创新与实践PRP工作室之灭火课程.docx
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创新与实践PRP工作室之灭火课程
“创新与实践”学生研究项目工作室
——大学工程训练系列
灭火课程
上海广茂达伙伴机器人公司
2005.11
目录
第1章前言4
1.1小狮子的求学故事4
1.2爱因斯坦的罗盘4
1.3王义夫哭了4
1.4多元智能与多元能力5
1.5成功智力6
1.6激进建构主义6
1.7本课程的教育理论基石7
1.8成功工科大学生的知识与能力结构8
1.9本课程介绍与目的8
1.10评价体系9
1.11学习模式9
1.12教师和教学模式9
1.13学分及日程表10
1.14行为规则10
1.15套件10
1.16竞赛项目11
第2章预备知识12
2.1测试AS-UII12
2.2AS-UII演示项目12
2.3AS-UII的系统结构12
2.4VJC编程入门12
2.5JC编程13
2.6AS-UII的计算机硬件13
2.7AS-UII的传感器系统13
2.8AS-UII的执行器13
第3章灭火机器人初步14
3.1安装灭火套件14
3.2安装远红外火焰传感器14
3.3安装地面灰度传感器15
3.4调节红外16
3.5搜索房间的策略17
3.6寻找光源20
3.7地面灰度检测22
3.8灭火22
3.9PSD的测距特性24
第4章行为控制及软件开发策略25
4.1高级编程25
4.2控制25
4.2.1开环控制25
4.2.2反馈控制25
4.3线跟踪26
4.4行为控制26
4.5软件开发策略26
第5章灭火机器人进化27
5.1头脑风暴法与精确发明法27
5.2头脑风暴:
造型设计27
5.3精确发明:
新灭火策略27
5.4头脑风暴:
快速寻找蜡烛策略28
5.5头脑风暴:
回家策略28
5.6头脑风暴:
家具模式28
5.7项目管理29
第6章论文与报告竞赛30
第7章演讲竞赛31
第8章多元能力评价32
后记33
第1章
前言
1.1小狮子的求学故事
我叫辛巴,我的母亲叫丽娜,我的父亲是狮子王。
在我出生几天后,妈妈就带我一边玩一边学习了。
她带我散步,带我抓小虫练习跳跃。
我慢慢长大了。
我们狮子王国没有书,没有学校,妈妈是我的朋友和老师。
有一天早晨,妈妈说带我去练习爬坡的技巧。
她带我到一个山涧,下边满是乱石,杂草丛生,而且山坡有点陡。
我不敢下去,妈妈鼓励我,我也不敢。
妈妈生气了,一脚把我踢了下去,我只好含着泪拼命往上爬。
我竟然成功了!
妈妈说:
你是未来的狮子王,你要自己去挑战一切。
讨论:
a)我们哪些本领是像小狮子一样学来的?
b)假如小狮子天天坐在家里读书,又会怎样?
1.2爱因斯坦的罗盘
早在上学之前,爱因斯坦就遇到了一件使他产生强烈求知欲的事情:
5岁那年,父亲送给他一只罗盘。
他发现,不管怎么摆弄,罗盘的小针总是指向同一个方向,他非常惊奇。
虽然父亲解释了,他似懂非懂,但从此他对小小的罗盘念念不忘。
因为罗盘太奇妙了,极大地激发了爱因斯坦对科学的兴趣。
讨论:
a)罗盘有什么样的奥秘?
b)您收到过什么铭记一生的礼物?
c)您如何送给小朋友一份特别的礼物?
1.3王义夫哭了
在2004年8月雅典奥运会上,王义夫勇夺10米气手枪金牌。
领奖奏国歌时,他强忍也忍不住泪水。
他的泪水不同年轻冠军的泪水,有莫名的冲击力,使多少人也禁不住随着他泪落满襟。
讨论:
a)巴塞罗那奥运会王义夫已登峰造极,为什么又训练12年,再次冲击金牌?
b)王义夫身体亦不好,为什么能如此坚持?
1.4多元智能与多元能力
传统的智能理论认为,人的智能是一个整体,是单一的,描述一个人的智能常常用聪明不聪明这样模糊的概念。
事实是:
许多被认为很聪明的人却是一事无成。
著名认知心理学家加登纳(HowardGardner1943-)于上世纪80年代提出了多元智能理论。
加登纳认为,智能是人类在解决难题与创造产品过程中表现出来的为一种或数种文化环境所能珍惜的能力。
因此,智能和能力有类似的内涵,多元智能亦可称为多元能力。
多元智能理论认为人类智能主要由8种相对独立的智能构成,并在大脑神经系统中有相应的定位。
这八种智能分别是:
a)语言智能
b)音乐智能
c)数学-逻辑智能
d)图形空间智能
e)身体协调智能
f)人际交往智能
g)自我认识智能
h)自然智能
多元智能理论揭示了为什么人们某些才能出众但另一些才能不行。
例如,有的人具有卓越的文学才能,却不喜欢数学;有些人擅长运动,但不善于语言表达;有些人是杰出的艺术家,但自我认识能力不够,等等。
多元智能理论对教育的革命性意义在于揭示了教育的对象是多元化的,不同的学生智能结构不一样,不能用单一的指标比较他们的优劣。
以整体智能的形式评价人的智能,是不科学的教育行为,往往会扼杀人的才能。
分析:
请分析自己的八种智能。
讨论:
高考主要是考的什么智能?
试根据多元智能理论评析大学入学制度。
创新:
请为中国设计更加优良的大学入学选拔方式。
1.5成功智力
国际著名教育家、美国科学院院士Sternberg创立的成功智力理论的核心是:
成功智力由分析能力、创造能力和实践能力三种能力组成。
成功智力是个人获得成功所必需的一组能力,是认识并充分发挥自己个人优势的能力,是认识并弥补自己个人弱点的能力,是适应、塑造和选择环境的能力。
分析能力是个体进行分析、评价、比较或对比时所需要的能力。
例如,做数学题、社会调查、设计程序用的是分析能力。
创造能力是人进行创造、发明或发现时所需要的能力。
例如马可尼发明无线电通信、莱特兄弟试制第一架飞机、袁隆平培育出杂交水稻,用的是创造能力。
实践能力是人进行实践、运用或使用他所学习的知识时所需要的能力。
例如司机、厨师、医生用的是实践能力。
成功智力是分析能力、创造能力和实践能力这三种能力的平衡。
成功智力理论已得到严格的实验研究与支持。
在大学,特别是国内大学,主要训练的是分析能力。
而现实世界里,创造能力和实践能力更为重要。
国内大学的传统教育通常歧视和扼杀具有创造能力和实践能力的学生,记忆能力强和分析能力强的学生往往得到鼓励。
因此,Sternberg的成功智力理论值得我们重视和提倡。
讨论:
a)请分析自己的分析能力、创造能力和实践能力。
b)从小学到大学有多少时间分别用于分析能力、创造能力和实践能力的训练?
c)历史上三国时期失守街亭的马谡是哪方面能力的失衡?
d)怎样做可以提高创造能力和实践能力?
1.6激进建构主义
Glaserfeld创立的激进建构主义理论的核心是:
知识是由认知主体积极建构的,建构通过新旧经验的互动实现,认知的功能是适应,它应当有助于主体对经验世界的组织。
激进建构主义理论对中国教育有极为重大的启发意义。
知识客观主义曾经使中国的教育思想一直处于僵化之中,事实上也导致传授式教育的泛滥。
讨论:
a)传授式教育模式下记忆的知识容易忘记吗?
易于把这些知识用于解决实际问题吗?
为什么?
b)想一下,您目前的知识有多少是传授式习得的?
有多少是积极建构获得的?
哪一种更有生命力,更有用?
1.7
本课程的教育理论基石
本课程建立在以上所介绍的三大教育理论基石上,三大教育理论的统一构架见图1-1。
图1三大教育理论的统一构架
多元智能是学生的内在智能结构。
成功智力是多元智能和环境交互作用时表现出来的能力。
学生以多元智能为核心,运用成功智力,与环境交互作用,从而建构知识。
在建构知识的过程中,促进成功智力的发展,同时也促进多元智能的发展。
在本课程中,您将在和硬件、软件、网络、教师、同学等资源的积极互动中建构知识。
在建构过程中,您的多元能力和成功智能将得到运用和训练。
1.8
成功工科大学生的知识与能力结构
知识结构
a.广谱的工科基础专业知识
b.至少一门有深度的和未来职业直接相关的专业知识
c.较深厚的人文知识
能力结构
平衡中有特长
特长鲜明全面发展
分析能力
创新能力
实践能力
语言能力
音乐能力
逻辑-数学能力
身体协调能力
图形、空间能力
人际交往能力
自我认识能力
自然能力
图1知识和能力结构
拥有以上知识结构和能力结构的工科大学生将能较快适应工作需要,并能可持续发展。
1.9本课程介绍与目的
本课程是开创性的,祝贺您能参与其中。
本课程理念、上课模式、课程环境均是全新的。
您要以饱满的精神投入其中,方能真正受益。
本课程历时5天,您将动手实施一系列由浅入深的项目或比赛,创造一种全新的教育模式。
本课程的目的如下:
a)系统训练创新能力和实践能力
b)自主建构工科基础知识
1.10
评价体系
本课程将实施形成式评价和多元评价,对能力和知识分别评价,评价在整个项目实施过程中进行。
教师与学生是互动的。
课程结束,将给出知识评分和能力评分。
本课程建议自我评价和同组同学间互相评价。
在所有的评价中,自我评价是最有效的。
1.11学习模式
本课程的主人是您,您将在实施项目过程中自主建构知识。
本课程需要全新的您,足球场上的您、舞蹈中的您、大自然中的您。
1.12教师和教学模式
本课程的教师不传授知识,不会积极回答您不懂的问题,不会逼您学会什么知识,不会批评您,不会反对您犯错误(只要不损坏器材或愿意赔偿)。
本课程的教师课前已花费大量心血,本课程的教师会爱您,欣赏您,鼓励您,会和您讨论,是您的朋友和您遇到挫折时的精神依托。
本课程的教师为,卢秋红博士(luqh@),恽为民博士(ywm@)。
本课程欢迎您在课程结束时申请做助教。
1.13
学分及日程表
本课程的学分为______。
日程表:
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
1.14行为规则
a)本课程鼓励自主学习。
b)本课程鼓励自由讨论。
c)在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件。
d)不得借用其他组的器件。
e)课后整理桌面。
f)不在课堂做任何与学习无关的事。
g)上课期间手机切换至静音,不回电或发短信。
1.15套件
每组学生拥有一箱“创新与实践”高级工程训练课程专用套件。
上课其间由个人保管,上课期间遗失或损坏的器件须付费赔偿。
(1)AS-UII智能机器人一台
(2)灭火套件一套
(3)PSD红外测距卡一只
(4)工具一套
(5)“创新与实践”灭火教程一册
(6)《AS-UII使用手册》一本
(7)《VJC1.5使用手册》一本
(8)《第一次亲密接触》一本
1.16
竞赛项目
本课程进行以下竞赛项目:
1、智能机器人灭火比赛(规则详见《灭火比赛规则》)
2、最佳造型赛(比谁设计的机器人造型新颖、美观、富有创意)
3、创新赛(比机器人的灭火方式、导航方法、系统设计等方面的创造性)
4、论文与报告竞赛(以该课程内容为基础选题,如课程感受、技术创新点等,比谁的论文清晰、新颖、内容翔实、可懂性强)
5、演讲比赛(以该课程感受为主题,比谁的演讲动人、清晰、有感染力)
6、最佳工艺奖(比谁的机器人制作工艺最精致)
第2章
预备知识
2.1测试AS-UII
下载自检程序,按步骤检验各部件是否工作正常。
参见《第一次亲密接触》第二部分:
给机器人检查身体。
故障原因及排除方法:
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.2AS-UII演示项目
参见《第一次亲密接触》第三部分:
运行表演程序。
运行完之后,请您用自己的语言,对六个表演程序作一番解释。
2.3AS-UII的系统结构
自学《AS-UII使用手册》第三章
AS-UII的系统结构分成几大部分?
自学体会
自学能力评估:
2.4VJC编程入门
用VJC1.5流程图编程,并下载运行。
以下是参考项目。
您也可以自由发挥。
这些项目做完以后,面对机器人您会觉得更加亲切。
每编好一个程序,请保存。
A.让机器人走一个正方形。
也可以让机器人走任意的多边形。
B.先用普通方法,反复直行转向。
然后用“多次循环”或“条件循环”模块。
体会三种方法的异同。
(相关模块:
直行、转向、多次循环、条件循环)
C.机器人边唱边跳。
(相关模块:
直行、转向、发音、永远循环、任务)
D.机器人走圆形。
然后走8字形。
(相关模块:
启动电机、延时等待、停止电机)
E.竞赛项目:
自由创意机器人的行为。
2.5JC编程
点击工具栏中的JC代码按钮,阅读2.4中各个流程图程序JC代码。
用JC代码重做一遍2.4中的项目。
对照流程图学习C语言,直观、容易理解,很容易就学会了。
2.6AS-UII的计算机硬件
自学内容《AS-UII使用手册》3.3节。
我的成绩:
我的体会:
2.7AS-UII的传感器系统
自学内容《AS-UII使用手册》3.2节
A碰撞传感器项目:
电子琴/点歌台/台球
B红外传感器项目:
红外避障/跟人走的机器人/自由行走
C光敏传感器项目:
亮度检测/叫人起床/趋光的飞蛾/篝火晚会
D声音传感器:
百米赛跑/听话的宠物/回音壁
我的成绩:
我的体会:
2.8AS-UII的执行器
自学内容《AS-UII使用手册》3.4节
项目:
运动、发音、显示信息。
我的成绩:
我的体会:
第3章
灭火机器人初步
3.1安装灭火套件
把灭火套件装上AS-MII,构成最基本的灭火机器人。
灭火套件包括风扇、电机、远红外火焰传感器和地面灰度检测卡,其安装方法详见《能力风暴智能机器人扩展卡使用手册》。
本项目中,首先学会安装风扇和电机。
风扇电机接在机器人主板的MDCA3口上,此是扩展直流电机接口,在主板的右前方。
在机器人主板上,喇叭、扩展直流电机和饲服电机都由PA3控制。
因此喇叭、直流电机和饲服电机三者不能同时使用,须用短路端子加以选择。
如图2所示。
图2PA3跳线选择
3.2安装远红外火焰传感器
远红外火焰传感器的有关内容参见《能力风暴智能机器人扩展卡使用手册》04,下面是安装的方法:
a.将远红外火焰传感器装入塑料套管,点一滴502胶水固定。
b.将远红外火焰传感器安装在风扇的两侧,分别向左右倾斜30度左右,使两只远红外火焰传感器之间的夹角约为60度。
c.拔下能力风暴机器人光敏传感器的接线端子,将远红外火焰传感器的接线端子插上去。
远红外火焰传感器的接线是分极性的。
d.下载亮度检测程序,观察左右传感器的检测值。
远红外火焰传感器对热光源敏感。
当远红外火焰传感器对准蜡烛时,相应的检测值将急剧减小。
否则,须将接线端子拔下来,调一下正负极性。
亮度检测参考程序如图3所示:
图3亮度检测程序
在图3中,第一个“亮度检测”模块参数设置为方式“左”,变量选择“亮度变量一”;第二个“亮度检测”模块参数设置为方式“右”,变量选择“亮度变量二”。
“显示”模块两行显示信息分别为“亮度变量一、亮度变量二”。
延时等待0.1秒。
3.3安装地面灰度传感器
地面灰度传感器的安装和调试方法参见《能力风暴智能机器人扩展卡使用手册》05。
3.4
调节红外
红外传感器能够检测到10~80cm以内的物体。
刚出厂的机器人的红外检测距离一般为30cm。
红外传感器的检测距离可以根据需要进行调节,调节方法是拧动主板上的调节电位器旋钮旋钮(参见图4)。
图4红外传感器插针位置图
调节红外检测距离的具体步骤如下:
A.下载下面的“红外调节”程序(图5),然后按一下机器人的“运行”键。
B.将机器人的前面正对着障碍物,并量好机器人和障碍物之间的距离。
C.先调节左红外发射距离。
此时将右红外发射器的接线端子拔下,拧动左边的调节电位器旋钮,同时观察显示屏。
当显示的数字为1时,说明机器人检测到左方有障碍物;当显示的数字为0时,说明机器人没有检测到障碍物。
当显示的数字在0和1之间跳动时,说明机器人处于检测到与未检测到之间的临界状态,此时左红外就调好了。
图5调节红外程序
D.拔下左红外发射器的接线端子,再插上右红外的接线端子。
拧动右边的调节电位器旋钮,即可调节右红外发射距离。
当显示的数字为2时,说明机器人检测到右方有障碍物;当显示的数字为0时,说明机器人没有检测到障碍物。
当显示的数字在0和2之间跳动时,说明机器人处于检测到与未检测到之间的临界状态,右红外就调好了。
E.将两个接线端子都插上,前后移动机器人,显示的数字如果在0和4之间跳动,红外检测距离的调节就完成了。
3.5搜索房间的策略
搜索4个房间的策略通常有以下三种:
A.固定路线法。
主要使用“直行”和“转向”模块,机器人走直线,转弯角度均为90度。
只要反复调试机器人前进的距离,就可以分别进入各个房间。
读者可以做一次尝试,让机器人从起点进入三号房间。
B.随机走。
机器人随机行走,有时前进,有时后退,有时左转,有时右转。
行走的距离和转弯的角度要有变化,强调随机性。
要实现随机行走,须考虑以下几个方面:
1.避免碰撞。
机器人在行走的过程中,如果发生了碰撞,则后退一点,并掉转方向。
2.红外避障。
机器人边行走边进行红外探测,如果发现左、右、前任一方向有障碍物,就转向。
3.前进。
设置前进的参数时,将时间取为0.05秒或0.1秒,可以使红外探测和碰撞检测的周期较短,从而令机器人具有较高的灵敏度。
4.优先级。
优先级的设置为:
避免碰撞的优先级最高;其次红外避障;前进的优先级最低,如果没有发生碰撞,也没有发现障碍物,才前进。
5.随机性。
随机性体现在行走的距离和方向上,距离应有时长有时短,方向应忽左忽右、忽前忽后。
以方向的随机性为例,我们可以通过“计算”模块,计算机器人转向的次数。
如果右转了3次,就左转一次;如果左转了4次,就右转一次;如果前进了5次,就后退一次,等等。
C.沿墙走(走弧线)。
沿墙走,顾名思义,即机器人靠近墙壁行走。
采用左手规则时,墙壁在机器人的左边;而采用右手规则时,墙壁在机器人的右边。
下面以左手规则为例加以说明。
图6沿墙走示意图
如图6所示,要实现沿墙走,机器人可以采取划弧线的方法,边前进边检测墙壁。
机器人如果发现前方有障碍物,说明正对着墙壁了,就右转约90度;如果发现左方有障碍物,说明机器人左侧对着墙壁了,就右转约60度;否则就划弧线前进。
有时候机器人会撞上墙壁,为此机器人还需具有处理碰撞的功能。
在程序中,我们让机器人一旦检测到碰撞,就后退一点,并右转约60度。
沿墙走的例程如图7所示。
图7沿墙走例程
3.6
寻找光源
寻找光源是机器人灭火过程中的一个重要内容,为了迅速把火灭掉,在搜索房间时,要求机器人一旦发现光源,就立刻向光源走过去。
图8机器人趋光的方式
问:
机器人如何才能朝着光源走过去?
答:
可以采用比较机器人左右眼的亮度值的方法。
如果左眼的亮度值小于右眼的亮度值,说明机器人的左眼接收到的光线较强,离光源较近;而机器人的右眼接收到的光线较弱,离光源较远。
这时就让机器人逆时针划一段弧线,目的是让机器人的右眼离光源更近些。
类似地,如果右眼的亮度值小于左眼的亮度值,则说明机器人的左眼离光源较远,这时就让机器人顺时针划一段弧线。
通过逆时针划弧线和顺时针划弧线的交替,机器人就可以逐步接近光源了。
参见图8。
问:
机器人怎样才不会撞上蜡烛?
答:
如果机器人左眼或右眼的亮度值小于某一个值,比如20,就停止电机。
这样,机器人走到蜡烛跟前就会停下来,而不会撞上蜡烛。
参见图9的例程及其JC代码。
如果安装了地面灰度传感器,则不需要这样做。
当地面灰度传感器检测到蜡烛前的白线时,让机器人停下来就可以了。
图9寻找光源例程
以上例程的JC代码如下:
intphoto_1=0;
intphoto_2=0;
voidmain()
{
while
(1)
{
photo_1=photo
(1);
photo_2=photo
(2);
if((photo_1<20)||(photo_2<20))
{
stop();
}
else
{
if(photo_1 { motor(1,20); motor(2,80); } else { if(photo_2 { motor(1,80); motor(2,20); } else { motor(1,20); motor(2,20); } } } } } 3.7地面灰度检测 地面灰度检测卡安装好之后,就可以使用了。 读者可以先尝试检测一下地面灰度,然后再将其运用到寻找光源的过程中。 A.编一个小程序,让机器人检测地面灰度并显示出来。 “模拟输入”模块的参数设置为“模拟通道3”,变量选择“模拟变量三”。 显示信息为“模拟变量三”。 将机器人放在地面和白线上,分别观察它们的灰度值。 如图10所示: 图10地面灰度检测 B.应用: 机器人寻找光源时,走到光源跟前,发现白线就停下来。 3.8灭火 机器人找到火源,并将火灭掉。 下面给出机器人灭火程序的流程图,供读者参考。 图11机器人灭火流程图 在图11中,参数可以进行如下设置: 上面一个“亮度检测”模块: 方式: 左,变量选择“亮度变量一”。 下面一个“亮度检测”模块: 方式: 右,变量选择“亮度变量二”。 “条件循环”模块: 条件表达式为 gi_1==0 上面一个“条件判断”模块: 条件表达式为 模拟变量三<125 下面一个“条件判断”模块: 条件表达式为 条件一: 亮度变量一<200;条件二: 亮度变量二<200;条件逻辑关系: 或。 3.9PSD的测距特性 PSD红外测距卡能够测量机器人与障碍物之间的距离,用在灭火比赛中可以提高成绩。 红外测距卡的测量范围是10~80cm。 其使用方法详见配件手册。 读者可以按下述步骤进行: A安装红外测距卡。 B自学红外测距卡说明书,画出PSD的测距特性图。 C编写程序,使机器人与墙壁保持适当距离行走(接近于走直线)。 D在灭火程序中应用红外测距卡。 第4章 行为控制及软件开发策略 4.1高级编程 项目1: 编程风格 项目2: 出错控制 项目3: 多任务编程 我的成绩: 我的体会: 4.2控制 4.2.1开环控制 ●一组简单的序列指令 ●无外部输入反馈 ●错误累积 4.2.2反馈控制 ●检测外部环
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