Урок «Датчик расстояния» по LEGO SPIKE Prime: как робот «видит» преграду

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 10 из 36
Раздел: Отдел сенсорики: как робот воспринимает мир
Возраст: 5–7 класс
Длительность: 2 академических часа: теория 0,5 ч, практика 1,5 ч
Набор: LEGO Education SPIKE Prime (45678)
Тип занятия: занятие открытия новых знаний, лабораторная работа

Это сокращённый конспект. Полный — с ходом урока по минутам, вопросами педагога, протоколом испытаний и критериями приёмки — в программе «Инженерное бюро ПРАЙМ» для SPIKE Prime: 36 занятий, 72 часа.

Задача от заказчика

Автопарк заказывает прототип системы автоторможения: тележка едет к препятствию и останавливается в 10 ± 2 см от него. Проверяют на разных препятствиях: картонная стена, человек в пальто, стеклянная дверь.

Чему научатся дети

считывать показания ультразвукового датчика расстояния
задавать порог остановки
определять рабочий диапазон и условия, при которых датчик ошибается
учитывать скорость при выборе порога

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
набор поверхностей (картон, ткань, зеркало, пенопласт, сетка)
рулетка
транспортир
инженерный дневник, разворот 10

План занятия

Заказ от «заказчика» — 5 мин
Инженерный совет: гипотезы — 7 мин
Техническая справка — 8 мин
Сборка — 20 мин
Программирование — 15 мин
Перерыв — 10 мин
Испытание по протоколу — 15 мин
Инженерный вызов — 10 мин
Приёмка и рефлексия — 7 мин
Разборка и уборка — 3 мин

Сборка. Установка датчика расстояния на тележку спереди, на регулируемой по высоте площадке. Режим: по описанию требований.

Программа. Ехать вперёд, пока показание датчика > порога; при достижении — остановка и вывод расстояния на матрицу хаба.

Что рассказать на теории

Датчик излучает ультразвуковой импульс и измеряет время до возврата эха; расстояние вычисляется по времени.
Рабочий диапазон — от 5 до 200 см, точность около ±2 см (по техпаспорту LEGO). Ближе минимума — мёртвая зона.
Мягкие и пористые поверхности поглощают звук — показания завышаются или пропадают.
При большом угле падения эхо уходит в сторону — препятствие «исчезает».
Тормозной путь складывается из пути за время реакции и пути торможения. Порог должен учитывать скорость.

Испытание

Гипотеза: «Датчик одинаково точно определяет расстояние до любого препятствия». Серия — 5 испытаний. В протокол записывают: материал препятствия; реальное расстояние, см; показание датчика, см; ошибка, см.

Вопросы на повторение

Откуда датчик знает расстояние?
Он посылает ультразвуковой импульс и меряет время до возврата эха. По времени вычисляется расстояние.

Почему мягкое препятствие опаснее твёрдого?
Мягкие и пористые материалы поглощают звук: показания завышаются или пропадают совсем.

Остановится ли тележка там же, если поедет вдвое быстрее?
Нет, проедет дальше: тормозной путь растёт со скоростью. Порог нужно увеличить.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: добейтесь остановки в 10 ± 2 см на скорости 70 % мощности. Подсказка: один порог для всех скоростей не подойдёт.

Линия поддержки: испытывает датчик на двух поверхностях (картон, ткань), заполняет столбцы реального и измеренного расстояния.
Базовая линия: проводит все 5 испытаний, вычисляет ошибку, подбирает порог.
Линия вызова: выполняет вызов; определяет, при каком угле наклона препятствия датчик перестаёт его видеть.

Итог урока

Точность датчика зависит от материала и угла препятствия; мягкие и наклонные поверхности дают ошибку, что необходимо учитывать при выборе порога.

Что в полном комплекте

Программа ДООП «Инженерное бюро ПРАЙМ» (DOCX и PDF, 135 страниц): паспорт, учебный план, результаты по ФГОС, аттестация и 36 конспектов занятий
Инженерный дневник ученика (75 страниц, 36 разворотов): заказ, гипотеза, протокол испытаний, вывод, самооценка
Альбом эталонных узлов (12 узлов) и 12 кинематических схем в PNG

Другие занятия раздела «Отдел сенсорики»: Датчик цвета · Датчик силы · Гироскоп хаба · Энкодеры моторов · Интерфейс робота · Умный турникет.

{{title}}