例談Arduino創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)

朱勝男

[摘 要]通過“自動跟蹤風(fēng)扇”的設(shè)計，介紹如何在中小學(xué)信息技術(shù)課上開展機(jī)器人教學(xué)。創(chuàng)意機(jī)器人教學(xué)應(yīng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)情，結(jié)合創(chuàng)客教育的理念以及信息技術(shù)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，鼓勵學(xué)生積極動手實踐、探索與創(chuàng)新。

[關(guān)鍵詞]Arduino；創(chuàng)意機(jī)器人；傳感器；信息技術(shù)；中小學(xué)

機(jī)器人（Robot）是指能夠自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義是：一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。生活中常見的自動售貨機(jī)、自動提款機(jī)和紅外自動抽水馬桶等，都具有機(jī)器人的特征。在此引用的課例，要求學(xué)生設(shè)計出可以根據(jù)人所處的位置調(diào)整方向的風(fēng)扇。雖然它的功能很簡單，但本質(zhì)上也是機(jī)器人。

學(xué)校有關(guān)機(jī)器人的教學(xué)從初中三年級開始涉及，由于所選教材涉及的中鳴機(jī)器人設(shè)備比較貴，更新?lián)Q代又較快，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素、可拓展性和創(chuàng)客教育的開源性特點，筆者決定選擇Arduino進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)，參考教材為網(wǎng)絡(luò)電子教材《Arduino創(chuàng)意機(jī)器人》。此前，學(xué)生們已經(jīng)學(xué)過了Scratch圖形編程軟件，掌握了積木式程序設(shè)計。在開始設(shè)計Arduino創(chuàng)意機(jī)器人“自動跟蹤風(fēng)扇”之前，學(xué)生對Arduino編程的流程以及硬件（如電機(jī)、聲音傳感器、舵機(jī)等）的連接、PWM（脈沖寬度調(diào)制）已有所了解。

一、課堂導(dǎo)入與任務(wù)提出

教師首先播放一段掃地機(jī)器人的視頻，讓學(xué)生思考：掃地機(jī)器人是如何判斷前方是否有物體，從而避開障礙物繼續(xù)前行的呢？有的學(xué)生說“靠雷達(dá)”，有的學(xué)生說“靠眼睛”。教師引導(dǎo)：Arduino就好比人的大腦，負(fù)責(zé)思考和控制行動。但是大腦的信息需要人體各個感官來提供。比如眼睛可以提供視覺信息，鼻子可以提供嗅覺信息，皮膚可以提供溫度信息等。如果我們想讓小風(fēng)扇成為一個機(jī)器人，使它能夠根據(jù)人的移動，始終朝著人的位置吹風(fēng)。那么它要如何感受到人的移動呢？如果它也有“眼睛”就好辦了。這時引入新傳感器的概念，它可以根據(jù)光線的變化判斷前方是否有物體，從而實現(xiàn)追蹤功能。教師還指出，提到“雷達(dá)”的同學(xué)也有道理，雷達(dá)是發(fā)出“聲波”探測物體。那么這節(jié)課上要用到的“數(shù)字防跌落傳感器”就好比是眼睛，可以通過感知光線判斷前方是否有物體。

向?qū)W生提出任務(wù)：設(shè)計一臺風(fēng)扇，使它能夠跟著人（人手）位置的變化自動搖頭。具體要求是：當(dāng)人（人手）位于風(fēng)扇左側(cè)，風(fēng)扇會向左旋轉(zhuǎn)；如果人離開左側(cè)位置，風(fēng)扇就會向右旋轉(zhuǎn)到初始位置。同理，當(dāng)人（人手）位于風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇會向右旋轉(zhuǎn)；如果人（人手）離開右側(cè)位置，風(fēng)扇就會向左旋轉(zhuǎn)到初始位置。

二、硬件材料及其工作原理

所需硬件包括：Romeo板一塊，舵機(jī)SG90（180度）一個，風(fēng)扇一個，數(shù)字防跌落傳感器2個，電機(jī)2個。教師需要指導(dǎo)學(xué)生了解硬件的連接方法。

風(fēng)扇驅(qū)動。風(fēng)扇需要電機(jī)的驅(qū)動才能轉(zhuǎn)起來。由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動需要的電流較大，不能直接使用Arduino的針腳，所以要把電機(jī)連接到Arduino板上，并提供專門的電源。本例中Romeo板可提供M1和M2的四個接線柱來連接電機(jī)，接線不區(qū)分正負(fù)極，但是連接位置（或順序）不同會影響風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動方向。M1和M2分別對應(yīng)跳線的4、5、6、7接口。4代表電機(jī)1的方向控制，5代表電機(jī)1的速度控制，6代表電機(jī)2 的速度控制，7代表電機(jī)2的方向控制。如果程序中選取了M1接線柱來連接風(fēng)扇，對應(yīng)的就是4和5兩個接口。M1還可以連接電機(jī)，有兩個接線柱4和5。4控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，即風(fēng)扇可能是順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，5控制轉(zhuǎn)速。首先要將電機(jī)連接在M1接線柱上，將“引腳”模塊中的“針腳值”設(shè)為5（控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速），并設(shè)置轉(zhuǎn)速為200（數(shù)值越大，轉(zhuǎn)得越快）。然后再把塑料風(fēng)扇葉片固定到電機(jī)上面。

舵機(jī)。舵機(jī)能夠讓機(jī)器人轉(zhuǎn)動，如機(jī)器人的頭部扭轉(zhuǎn)、關(guān)節(jié)部分的活動、風(fēng)扇的搖頭功能等。這里選用的是180度舵機(jī)，這意味著風(fēng)扇可以在左右180°范圍內(nèi)搖頭。舵機(jī)上有紅、黑、黃三條控制線，分別對應(yīng)電源、地線和信號線。這里要把舵機(jī)信號線連接在與程序代碼對應(yīng)的數(shù)字接口上，本例為9號接口。電源線連接VCC接口，地線連接GND接口，這里VCC接口代表電源的正極，GND代表電源的負(fù)極。風(fēng)扇搖頭，需要舵機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度小于180°時，轉(zhuǎn)動角度逐步累加，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)到180°位置時，再一步一步遞減到0°。

數(shù)字防跌落傳感器。這是一種Arduino紅外傳感器，主要利用紅外測距原理，和聲波測距的原理類似，有效距離為10cm。數(shù)字防跌落傳感器最初是為了使機(jī)器人走到有臺階的地方能及時停下來，防止因繼續(xù)前行而跌落摔壞。在本課中使用防跌落傳感器的目的，是讓風(fēng)扇“感知”自己和人的距離是否小于10cm，以便及時調(diào)整自己的動作，從而實現(xiàn)智能改變方向。它將成為機(jī)器人的“眼睛”。將數(shù)字防跌落傳感器分別連接數(shù)字口11和12，因為傳感器只輸出0（沒有障礙物）和1（有障礙物）兩種狀態(tài)，是數(shù)字信號，所以必須連接數(shù)字接口。Arduino的數(shù)字接口為Remeo板上的digital接口0～13，一共有14個，除了前面已經(jīng)占用的接口5和6，其余數(shù)字接口都可以任意選用。其中舵機(jī)和風(fēng)扇的連接要講究一點技巧，要保證能夠讓舵機(jī)有效地輔助電機(jī)來實現(xiàn)風(fēng)扇的搖頭功能（見圖1）。

三、課堂任務(wù)

整個課堂由兩部分組成。基礎(chǔ)任務(wù)部分由教師帶領(lǐng)學(xué)生共同完成；完整任務(wù)部分由學(xué)生在基礎(chǔ)任務(wù)的基礎(chǔ)上小組合作完成。

1.基礎(chǔ)任務(wù)

使用一個數(shù)字防跌落傳感器和舵機(jī)，制作自動跟蹤風(fēng)扇，實現(xiàn)左邊傳感器檢測到物體，風(fēng)扇向左搖頭；否則向右搖頭。編輯圖形代碼（見圖2）。設(shè)定風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，為電機(jī)設(shè)定方向和速度。設(shè)定針腳的模擬值為“5”（代表了左搖），PWM值為“200”（代表轉(zhuǎn)速）。

接下來編寫代碼實現(xiàn)“當(dāng)前方有物體，舵機(jī)向左轉(zhuǎn)動；當(dāng)左側(cè)數(shù)字防跌落傳感器檢測不到物體，舵機(jī)向右轉(zhuǎn)動”。因為數(shù)字防跌落傳感器連接在了數(shù)字針腳11上面，所以針腳應(yīng)設(shè)置為11。因為需要根據(jù)風(fēng)扇左側(cè)是否有人（人手），然后才能判斷風(fēng)扇向哪個方向搖頭，所以在循環(huán)的開始，首先要判斷數(shù)字針腳11的值是0還是1，如果是0，表示左側(cè)有人，這個時候風(fēng)扇需要向左搖頭，所以舵機(jī)的角度k越來越小，直到度數(shù)變?yōu)?°，即達(dá)到了最左側(cè)。相反，如果值為1，那么說明左側(cè)沒有人（人手），然后將舵機(jī)連接在數(shù)字針腳9上，由于舵機(jī)需要跟隨人（人手）的位置不斷運(yùn)動，所以需要設(shè)置成變量，變量設(shè)置為k。k值會逐步增加，直到180°（見圖3）。

完成以上代碼的編寫以后，需要將程序代碼上載到Arduino板上，并觀察運(yùn)行情況。接下來學(xué)生在小組內(nèi)討論后自主完成以下任務(wù)：一是硬件部分的連接，首先完成的小組可以進(jìn)行演示，成績計入小組競賽成績中；二是代碼的設(shè)計和運(yùn)行，學(xué)生依據(jù)教師的講解和示范，親自設(shè)計并運(yùn)行程序，率先完成的小組加分。

2.完整任務(wù)

要求學(xué)生完成完整程序的編寫并實現(xiàn)以下功能：當(dāng)人（人手）在風(fēng)扇的左側(cè)，風(fēng)扇向左搖頭，當(dāng)人（人手）不在風(fēng)扇的左側(cè)，風(fēng)扇向右搖頭；當(dāng)人（人手）在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇向右搖頭，當(dāng)人（人手）不在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇向左搖頭。以下為教師的引導(dǎo)過程示例。

教師：剛剛我們已經(jīng)完成了整個任務(wù)的一半，剩下的程序要怎樣編寫，有沒有便捷的方法？

學(xué)生：把剛剛的代碼克隆，然后修改代碼的相應(yīng)參數(shù)就可以了。

教師：需要修改哪些代碼呢？

學(xué)生：判斷人在風(fēng)扇的右側(cè)，當(dāng)人在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇需要向右搖頭，當(dāng)人不在風(fēng)扇的右側(cè)，風(fēng)扇要向左搖頭。

教師：怎樣實現(xiàn)呢？請首先考慮硬件部分。

學(xué)生：一個數(shù)字防跌落傳感器放在左側(cè)，一個數(shù)字防跌落傳感器放在右側(cè)。

教師：那么如何來判斷哪個數(shù)字傳感器是左側(cè)的？哪個數(shù)字傳感器是右側(cè)的呢？

學(xué)生：剛剛的數(shù)字傳感器接的端口是針腳11，那么現(xiàn)在的數(shù)字傳感器的端口可以接在其他的數(shù)字針腳上，就可以區(qū)別了。

教師：下面大家就可以親自動手了。如果有問題，可以先在組內(nèi)討論。最先完成的小組加分。

四、課堂小結(jié)與拓展

在小結(jié)階段，教師利用PPT逐步出示思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生回顧過程和整理思路。為進(jìn)一步拓展創(chuàng)客設(shè)計的思路，教師鼓勵學(xué)生進(jìn)行風(fēng)扇內(nèi)容的綜合創(chuàng)意和競賽。如溫控風(fēng)扇、傾倒自動停止風(fēng)扇、定時風(fēng)扇等。這些任務(wù)可加深學(xué)生對傳感器的印象，有利于以后進(jìn)一步了解溫度傳感器和傾角傳感器的原理及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)（編者略）

（責(zé)任編輯 郭向和）endprint