AI撿球機(jī)器人

章明干 浙江省臨海市大洋小學(xué)教育技術(shù)中心主任，臨海市優(yōu)秀教師，臨海市小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科帶頭人，臨海市教學(xué)能手。全國(guó)青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計(jì)大賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師，全國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)暨創(chuàng)客教育展評(píng)活動(dòng)優(yōu)秀指導(dǎo)教師。輔導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)中小學(xué)生電腦制作等活動(dòng)，7人分別獲全國(guó)一、二、三等獎(jiǎng)，有20多篇文章發(fā)表在《無(wú)線(xiàn)電》《愛(ài)上機(jī)器人》等雜志。

教學(xué)背景

創(chuàng)客教育以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)來(lái)完成學(xué)業(yè)，獲得知識(shí)與技能，同時(shí)獲得創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而項(xiàng)目設(shè)計(jì)的來(lái)源最好與學(xué)生密切相關(guān)，能解決學(xué)生學(xué)習(xí)、生活中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題，讓項(xiàng)目圍繞問(wèn)題解決來(lái)實(shí)踐。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中學(xué)到的所有技能都會(huì)經(jīng)過(guò)實(shí)踐內(nèi)化為自己的能力。

本項(xiàng)目的主題是“AI撿球機(jī)器人”，作用是幫助人們撿拾掉落在地的乒乓球。項(xiàng)目的功能要求：一是可以通過(guò)遙控的方式控制機(jī)器人撿拾乒乓球，可以讓學(xué)員一邊玩一邊撿乒乓球，這樣不但能實(shí)現(xiàn)撿球的目的，也可以讓學(xué)員在休息的時(shí)候玩得盡興，勞逸結(jié)合;二是增加人工智能技術(shù)，讓撿球機(jī)器人能自動(dòng)識(shí)別、追蹤、撿拾乒乓球，并增加自動(dòng)避障功能，避免“撞墻”事件發(fā)生。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 了解麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系，掌握AI視覺(jué)傳感器的使用方法;學(xué)會(huì)利用Mind+軟件來(lái)編寫(xiě)相應(yīng)程序，控制撿球機(jī)器人。

過(guò)程與方法 通過(guò)小組合作的方式，運(yùn)用以前學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)與技能，開(kāi)展AI撿球機(jī)器人項(xiàng)目學(xué)習(xí)與探究。

情感態(tài)度與價(jià)值觀(guān) 通過(guò)項(xiàng)目的制作，感受智能控制在生活中的應(yīng)用及對(duì)人類(lèi)生活的影響，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高探究欲望。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) AI視覺(jué)傳感器的使用，micro：bit主控板之間的通信，以及麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系。

教學(xué)難點(diǎn) AI視覺(jué)傳感器的使用。

教學(xué)準(zhǔn)備

micro：bit主控板2個(gè)，micro：bit電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板1個(gè)，AI視覺(jué)傳感器1個(gè)，超聲波傳感器1個(gè)，micro：bit GamePad遙控手柄1個(gè)，360度舵機(jī)1個(gè)，995舵機(jī)1個(gè)，TT電機(jī)4個(gè)，麥克納姆輪4個(gè)，杜邦線(xiàn)及附材、椴木板切割部件若干。

教學(xué)過(guò)程

一、項(xiàng)目導(dǎo)入

教師用PPT給學(xué)生展示一組乒乓球館中學(xué)員練球的圖片。

師：我國(guó)有許多人從小開(kāi)始學(xué)習(xí)打乒乓球，而在學(xué)習(xí)打乒乓的過(guò)程中，為了節(jié)約時(shí)間，通常會(huì)準(zhǔn)備較多數(shù)量的乒乓球，全部打落在地后，集中撿拾。通常情況下，散落各處的乒乓球需要人們彎腰一個(gè)一個(gè)地?fù)?，或者使用?jiǎn)單的撿拾工具，既浪費(fèi)時(shí)間又消耗體力，有沒(méi)有更好的方法呢？

學(xué)生小組討論如何制作一臺(tái)自動(dòng)撿球的機(jī)器人，它有哪些功能（控制方式、撿球方式等），并在紙上畫(huà)出草圖。

二、項(xiàng)目分析

確定項(xiàng)目主題后，請(qǐng)學(xué)生分解項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程，主要從項(xiàng)目作品需要具備哪些功能、如何實(shí)現(xiàn)該功能、要用到什么材料、完成這些功能需要學(xué)習(xí)的知識(shí)和技能等方面進(jìn)行分析。

教師再依據(jù)各小組的分析情況，總結(jié)歸納出學(xué)生普遍存在的問(wèn)題，在項(xiàng)目具體實(shí)施過(guò)程中著重進(jìn)行講解。

三、項(xiàng)目制作

師：項(xiàng)目作品的制作是核心環(huán)節(jié)。在制作過(guò)程中，我們會(huì)遇到一些平時(shí)沒(méi)學(xué)過(guò)的知識(shí)和技能，下面我們就一起來(lái)學(xué)習(xí)。

1.麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系

麥克納姆輪與普通輪子的區(qū)別在于麥克納姆輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于存在斜向的從動(dòng)輪，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)斜向的力。我們控制輪子旋轉(zhuǎn)的速度與方向，將斜向的力增強(qiáng)或抵消，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的全向移動(dòng)，這樣就能完成橫移、斜方向移動(dòng)等普通小車(chē)無(wú)法完成的高難度動(dòng)作。輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系如圖1。

先把4個(gè)TT電機(jī)接在擴(kuò)展板相應(yīng)的位置，再把4個(gè)麥克納姆輪插在電機(jī)上，最后在Mind+軟件上編寫(xiě)前進(jìn)的程序。

上傳程序后進(jìn)行測(cè)試，如果有輪子沒(méi)有向前轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要修改程序，只要把相應(yīng)電機(jī)與擴(kuò)展板連接的兩根線(xiàn)交換位置就可以。

2.micro：bit主控板之間的相互通信

要想利用micro：bit GamePad遙控手柄來(lái)控制機(jī)器人的行走，我們必須學(xué)會(huì)如何讓它們進(jìn)行通信。micro：bit主控板自帶無(wú)線(xiàn)通信功能，編寫(xiě)程序的時(shí)候，我們把它們的無(wú)線(xiàn)頻道設(shè)置成相同的頻道就可以通信。遙控器上micro：bit主控板的程序如圖2，當(dāng)按下UP鍵（P8引腳）時(shí)，就會(huì)發(fā)送一個(gè)字符“8”;而當(dāng)遙控端松開(kāi)按鍵后，就會(huì)發(fā)送一個(gè)字符“5”。

機(jī)器人上的主控板接收到無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)8時(shí)，就讓機(jī)器人前進(jìn);接收到無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)5時(shí)，就讓機(jī)器人停止前進(jìn)，程序如圖3。

3.AI視覺(jué)傳感器的使用

要想讓機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別、追蹤乒乓球，我們可以利用AI視覺(jué)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先讓AI視覺(jué)傳感器認(rèn)識(shí)乒乓球，我們可以撥動(dòng)AI視覺(jué)傳感器左上角的“功能鍵”，如圖4，把它切換到物體追蹤功能。再把乒乓球置于屏幕中間的黃色方框內(nèi)，按住右上的“學(xué)習(xí)鍵”進(jìn)行學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中不停地移動(dòng)AI視覺(jué)傳感器，從不同的角度和距離持續(xù)學(xué)習(xí)乒乓球，屏幕上的黃框會(huì)標(biāo)注“學(xué)習(xí)中：ID1”，表示AI視覺(jué)傳感器一邊追蹤物體，一邊學(xué)習(xí)，這樣設(shè)置有助于提高物體追蹤的能力。松開(kāi)“學(xué)習(xí)鍵”結(jié)束學(xué)習(xí)。

學(xué)習(xí)完成后，我們?cè)侔袮I視覺(jué)傳感器接在擴(kuò)展板上，并且編寫(xiě)相應(yīng)的程序上傳到micro：bit主控板，如圖5。

上面的程序是獲取乒乓球在屏中的坐標(biāo)位置并利用串口打印出來(lái)。我們知道乒乓球的位置后，可以再根據(jù)它的位置讓機(jī)器人作相應(yīng)的行走，以達(dá)到撿拾乒乓球的效果。

學(xué)生學(xué)習(xí)了相關(guān)的知識(shí)與技能后，再動(dòng)手進(jìn)行作品制作。制作過(guò)程中，教師進(jìn)行有針對(duì)性的輔導(dǎo)。

四、交流分享

教師邀請(qǐng)各學(xué)生小組分別上臺(tái)介紹本組制作的作品，從作品的名稱(chēng)、小組分工、作品功能、制作過(guò)程、作品演示、自我評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行介紹;然后由各組對(duì)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，投票評(píng)選出優(yōu)秀作品;最后由教師針對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目制作過(guò)程和項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，給出指導(dǎo)性的意見(jiàn)，把各組學(xué)生在制作過(guò)程中遇到的普遍問(wèn)題整理歸納，著重進(jìn)行講解，并根據(jù)已經(jīng)完成的作品引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和勇于創(chuàng)新的意識(shí)。

教學(xué)反思

本項(xiàng)目以學(xué)生真實(shí)生活中遇到的問(wèn)題為切入點(diǎn)，更容易讓學(xué)生接受，會(huì)使項(xiàng)目更有質(zhì)感，學(xué)生依托所學(xué)的知識(shí)和技能解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，會(huì)更加主動(dòng)地學(xué)習(xí)。在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生不但掌握了micro：bit主控板間的通信、AI視覺(jué)傳感器物體追蹤等知識(shí)和技能，還為進(jìn)一步學(xué)習(xí)人臉識(shí)別、物體識(shí)別、顏色識(shí)別、巡線(xiàn)、標(biāo)簽識(shí)別等人工智能技術(shù)打下了基礎(chǔ)。除此之外，學(xué)生的創(chuàng)新能力以及實(shí)踐能力也充分得到了鍛煉。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）