Методическая разработка учебного занятия "Построение модели робота для следования по линии"
методическая разработка (5, 6, 7, 8 класс)

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ЗАНЯТИЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ «РОБОТОТЕХНИКА: КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ»

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ РОБОТА ДЛЯ СЛЕДОВАНИЯ ПО ЛИНИИ

Логинов Андрей Анатольевич, ГБУ ЦДЮТТ Колпинского района Санкт-Петербурга

Предмет (направленность): робототехника (научно-техническое творчество).

Возраст детей: 10 - 14 лет

Место проведения: учебный класс.

Цели занятия: сформировать умения строить модели по схемам, закрепить работу с датчиком освещенности, проектирование технического, программного решения идеи, и ее реализации в виде функционирующей модели.

Задачи:

развитие умения ориентироваться в пространстве;

развитие мелкой моторики;

воспитание самостоятельности, аккуратности и внимательности работе.

Форма занятия - групповая (практическая работа)

Оборудование:

ПК учительский,

проектор;

LEGO-конструкторы Mindstroms EV3;

ПК с установленной средой программирования Lego Mindstorms EV3

Данному занятию предшествовал этап начального конструирования и моделирования, включающий в себя: знакомство с кинематикой LEGO-робота, с основными понятиями программирования, с программно-управляемыми моделями.

Ход занятия:

I. Организационный момент

Педагог приветствует обучающихся, проверяет подготовленность рабочих мест к занятию и организует внимание обучающихся. Сообщает тему занятия, цели и задачи.

Педагог: Сегодня мы более подробно познакомимся с принципами конструирования робота для следования по линии. На предыдущих занятиях мы научились собирать двухмоторную тележку по трехточечной схеме. Эта конструкция является основой для создания различных роботов, в том числе способных двигаться по маршруту, обозначенного линией. Ранее нами были изучены физические принципы, на которых работает  датчик цвета в режиме измерения освещенности, его взаимодействие с контроллером, блоки для работы с датчиком освещенности в среде программирования Lego Mindstorms EV3.

Педагог задает вопрос: По какому принципу работает датчик освещенности?

Как выглядит блок датчика цвета в Lego Mindstorms EV3?

Как проконтролировать значения датчика цвета в контроллере Lego Mindstorms EV3?

К каким портам в контроллере Lego Mindstorms EV3 может быть подключен датчик цвета?

Педагог объявляет порядок проведения занятия: Первую часть нашего занятия мы будем строить конструкцию робота, способного следовать вдоль линии.

На второй части занятия мы напишем в среде программирования Lego Mindstorms EV3 программу для робота, следующего по линии и произведем настройку робота.

В оставшееся время мы проведем небольшое соревнование среди построенных роботов на минимальное время прохождения трассы.

Часть первая. Сборка робота, способного следовать вдоль линии

II. Изучение нового материала

Педагог: Сегодня на занятии мы должны:

Собрать, доработать (отладить) модель по технологической карте;

Написать и отладить для нее программу, загрузить программу в контроллер Lego Mindstorms EV3;

Протестировать модель и отладить её.

- Посмотрите внимательно на следующий слайд и ответьте на вопрос: По какому признаку объедены эти роботы? (у всех управление направлением движения осуществляется за счет изменения скорости вращения одного из колес по отношению к другому (замедления, изменения направления вращения))

- Как мы назовем эту группу роботов? (трехточечные тележки).

- Каковы преимущества робота на трехточечной тележке? (высокая маневренность и скорость реакции по изменению направления движения)

-Чтобы построить робота, способного следовать по линии, необходимо по центру в передней части двухмоторной тележки установить датчик освещенности, вынесенный вперед на изогнутой балке. Датчик устанавливается так, чтобы между его нижней частью и полом было расстояние около 1 см. Датчик устанавливается на один из портов, обозначенных цифрой (не забудьте указать номер порта в программе).

III. Практическая работа

Обучающиеся разбиваются на группы по два человека. Предлагаются наборы конструкторов Lego Mindstorms EV3

Технологическая карта обучающегося для практической работы

Задание

Собрать робота для следования по линии на основе двухмоторной тележки, построенной по трехточечной схеме. Установить датчик освещенности на балке и соединить его с портом при помощи LEGO- кабеля.

Действие обучающего:

Проецирую на экран поэтапную инструкцию по сборке;

Объясняю принцип его построения и особенности:

Выдаю комплекты материалов по практическому заданию.

Действие обучающихся:

Получают пакет материалов по практическому заданию у педагога.

Изучают принципы построения и приступают к сборке робота

Принцип построения роботов:

- робот собирается из набора № 45544 и № 45560 с применением двух интерактивных сервомоторов, датчика освещенности и набора элементов из ресурсного набора № 9695;

- правое и левое колесо робота вращается своим мотором, заднее колесо (малого диаметра) закреплено на свободно вращающейся вертикальной оси и служит для удержания равновесия роботом во время движения;

- важной особенностью является развесовка конструкции: важно так разместить центр массы робота, чтобы максимально снизить влияние инерционных сил на робота при управлении.

Часть вторая. Составление программы в среде Lego Mindstorms EV3 для робота, способного следовать вдоль линии

Классическая задача следования по линии может быть решена по двум вариантам: Более простой – с применением релейного регулятора в построении алгоритма управления. Более сложная – с применением пропорционального регулятора. На практике при относительно низких скоростях движения роботов преимущество пропорционального регулятора перед релейным ничтожно мало и им можно пренебречь в пользу простоты составления программы управления. Однако, с увеличением скоростных характеристик роботов, программа на основе релейного регулятора проявляет свои недостатки: на крутых поворотах линии робот её теряет, уходя в сторону на значительное расстояние. Пропорциональный же регулятор лишён этого недостатка при условии достаточно удачного подбора коэффициентов регулирования, которые подбираются учащимися при отладке программы.

Технологическая карта обучающегося для практической работы

Задание

Собрать робота для следования по линии на основе двухмоторной тележки, построенной по трехточечной схеме. Составить программу на языке Lego Mindstorms EV3 по принципу пропорционального регулятора. Загрузить программу на контроллер Lego Mindstorms EV3 и произвести её отладку на специальном поле с нанесенной линией.

Действие обучающего:

Проецирую на экран поэтапную инструкцию по сборке робота;

Объясняю принцип его построения и особенности:

Выдаю комплекты материалов по практическому заданию.

Действие обучающихся:

Получают пакет материалов по практическому заданию у педагога.

Изучают принципы построения и приступают к сборке робота

Принцип построения роботов:

- робот собирается из набора № 45544 и № 45560 с применением двух интерактивных сервомоторов, датчика освещенности и набора элементов из ресурсного набора № 9695;

- правое и левое колесо робота вращается своим мотором, заднее колесо (малого диаметра) закреплено на свободно вращающейся вертикальной оси и служит для удержания равновесия роботом во время движения;

- базу робота (расстояние между центрами правого и левого колес) обучающиеся определяют опытным путем по скорости возвращающего действия при потери линии;

- важной особенностью является развесовка конструкции: важно так разместить центр массы робота, чтобы максимально снизить влияние инерционных сил на робота при управлении.

Программирование модели

Действие обучающего:

Проецирую на экран алгоритм на языке Lego Mindstorms EV3

Объясняю принцип его построения и особенности:

Принцип построения программы:

- программа основывается на построении формулы управляющего воздействия на моторы, которая содержит две составляющие: управления направлением движения и управлением скоростью движения;

- при повышении частоты изменений показаний датчика освещенности, скорость, в интересах повышения точности управления, должна быть снижена, а при снижении частоты изменений показаний датчика, скорость должна быть увеличена.

Действие обучаемых

На учебных компьютерах в среде Lego Mindstorms EV3 набирают программу по предложенному алгоритму.

Разбирают принципы написания программы,  загружают её в контроллер робота по USB-кабелю.

Тестируют работоспособность программы

Производят отладку программы, изменяя коэффициенты скорости и управления до получения оптимального результата движения по линии (компромисса между точностью и скоростью).

Обучающиеся проводят тестирование и заезды готовых моделей роботов на время. Определяется лучшая конструкция.

Педагог даёт оценку  проделанной работы.

По окончанию практической работы обучающиеся представляют свои работы. Обсуждают проект (что можно было добавить в программу). Выбор лучшей модели.

Производят приведение рабочих мест в исходное положение.

IV. Подведение итогов занятия

Обучающиеся подводят итог занятия, чему научились, что нового узнали. Обсуждают, где можно применить роботов, способных следовать по линии (автоматизация движения автотранспорта по дорожной разметке). Приходят к выводу, что изучение данной темы существенно облегчает программирование модели и делает программу более универсальной.

Вопросы педагога к учащимся перед завершением занятия для определения возможных способов по повышения эффективности занятий:

- С какими роботами мы сегодня работали?

- Что показалось вам сегодня трудным?

- А что удавалось без особого труда?

- Что еще вы хотели бы узнать о роботах?

- Помогает ли отладка в разработке проекта?