機器人指南車

學(xué)習(xí)背景

指南車是中國古代指示方向的一種車輛，中國古籍有“車雖回運而手常指南”的相關(guān)記載。本課嘗試借古創(chuàng)今，使用樂高積木搭建創(chuàng)意小車，借助陀螺儀傳感器獲取小車的旋轉(zhuǎn)角度，在LEGO MINDSTORMS Education EV3編程軟件（以下簡稱“EV3軟件”）中利用數(shù)學(xué)模塊、移動槽模塊控制小車運行，使其自動轉(zhuǎn)向指定方向。學(xué)生在感受中國古代技術(shù)神奇魅力的同時，將創(chuàng)客的教育理念融入具體實際問題的解決過程中，在科學(xué)探究中發(fā)展學(xué)生的實踐能力、合作能力和創(chuàng)新意識。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能

1.使用樂高積木設(shè)計并搭建一個創(chuàng)意小車。

2.描述陀螺儀傳感器的原理和作用。

3.使用陀螺儀傳感器采集數(shù)值，利用數(shù)學(xué)模塊、移動槽模塊實現(xiàn)小車自動轉(zhuǎn)向的控制。

4.使用EV3軟件進行程序編寫。

過程與方法

1.經(jīng)歷小組合作完成創(chuàng)意小車積木搭建與程序設(shè)計的過程。

2.觀察分析陀螺儀傳感器數(shù)值與小車旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。

3.運用閱讀資料、自我構(gòu)思設(shè)計、基于學(xué)習(xí)支架摸索與嘗試操作等方法來進行相關(guān)內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)。

情感態(tài)度與價值觀

1.體驗借鑒中國古代指南車的思路，設(shè)計現(xiàn)代樂高小車的過程，感受中國古代技術(shù)魅力的同時培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

2.在小組合作學(xué)習(xí)中能發(fā)揮特長，并積極承擔(dān)任務(wù)，培養(yǎng)合作精神和團隊榮譽感。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點

1.觀察分析陀螺儀傳感器數(shù)值與小車旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。

2.使用陀螺儀傳感器采集數(shù)值，利用數(shù)學(xué)模塊、移動槽模塊實現(xiàn)小車自動轉(zhuǎn)向的控制。

教學(xué)難點

利用陀螺儀傳感器模塊、數(shù)學(xué)模塊、移動槽模塊實現(xiàn)小車自動轉(zhuǎn)向的控制。

教學(xué)過程

一、創(chuàng)設(shè)情境

指南車是中國古代指示方向的一種車輛，它利用機械傳動系統(tǒng)控制車上的木人，無論車子轉(zhuǎn)向何方，木人的手始終指向指南車出發(fā)時設(shè)置的方向，中國古籍有“車雖回運而手常指南”的相關(guān)記載（如圖1）。

圖1（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

本課以指南車為研究對象，讓同學(xué)們思考怎樣將古代技術(shù)思路引入到當(dāng)今的機器人設(shè)計中，開發(fā)能自動轉(zhuǎn)回初始方向的樂高小車。

二、需求分析

教師組織學(xué)生討論控制小車能自動轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵要素，理解陀螺儀的原理以及在本作品中的作用，并分析驅(qū)動小車轉(zhuǎn)向的大致步驟。

三、構(gòu)思設(shè)計

組織學(xué)生以小組為單位設(shè)計創(chuàng)意小車的草圖，并使用樂高積木、陀螺儀傳感器、數(shù)據(jù)線等完成相關(guān)組件的搭建與連接。

四、探究新知

教師組織學(xué)生以小組為單位將EV3控制器與計算機相連，利用EV3軟件觀察分析陀螺儀傳感器數(shù)值與小車旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，大致判斷驅(qū)動兩個電機旋轉(zhuǎn)的參數(shù)。

五、編程調(diào)試

在前期討論和觀察分析的基礎(chǔ)上，教師組織學(xué)生小組經(jīng)歷觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、分析原因、嘗試解決等過程，逐步完善程序編寫，讓學(xué)生設(shè)計完成符合真實環(huán)境的樂高指南車。

六、展示評價

教師組織學(xué)生以小組為單位進行作品展示，并向全班同學(xué)介紹小組作品特色、設(shè)計思路、遇到的問題以及解決的方法，由教師和其他小組一起對作品進行評價。

七、拓展創(chuàng)新

教師提出拓展要求，引導(dǎo)學(xué)生對作品進行進一步完善和創(chuàng)新。

案例詳解

一、關(guān)于樂高小車自動轉(zhuǎn)向的相關(guān)討論

1.需要設(shè)定初始角度；

2.需要實時采集小車當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)；

3.當(dāng)小車當(dāng)前角度與初始角度不一致時，持續(xù)驅(qū)動左右電機讓小車原地旋轉(zhuǎn)，直到兩個角度一致。

二、陀螺儀傳感器的原理、功能與軟件模塊介紹

陀螺是許多學(xué)生玩過的玩具，在一定的初始條件和外在力作用下，陀螺除了不停地自轉(zhuǎn)，同時還會環(huán)繞另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)。人們利用陀螺的力學(xué)原理所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀，它在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如：回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)等。

樂高EV3中的陀螺儀傳感器（如圖2）可檢測物體的位移、方向和角度以幫助機器人保持平衡或是確定所指的方向，陀螺儀傳感器只能檢測單個旋轉(zhuǎn)軸的運動，旋轉(zhuǎn)方向通過傳感器外殼上的箭頭進行指示。

在EV3軟件的陀螺儀傳感器模塊中，可以測量當(dāng)前值（角度、速率、角度和速率，如圖3），或者與設(shè)定值（角度、速率）比較，并輸出結(jié)果（如圖4），還可以將陀螺儀重置（如圖5）。

圖3

圖4 圖5

三、觀察陀螺儀傳感器測量數(shù)值，分析與小車旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系

在樂高小車上加裝陀螺儀傳感器，傳感器接在EV3控制器2號端口（如圖6）。

直接在EV3控制器中觀察（如圖7）。

圖6 圖7

將EV3控制器連接到電腦，在EV3軟件右下角“硬件頁面”的“端口查看”選項卡中進行觀察（如圖8）。

圖8

觀察分析結(jié)論：

角度和速率可以為正數(shù)或負(fù)數(shù)，順時針旋轉(zhuǎn)為正，逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，逆時針1周角度數(shù)值是-360，逆時針2周角度數(shù)值是-720。

注意事項：

樂高陀螺儀傳感器的角度可能隨時間而“偏移”，導(dǎo)致指向越來越不準(zhǔn)確。建議將EV3的固件升級到最高（作者使用的是V1.09E）。

四、程序設(shè)計

根據(jù)之前的討論，設(shè)定小車初始角度可通過重置陀螺儀實現(xiàn)（在EV3中陀螺儀傳感器的初始方向數(shù)值為0）；采集小車當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)可通過陀螺儀傳感器的測量角度實現(xiàn)。

當(dāng)小車當(dāng)前角度與初始角度不一致時，如果小車偏向逆時針方向，則驅(qū)動左右電機讓小車順時針轉(zhuǎn)回初始角度；如果小車偏向順時針方向，則驅(qū)動左右電機讓小車逆時針轉(zhuǎn)回初始角度。

小車的原地旋轉(zhuǎn)可以使用數(shù)學(xué)模塊和移動槽模塊使左右電機速度互為相反數(shù)；角度數(shù)據(jù)的實時采集以及左右電機在一定條件下的持續(xù)工作需要在循環(huán)中實現(xiàn)；當(dāng)小車不斷旋轉(zhuǎn)直到測量角度重新為0時，左右電機速度也為0，即小車停止（程序流程如圖9）。

圖9

五、拓展創(chuàng)新

作品展示交流后，教師給學(xué)生一些時間梳理設(shè)計思路、完善提升本組作品。教師也可提出一些拓展任務(wù)供學(xué)生挑戰(zhàn)，如利用“多任務(wù)”“等待程序塊按鈕”等知識，制作可以調(diào)整初始方向的小車（即在程序運行中，按一下控制器中心按鈕，立即將當(dāng)前方向設(shè)為“0”）。