第10课程序设计机器人大力士教学案.docx
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第10课程序设计机器人大力士教学案
第10课程序设计——机器人大力士教学案
一、提出问题
当今，日本盛行一种叫做“相扑”的比赛，比赛时两位大力士在一个圆圈内相互角力，一方把另一方推出圈外后就会获得比赛的胜利，如图10-1所示。
你能做一个机器人大力士吗?
让机器人去参加“相扑”比赛！
二、联想
图10-1相扑运动
相扑机器人如果做成人形进行角斗是最理想的，但人形机器人的制作比较复杂，再去进行比赛就更难实现了。
因此，我们利用上节课制作的机器人小车来制作机器人大力士。
图10-2机器人相扑
三、要求
机器人相扑，如图10-2所示。
1.机器人大力士不能出圈
2.遇到对手时要相互角力
四、构建
机器人大力士在行走的过程中是不能主动出圈的，出圈后比赛就输了。
要使机器人不出圈主要是要让机器人能够准确识别黑线，那机器人如何能够识别黑线呢?
这就要依靠机器人的眼睛——颜色传感器。
图10-3颜色传感器
技能牌：
颜色传感器
EV3套装中提供了颜色传感器，如图10-3所示，颜色传感器就像机器人的眼睛一样，它可以识别颜色或光的强度。
颜色传感器提供了三种功能：
1、颜色2、反射光线强度3、环境光强度
机器人大力士主要利用颜色传感器的“反射光线强度”功能，它的原理是颜色传感器的发射端口将会发射红光，红光从物体反射回来被接收端口接收。
我们会看到反射回来的百分比：
0－100。
数值越小代表光线越弱，数值越大光线越强。
这里要注意反射的数值会受到物体的颜色，材质或环境光线的影响。
颜色传感器安装：
颜色传感器的端口要朝下，如图10-4所示，并且要考虑到当前机器人测试的环境，如果安装到小车的前方就要注意环境光对传感器的影响。
因此，为了将影响降到最低，我们通常将颜色传感器安装到机器人的车底，如图10-5所示。
这样既可以避免环境光对颜色传感器的干扰，而且在机器人相互碰撞的时候也不会把传感器撞歪或撞掉。
颜色传感器通过数据传输线连接到控制器输入端口3。
图10-4颜色传感器的端口朝下
图10-5颜色传感器安装到车底
五、算法与程序：
算法：
当机器人前进的时候，会始终通过颜色传感器检测地面光强，如果是白色地面机器人会一直前进；如果遇到黑线，机器人就会停止，后退并转向，然后朝其他方向继续前进，根据算法编写以下程序。
程序：
1．选择“移动转向”模块。
注意这里要选择“开启”选项，如图10-6所示，电机会一直转动。
如果选择时间或角度，经过所设置的时间或角度后，电机会停止，这样机器人就会一直停下来。
这是初学者经常会犯的错误，需要在编程的时候一定要注意这个问题，设置好电机方向和电机功率的模块程序如图10-7所示。
图10-6选择“开启”
图10-7电机模块以及电机参数
1.选择“流程控制”类中的“等待”模块。
在我们需要等待时间或等待一个条件时经常会用到这个模块，如图10-8所示。
图10-8等待模块
2.在“等待”模块中选择“颜色传感器”－>“比较”—>“反射光线强度”，如图10-9所示。
在右上角端口设置为3，注意端口所设置的数值一定要与传感器连接的端口一致。
这个模块的作用是：
当条件不成立的时候会始终运行前一个模块的动作，一旦条件成立，就会执行后面的模块，我们经常会把它比喻成生活当中的门，当条件不成立的时候门是不开的，只能执行前面的模块；当条件成立时门就开了，就可以执行后面的模块了。
图10-9选择反射光线强度
4.阈值的输入
阈值是条件的比较值，在这里阈值应该是黑色和白色的中间值，举个例子，当黑色光值为40,白色光值为60时，我们会选择中间的一个值45或55。
如果在机器人前进的过程中，它测到的光值小于阈值，这时机器人会知道当前位置是在黑线上；当前光值大于阈值即认定为在白色区域上。
由此我们就可以通过比较来判断当前的位置是白色区域还是黑线。
技能牌：
阈值的测量
在EV3控制器中打开“portview”程序块，如图10-10所示。
选择col-reflect功能，即“反射光线强度”功能。
在端口查看中可以看到1端口颜色传感器的数值，数值范围是0－100。
测量的时候测两次，传感器放在白色区域读一次值，值为96，如图10-11所示。
放在黑色区域读一次值，值为4，如图10-12所示。
测量值的大小要根据场地的材质，地砖和白色灯箱布的差别还是很大的。
根据我所测量的光值，最终阈值取值为50。
图10-10打开“portview”程序块
图10-11读白色值
图10-12读黑色值
5.检测到黑线后，让机器人停止，并向后退1秒，然后转向1秒，如图10-13所示。
这里要设置一个让机器人向后退的动作，因为当检测到黑线后，机器人的位置已经处在黑线的上方位置，如果直接转动，很容易让传感器接触到圈外，这样机器人很容易出现走出圈的动作。
图10-13检测黑线后向后退1秒
下载程序，在运行时，你可以看到机器人碰到黑线后会停下，并后退和转向，后退和转向的时间可以根据你的场地进行取值。
当然，对于电机的控制你也可以把时间控制换为角度来进行动作。
现在，你的机器人大力士可以上场比赛啦！
六、优化与改进
机器人大力士可以在圆圈内行走，但是我们看到机器人不能自动找到对手，它只是随机的进行移动，这样我们会觉得比赛不是非常精彩。
下面我们就进行一下改进，利用乐高的超声传感器来找到对手并进行角力。
技能牌：
超声波传感器
超声波传感器可以测量前方物体与机器人之间的距离，如图10-14所示。
它的原理是超声传感器发出超声波，超声波从物体反射回来被超声传感器接收，根据声波发射与接收的时间计算出机器人与物体之间的距离。
超声波传感器的测量范围是：
0—255cm。
图10-14超声波传感器
1.安装超声波传感器
超声波传感器安装在机器人的前方，将发射口一面朝前安装。
如图10-5所示。
这里要注意传感器的安装高度，不要安装的过高，要根据对方机器人的高度进行安装，否则会检测不到对手。
将传感器通过数据线连接到控制器的输入口4，如图10-16所示。
图10-15超声波传感器的安装
图10-16超声波传感器固定到小车上
2.算法与程序
算法：
机器人大力士在圈内旋转寻找对手，一旦发现对手，前进与对手进行角力，同时，机器人要随时检测黑线，不能超越黑线走出圆圈。
程序：
1）机器人旋转寻找对手，通过超声波来发现对手。
将“等待超声波”模块中的单位设置为厘米（cm），超声波传感器的测量范围是：
0—255cm，在超声波距离小于30厘米时可以发现对方，如图10-17所示。
距离远近可以视比赛场地自行调整。
图10-17等待超声波小于30CM
2）发现对手后，要与对手角力，但是机器人始终要监测超声测距和地面黑线检测两个条件，因此，光值的判断不能使用等待模块，在这里我们使用切换模块。
技能牌：
切换模块
切换模块可以进行条件的比较或者是多种条件的选择。
切换
模块实际整合了程序设计中的分支语句和多条件选择语句，如图10-18所示。
图10-18切换模块
用切换模块判断颜色传感器是否检测到地面黑线。
当颜色传感器检测到黑线时，机器人后退并且转动；反之没有检测到黑线，机器人会向前行进0.2秒，如图10-19所示。
图10-19切换模块控制机器人识别黑线并控制电机
3）完整程序
如图10-20所示，这是相朴机器人的完整程序。
图10-20相朴机器人程序
经过改进以后，机器人大力士就可以寻找到对手，并与对手进行角力，这将会让我们的相扑比赛变得更加精彩！
七、实践与讨论
当我们测量黑线时，为什么光线强度值会小?
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颜色传感器离物体的距离是否会影响光线反射回来的比值?
如何影响?
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八、拓展
利用颜色传感器的“反射光线强度”功能，让机器人小车可以沿着黑线行走，如图10-21所示。
提示：
要使机器人小车能够顺利地走黑线，要调整颜色传感器与电机
之间的轴距距离，把颜色传感器安装到车的前方,这样机器人小车走黑线的效果会更好!
图10-21机器人小车走黑线
完整程序：
如图10-22所示。
图10-22机器人小车走黑线
九、作业
利用颜色传感器的“颜色”功能，让机器人能够自动识别颜色，如检测红色时，让机器人发出语音信息“Red”。
提示：
选择颜色传感器“颜色”功能后，机器人可以识别无颜色，黑色，蓝色，绿色，黄色，红色，白色和棕色8种颜色，分别用数值0－7来表示，如图10-23所示。
另外，用颜色传感器的切换语句进行多条件比较会使程序变得十分简单。
注意：
当选择颜色传感器“颜色”功能后，传感器与被测颜色之间要距离很近才可以测量的准确。
图10-230－7代表的8种颜色
光电小车搭建图
1.轴销转接器
2.轴销转接器与圆销连接
3.轴销转接器与十字轴连接
4.颜色传感器
5.轴销转接器固定在颜色传感器上
6.制作对称的轴销转接器固下在颜色传感器上
7.机器人小车的底部
8.颜色传感器固定在机器人小车的底部
9.完成颜色传感器的安装
超声小车搭建图
1.圆梁
2.圆梁与销连接
3.长销固定到圆梁中
4.T型圆梁
5.T型圆梁与圆梁连接
6.制作另一个T型圆梁
7.T型圆梁固定到长梁上
8.超声波传感器
9.圆梁固定到超声波传感器上
10.机器人小车前面
11.超声波传感器固定到机器人小车前面
12.完成后的机器人小车
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