. 顏色傳感器5. 軸銷轉(zhuǎn)接器固定在顏色傳感器上6. 制作對(duì)稱的軸銷轉(zhuǎn)接器固下在顏色傳感器上7. 機(jī)器人小