2019-2020年蘇科版小學信息技術《第17課 學生機器人行走》教案（選修）.doc

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2019-2020年蘇科版小學信息技術《第17課 學生機 器人行走》教案（選修） ［教學目的與要求］ 1.認識和了解機器人直流電機的工作原理。 2.學會編寫機器人前進、后退和轉(zhuǎn)彎的程序。 3.學會編譯、下載程序。 4.以學生自學、合作學習的方式完成編寫機器人行走程序。 5.讓學生學會觀察、交流體會。 6.培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力、探索精神。 7.讓學生在解決問題的過程中體會成功的快樂。 8.利用所學的機器人知識解決現(xiàn)實生活中的應用問題。 ［課時安排］ 建議安排1課時。 ［教學重點與難點］ 1.重點：機器人前進、后退、轉(zhuǎn)彎程序。 2.難點：機器人左右轉(zhuǎn)彎，將程序?qū)懭霗C器人。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課是學生第一次學習通過編寫程序控制機器人的動作，對后面的學習有著良好的引導作用。開始可以讓學生回憶前面學習的機器人知識，然后引入到怎樣讓機器人動起來，指揮機器人完成指定的動作，引入本課的學習。也可以播放有關機器人比賽的錄像，讓學生欣賞，再引入本課的內(nèi)容。 本課重點讓學生學會“直流電機”控件的編程，明白“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“停止”的含義，特別是設置延時時，要盡可能多些，便于學生在調(diào)試機器人時能準確觀察到機器人的執(zhí)行步驟。教材中給出了機器人右轉(zhuǎn)彎的程序，讓學生探究出讓機器人左轉(zhuǎn)彎的方法。 在學生編好程序后，先編譯然后打開機器人的電源進行下載，特別要注意與機器人的通信方式，是串口通信還是USB口通信。在調(diào)試的過程中，如果機器人沒有按照程序去執(zhí)行動作，請學生再次檢查程序是否正確，并檢查機器人各端口的連接線是否連接正確。 2．教學方法指導 任務驅(qū)動法、自主探究法。 ［參考資料］ 直流電機是一種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。直流電機有多種不同尺寸和配置。圖1所示為一些常見的小型直流電機，它們非常適合用來控制小型移動機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)彎等動作。 圖1 幾種DC電機的照片 直流電機工作時需要給電機轉(zhuǎn)子上的線圈通電。電流在線圈中流動便產(chǎn)生一個磁場，該磁場與線圈外固定的永久磁鐵產(chǎn)生的磁場相斥。這兩個磁場相互作用產(chǎn)生的力可推動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 用于描述電機電源要求和電機性能的參數(shù)有很多。其中，最基本的一個就是他的工作電壓（額定電壓），該電壓是驅(qū)動電機推薦使用的電壓。當實際電壓低于額定電壓時，大多數(shù)電機仍可以正常工作，但輸出功率要減小。另外，大多數(shù)廠家給出的電機額定電壓都比較保守，所以當實際電壓高于額定電壓時，電機一般也可以正常工作，但通過這種方法獲得輸出功率增加是以犧牲電機壽命為代價的。 電機的另一個性能參數(shù)是工作電流。電壓恒定時，電機上的電流與它的輸出功率成正比。當空載運行時，電機的電流最小；當負載增大到使電機堵轉(zhuǎn)的程度時，電機上的電流最大，該電流被稱為電機的堵轉(zhuǎn)電流，它也是電機在額定電壓下的最大工作電流。 通過電機的電流越大，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力（或轉(zhuǎn)矩）就越大，這是電機轉(zhuǎn)子線圈與周圍永久磁鐵之間電磁場相互作用的直接結(jié)果。線圈中產(chǎn)生的磁場強度與通過它的電流大小成正比，而電機輸出軸上的轉(zhuǎn)矩與兩個磁場的強度直接相關。 評價電機性能的另一個參數(shù)是它的賭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這個轉(zhuǎn)矩是指電機在額定電壓下，被迫賭轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小，此時電機上的電流即為賭轉(zhuǎn)電流。對小電機而言，轉(zhuǎn)矩通常以盎司-英寸（1盎司=28.35克）為單位衡量（即距離電機轉(zhuǎn)軸中心為一英寸的力臂上所產(chǎn)生的直線里大小）。 電機所提供的功率大小等于輸出軸的轉(zhuǎn)速與力矩的乘積。當電機自由轉(zhuǎn)動時（空載狀態(tài)），輸出軸轉(zhuǎn)速最大，但轉(zhuǎn)矩為零，此時電機不驅(qū)動任何機構(gòu)，因此輸出功率為零（實際上電機也會消耗一部分功率克服內(nèi)部摩擦，但這種功率不產(chǎn)生任何輸出作用）；當電機賭轉(zhuǎn)時，輸出最大的轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)速為零，因此輸出功率也等于零。在兩種極限情況之間，輸出功率與轉(zhuǎn)速間呈一種拋物線的關系，如圖2所示。在其正常工作范圍的中部，電機產(chǎn)生的功率最大。 圖2 電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及輸出功率之間的理想曲線 圖中實線表示電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關系。在該直線的右側(cè)，轉(zhuǎn)速達到最大（100%），而轉(zhuǎn)矩為零，這一點代表了電機空轉(zhuǎn)，沒有做任何有用功的情況。而在直線的左側(cè)，轉(zhuǎn)速為零，但轉(zhuǎn)矩達到最大值，這一點代表了電機因負載太大而賭轉(zhuǎn)的情況。圖中虛線表示電機的功率輸出，它等于電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積。輸出功率的最大值位于電機正常工作范圍的中點，此時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都不為零。 附送： 2019-2020年蘇科版小學信息技術《第18課 學生機 器人跳舞》教案（選修） ［教學目的與要求］ 1.認識伺服電機，了解伺服電機的組成結(jié)構(gòu)。 2.了解伺服電機的工作原理。 3.學會編寫控制伺服電機的程序。 4.以學生自主探究、合作學習為主，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力、探索精神。 5.讓學生在解決問題的過程中體會成功的快樂。 6.利用所學的機器人知識解決現(xiàn)實生活中的應用問題。 ［課時安排］ 建議安排1課時。 ［教學重點與難點］ 1.重點：學會編寫控制伺服電機的程序。 2.難點：計數(shù)循環(huán)控件的設置，學會編寫控制伺服電機的程序。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課的重點是學習機器人的伺服電機的轉(zhuǎn)角設置?？梢韵茸寣W生觀察伺服電機的物理結(jié)構(gòu)，讓學生了解伺服電機的工作原理，并比較與直流電機有什么不同之處。 本課介紹了計數(shù)循環(huán)控件，教師要向?qū)W生講解計數(shù)循環(huán)控件的作用，并提醒學生注意它有兩個圖標，中間的程序會按照計數(shù)循環(huán)控件設置的次數(shù)重復執(zhí)行。伺服電機是按照角度進行旋轉(zhuǎn)的，最大的值為180度。 在新授內(nèi)容之后，可以安排學生將前面所學的直流電機知識結(jié)合起來，讓學生編寫邊行走邊跳舞的機器人程序。 2．教學方法指導 本課可以采用自主學習探究法、任務驅(qū)動法，強調(diào)學生的合作學習。 ［參考資料］ 伺服電機是一種能根據(jù)指令到達特定位置的專用電機。伺服電機由一個直流電機、一個齒輪減速單元、一個軸位置傳感器和一套控制電機運轉(zhuǎn)的電路組成?！八欧币辉~本身是指系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)其行為能力，也就是說，系統(tǒng)在響應控制信號時，能夠檢測自身位置并補償外加的負載。 伺服電機 伺服電機主要用在定位控制方面，因此它們輸出軸的行程往往限制在180左右。伺服電機的輸入信號是控制輸出軸到達期望角位移的一串波形。伺服電路的功能是測量當前位置并確定它與期望位置的差異。如果有差異存在，伺服電路就會驅(qū)動伺服電機使輸出軸達到期望位置。下圖所示為伺服電機的工作原理。 伺服電機工作原理圖 伺服電機接收一個代表輸出軸期望位置的輸入信號。伺服控制電路將輸入信號與代表輸出軸實際位置的反饋信號進行比較，并得到一個“誤差”信號去控制電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機。伺服電機上都有一個內(nèi)置的齒輪減速器，它的輸出才是電機的最終輸出。位置傳感器返回代表實際位置的反饋信號。 伺服控制信號 我們的伺服電機采用標準的三線接口，包括電源線、地線和控制線?？刂凭€采用PWM機制對位置信號進行編碼。伺服PWM不同于DC齒輪減速電機的速度控制PWM。在速度控制PWM方法中，占空比（即“ON時間”所占的百分比）決定了電機的速度。而在伺服PWM機制中，脈寬的寬度只代表一個特定的控制值。 下圖所示為三種控制伺服電機的PWM波形。波形寬度范圍從920us到2120us不等。每種脈沖的時間寬度對應于伺服電機將要達到的特定角位移。例如，中間波形的脈沖寬度為1520us，它代表伺服電機行程范圍的中間位置。 伺服電機脈沖寬度定位波形 正脈沖的寬度決定了伺服電機的期望位置。對于我們使用的伺服電機有效的脈沖寬度范圍從920us到2120us，行程中間位置對應的脈沖寬度為1520us。