Урок «Датчик цвета» по LEGO SPIKE Prime: отражённый свет и калибровка

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 11 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

Агрокомплекс заказывает линию сортировки томатов: робот отличает зелёный плод от красного и сбрасывает зелёные в отдельный лоток. Теплицу утром и вечером освещают по-разному, и система обязана работать в обоих случаях.

Чему научатся дети

различать два режима датчика: распознавание цвета и отражённый свет
калибровать датчик и рассчитывать порог по светлому и тёмному участку
объяснять, почему одна и та же карточка при разном свете даёт разные показания
выбирать режим датчика под задачу заказчика

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
поле с чёрной линией
набор цветных карточек (включая близкие оттенки)
настольная лампа
лист чёрной и белой бумаги
инженерный дневник, разворот 11

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 цвета на тележку снизу и сортировочного лотка с приводом от среднего мотора. Режим: по описанию.

Программа. Программа калибровки: измерить светлое, измерить тёмное, вычислить порог, вывести его на матрицу; затем сортировка по порогу.

Что рассказать на теории

Режим «цвет»: датчик называет один из восьми цветов. Надёжно работает только с насыщенными цветами.
Режим «отражённый свет»: возвращает число 0–100 — доля вернувшегося света. Универсальнее и устойчивее.
Калибровка: измерить показание на самом светлом и самом тёмном участке, порог взять как среднее.
Посторонний свет искажает показания, поэтому датчик закрывают от бокового света.
Реальный аналог: сканеры штрих-кодов, сортировщики на конвейерах, датчики бумаги в принтере.

Испытание

Гипотеза: «Порог, вычисленный при одном освещении, останется верным при другом». Серия — 3 испытания. В протокол записывают: условия освещения; показание на светлом; показание на тёмном; порог (среднее); число ошибок из 10.

Вопросы на повторение

Зачем датчику собственная подсветка, если в классе и так светло?
Чтобы мерить отражённый свет от своего источника. Свет в комнате меняется, а подсветка датчика — нет.

Одна и та же карточка утром и вечером даёт разные числа. Датчик сломался?
Нет. Показания зависят от освещения, поэтому перед работой датчик калибруют заново.

Как объяснить роботу, что такое «тёмное»?
Задать порог: всё, что ниже среднего между светлым и тёмным эталоном, робот считает тёмным.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: сделайте калибровку автоматической: по нажатию кнопки хаба робот сам объезжает два эталонных участка и рассчитывает порог.

Линия поддержки: работает в режиме «цвет» с насыщенными карточками, фиксирует, какие цвета путаются.
Базовая линия: работает в режиме отражённого света, проводит калибровку при трёх условиях освещения, считает ошибки.
Линия вызова: выполняет вызов с автокалибровкой; определяет, при каком расстоянии от поверхности показания перестают быть устойчивыми.

Итог урока

Абсолютные показания датчика зависят от освещения, поэтому порог нельзя задавать раз и навсегда — его вычисляют при калибровке перед работой.

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 расстояния · Датчик силы · Гироскоп хаба · Энкодеры моторов · Интерфейс робота · Умный турникет.

{{title}}