《第一節(jié) 地面灰度傳感器及其應用》名師教案

學而優(yōu)教有方第一節(jié)地面灰度傳感器及其應用一、教材分析（一）內(nèi)容分析本節(jié)先從地面灰度傳感器的工作原理入手，讓學生理解地面灰度傳感器的功能。再讓學生認識機器人先進的智能感知周邊環(huán)境情況的器件——地面灰度傳感器實物及“地面檢測”模塊在仿真系統(tǒng)模塊庫和流程圖程序中的形狀，為使用地面灰度傳感器進行程序設計打下基礎。接著講解“地面檢測”模塊的功能及設置，讓學生理解使用地面灰度傳感器進行程序設計的方法。最后通過兩個實踐活動，讓學生熟練掌握使用地面灰度傳感器進行程序設計的方法和技巧。（二）教學目標（1）通過“實踐活動”的探索和編程實踐，掌握“地面檢測”模塊在程序設計中的應用及參數(shù)設置方法。學會運用“地面檢測”模塊設計程序。（2）通過探索地面灰度檢測程序?qū)Ψ抡鎴龅氐臋z測，觀察不同顏色的地面圖帶的地面檢測數(shù)值情況及變化規(guī)律，正確理解地面灰度的概念及地面灰度傳感器的工作原理。（3）通過代碼程序，了解JC語言代碼程序中語句的含義，并會運用JC語言的相關參數(shù)設置圖形化程序模塊中的參數(shù)。（三）教學重點和難點1.教學重點（1）地面灰度傳感器的原理和“地面檢測”模塊的參數(shù)設置技巧。（2）利用“地面檢測”模塊進行地面灰度值的檢測。（3）掌握泊車程序的設計方法。2.教學難點（1）程序的設計思路。（2）計數(shù)器的作用。二、學情分析通過前三章的學習，學生已經(jīng)掌握了簡單機器人程序的設計，設計出來的程序還無法感知周邊環(huán)境。從本節(jié)開始學習傳感器模塊庫，之后就能設計出感知地面灰度情況的程序。從學生的認知規(guī)律來看，學習本節(jié)的內(nèi)容，難度不大。從學生的認知水平來看，“實踐活動1”和“實踐活動2”設計完成任務的程序難度都不大。為了對學生程序設計能力進行測試，本節(jié)最后的“練習提升”第1題的難度較大，目的是通過課堂競賽的形式調(diào)動學生的學習積極性。三、教學建議（一）課前準備設備：多媒體教學設備，提前安裝好VJC1.5仿真版軟件。學生：預習地面灰度傳感器原理。教師：設計并調(diào)試好泊車程序、數(shù)黃線程序，下載好本節(jié)所用的機器人仿真場地，即泊車場地和數(shù)黃線場地；網(wǎng)上下載或自己錄制機器人巡線（賽）視頻，供創(chuàng)設情境、導入新課用；準備好課堂競賽獎品，如紅紙喜報、小小獎品等，以便充分調(diào)動學生的學習積極性。（二）過程設計1.創(chuàng)設情境，導入新課教師可以先用機器人巡線（賽）短視頻，創(chuàng)設情境，導入新課。之后，演示真實的具有地面灰度傳感器的機器人，讓學生觀察地面灰度傳感器工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)時有何差別，通過真實機器人的展示激發(fā)學生的學習興趣。2.地面灰度傳感器地面灰度傳感器的教學可以從展示實物照片并引導學生觀察入手，讓學生識別哪個是發(fā)光二極管？哪個是光敏電阻，從而掌握地面灰度傳感器的工作原理。之后，讓學生認識“地面檢測”模塊的圖形樣式，區(qū)別“地面檢測”模塊在傳感器模塊庫與流程圖程序中的不同。3.“地面檢測”模塊功能與設置（1）基礎知識部分?！暗孛鏅z測”模塊在程序設計中有兩種方式：一種是單功能的，在流程圖程序中的圖標是平行四邊形，此時僅僅是采集地面灰度傳感器的數(shù)值；另一種是帶判斷功能的，也就是說除了采集地面灰度傳感器的數(shù)據(jù)外，增加了判斷功能，在流程圖程序中的圖標是菱形。這兩種方式在教學中可通過分析生成的語言代碼，讓學生更容易理解它們之間的區(qū)別。（2）實踐活動1?！皩嵺`活動1”安排的內(nèi)容分六步完成，分步進行的主導思想是小步子教學，分六步實施后降低了教學難度。本實踐活動培養(yǎng)了學生的動腦、動手編程的能力，同時讓學生觀察地面灰度傳感器采集到的數(shù)值及變化規(guī)律。通過實踐活動，讓學生觀察到此數(shù)值實際與地面的顏色沒有直接關系，不同的顏色采集的數(shù)值也可能相同，此數(shù)值與地面的灰度值有著直接的關系，因為地面的灰度值直接決定了地面的反光程度。通過實踐活動，教學中要讓學生知道仿真系統(tǒng)中的地面灰度傳感器是“色盲”，它不能準確區(qū)分地面的顏色。4.機器人自動泊車的程序算法本例題的題材來源于現(xiàn)實生活，抽象變成了仿真環(huán)境的機器人泊車問題。機器人的自動泊車無需考慮現(xiàn)實生活中四輪汽車運動時的不靈活性，只需以仿真機器人運動特點實現(xiàn)自動泊車就可以了。（例如現(xiàn)實汽車無法實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，但仿真機器人原地旋轉(zhuǎn)自如，這是因為機器人主動輪只有左、右兩個，因此可以原地旋轉(zhuǎn)）5.思考與探索“實踐活動2”程序設計思路中用地面灰度傳感器來感知車庫地板的顏色值，并用其設計程序判斷采取適當?shù)膭幼鞑窜?。但是，在本“思考與探索”中，學生找不到這個地板顏色參照物，教師可以啟發(fā)學生思考：該怎么辦？相信會有許多學生開動腦筋后馬上想到，自己可以在最左邊車庫（位）下方畫一個圖帶，有些學生可能畫一個矩形圖帶，有些學生可能畫一個圓形圖帶，也有些學生會畫出一個正方形的圖帶，圖帶顏色也不同。這時，第一是要提醒學生保存自己修改好的場地，否則退出仿真場地設計程序時，修改好的場地就會丟失；第二是要提醒學生檢測自己畫出的圖帶地面灰度值，再設計程序。當然，本“思考與探索”也可以深入進行研究，如自己繪制的圖帶大小、位置如何設置才更方便設計程序？在學習了紅外測障傳感器及相應的程序模塊后，就不用再自己繪制地面這個圖帶了。6.練習提升第1題有一定的難度，難點有三點。第一點是如何編寫數(shù)黃線的累計求和程序，實際上就是計數(shù)器算法程序，當機器人感知到黃線時計數(shù)器加1。第二點是當機器人感知到黃線時計數(shù)器加1，但是機器人可能會把一條黃線數(shù)成2條或2條以上，主要原因是機器人的計數(shù)器加1后，機器人還沒走過黃線，計數(shù)器又加1，這樣就會多計算一次黃線，導致計數(shù)器算不準的問題。那么在算法上如何讓機器人不重復數(shù)黃線的條數(shù)呢？這一點啟發(fā)學生后，很多學生會得出答案，也就是在計數(shù)器加1這個程序分支下面，直接加個“直行”程序模塊，讓機器人直接運動過黃線而不檢測地面灰度傳感器。這個“直行”程序模塊中的電機速度和時間值參數(shù)設置多少？課堂中教師可啟發(fā)學生進行思考與討論探索。第三點是個別學生設計的程序，機器人會漏數(shù)黃線。解決這個問題的算法思路：一是降低機器人的運動速度；二是在程序的“直行”模塊中減少動作持續(xù)時間，通常0.1秒鐘就可以了。四、實踐活動指導1.實踐活動1活動1：設計如下程序，在屏幕上顯示地面灰度的檢測值。解析：略?；顒?：進入仿真環(huán)境界面后，仿照如圖4-1-1所示的矩形顏色實體圖帶和矩形障礙物墻體，創(chuàng)建地面灰度檢測場地。主要操作步驟為：依次單擊“環(huán)境編輯”下的“實體”—“添加圖帶”—“矩形”，“實體”下的“顏色”—選擇顏色—“確定”等。解析：略?；顒?：程序運行后，放置機器人到相應圖帶上，觀察機器人采集的不同顏色地面的地面灰度數(shù)值，填入下表。解析：檢測結果填表如下。從下向上序號12345678地面的顏色白色紅橘黃綠青藍紫地面灰度數(shù)值017012885170191170128活動4：根據(jù)以上觀察結果，歸納總結地面灰度變化時采集到的數(shù)值規(guī)律：地面灰度越淺，地面灰度傳感器采集到的數(shù)值越（）；地面灰度越深，地面灰度傳感器采集到的數(shù)值越（）。最小值為（),最大值為（）。解析：（小）、（大）、（0）、（255）活動5：進一步探究，多設置幾種地面圖帶，觀察在不同顏色時，會不會出現(xiàn)地面灰度傳感器采集到的數(shù)值相等的情況？答案：（）。解析：不同的顏色會出現(xiàn)采集到的數(shù)值相等的情況?；顒?：根據(jù)問題5的結論，用地面灰度傳感器感知地面情況，是不是有“色盲”的感覺？為什么？解析：地面灰度傳感器是色盲傳感器，它只能感知到灰度的變化情況即深淺變化的值，不能分辨地面顏色。原因是使用的是地面灰度傳感器。五、思考與探索參考答案如何修改“實踐活動2”的程序，使機器人能泊車到最左邊的車位？具體要求是：讓機器人從下方白色圓形圖帶處出發(fā)，然后在此車位前停下來，原地左轉(zhuǎn)90°，停止后再適當后退，完成倒車入庫任務。解析：本節(jié)，由于學生剛學習了地面灰度傳感器及“地面檢測”模塊，還沒有學習紅外傳感器及“紅外測障”模塊，僅有原場地圖不做任何標識的話，要完成這一任務還是有一定的難度的。因此，教學中需要在原場地圖中要停的車庫前，自己繪制一個地面的圖帶，如圖4.1.1所示，我們按基本色的第四行第五列的顏色——藍色來繪制地面圖帶，檢測地面灰度的返回數(shù)值為170，讓機器人感知已經(jīng)到達需要停車的車庫前了。圖4.1.1“思考與探索”設置標識后的場地按這樣設置標識的參考流程圖程序如圖4.1.2。圖4.1.2“思考與探索”流程圖程序參考JC語言代碼程序如下。機器人入庫后的場地狀況如圖4.1.3所示。圖4.1.3“思考與探索”小車入庫圖及運動軌跡六、練習提升參考答案第1題：圖4-1-3是一個帶格子的仿真場地。設計程序，讓機器人從最下方，沿直線向上直行前進，在行走過程中數(shù)出圖中黃色的橫線條數(shù)。解析：解題策略分析：本題機器人感知到黃線時，計數(shù)器加1。首先，設計程序前需要對黃線圖帶進行檢測，得到黃線圖帶的返回值。其次，是計數(shù)問題，計數(shù)要用一個整型變量，例如：整型變量一。在計數(shù)開始前，先把0值賦給整型變量一，在程序中加入條件判斷模塊，如果檢測到黃線，計數(shù)器加1。具體算法是：整型變量一=整型變量一+1課堂中處理學生設計程序問題的策略。個別學生設計的程序，如果機器人運動速度太慢，可能會出現(xiàn)一條黃線計數(shù)器加1的命令不只執(zhí)行一次。徹底解決速度太慢導致計數(shù)器加1過多問題的方法主要有兩種：一種方法是提高機器人運動速度；另一種方法是計數(shù)器加1程序分支中加入一個直行，讓機器人徹底跳過黃線。個別學生設計的程序，計數(shù)器顯示為0。這種原因主要有兩種：第一種原因是顯示模塊中顯示的變量與計數(shù)用的變量不一致；第二種原因是沒有檢測到黃線，可能是條件判斷中的設置不正確，也可能是“地面檢測”模塊設置不正確，還可能是計數(shù)器算法不正確。個別學生設計的程序出現(xiàn)黃線漏檢問題，原因主要有兩種：第一種是機器人運行速度太快，機器人經(jīng)過黃線時，沒來得及檢測；第二種是直行程序模塊中的時間參數(shù)太大，通過用0.1秒,可能就會造成漏檢。參考流程圖程序，如圖4.1.4所示。圖4.1.4“練習提升”第1題流程圖程序參考JC語言代碼程序如下。第2題：發(fā)揮自己的創(chuàng)意，在VJC1.5仿真版軟件中創(chuàng)建一個本地風景區(qū)的場地示意圖?？捎貌煌螤睢㈩伾膱D帶表示不同的景點，適當運用障礙物進行道路的規(guī)劃與限定，完成后保存場地文件并分享給同學們。共同研究探討后，設計機器人程序完成景點游覽任務。解析：各地有不同的風景區(qū)，結合當?shù)厍闆r與特點來完成設計任務。七、教師知識延伸1.地面灰度傳感器在機器人巡線賽中的應用目前，在部分省市舉辦的機器人巡線比賽（名稱有多種），都是在一定的比賽規(guī)則下，讓機器人在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的任務。其中，核心是讓機器人沿黑線或白線運動，主要算法是利用地面灰度傳感器來感知地面的黑線或白線，控制機器人不能脫離（機器人的垂直投影）黑線或白線運動，來完成指定的任務。為了讓機器人準確巡線，常常在機器人的下方裝有五個或七個地面灰度傳感器。2.地面灰度傳感器在送餐機器人中的應用餐廳的送餐機器人就是利用地面灰度傳感器進行送餐導航的。餐廳地面上裝有帶顏色的線條，通過地面灰度傳感器感知線條，并進行餐桌目標的定位，餐廳里每個餐桌的送餐算法程序提前設計好，需要送到哪個餐桌，就啟動哪個餐桌的送餐程序，這樣保障了送餐的準確性。由于地面顏色線條影響餐廳的視覺效果，因此還有更為先進的導航方法，例如視覺導航、地面磁條導航等。地面磁條導航是在餐廳的地面有規(guī)律地安裝磁條，送餐機器人利用餐廳地面上的磁條，通過磁性傳感器感知磁條進行餐桌目標的定位和導航。隨著5G通信技術的發(fā)展，相信還會采用5G進行準確的送餐導航定位。3.光敏電阻光敏電阻是由硫化鎘、硒化鎘、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料生產(chǎn)制造而成的，這些材料具有在特定波長的光照射下阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻是地面灰度傳感器的主要元器件之一，用它來感知發(fā)光二極管照射地面的反光強弱程度，得到一個地面灰度的測試返回值。4.發(fā)光二