Урок «Движение по линии» по LEGO SPIKE Prime: релейный регулятор

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 24 из 36
Раздел: Отдел автоматизации: системы с обратной связью
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

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

Завод заказывает транспортного робота, который ездит по разметке на полу: прямые участки и два поворота. Требование одно, но жёсткое — круг за 40 секунд без потери линии.

Чему научатся дети

объяснять, что такое обратная связь
программировать релейный (двухпозиционный) регулятор
рассчитывать уставку по калибровке
искать компромисс между скоростью и устойчивостью

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
поле с чёрной линией (прямые, дуги R25 и R50, перекрёсток)
секундомер
рулетка
инженерный дневник, разворот 24

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. Транспортный робот: тележка с датчиком цвета впереди по центру, на высоте 5 мм. Режим: самостоятельно, с обоснованием положения датчика.

Программа. Калибровка → расчёт уставки → бесконечный цикл релейного управления; измерение времени круга таймером хаба.

Что рассказать на теории

Обратная связь: система измеряет результат своего действия и корректирует управление.
Релейный алгоритм: если показание больше уставки — поворот в одну сторону, иначе — в другую. Промежуточных состояний нет.
Робот движется по границе света и тени, а не по центру линии — только на границе показание однозначно связано с положением.
Виляние (автоколебания) — неизбежное свойство релейного регулятора: он всегда «перелетает» цель.
Уставка = (светлое + тёмное) / 2 — вычисляется калибровкой с занятия 11.

Испытание

Гипотеза: «Увеличение мощности моторов уменьшает время круга, но увеличивает амплитуду виляния и риск потери линии». Серия — 5 испытаний. В протокол записывают: мощность моторов, %; время круга, с; число потерь линии; амплитуда виляния (визуально).

Вопросы на повторение

Как по одному числу понять, куда сворачивать?
Сравнить показание с уставкой: больше — поворот в одну сторону, меньше — в другую.

Почему робот едет по краю линии, а не по центру?
Только на границе света и тени показание однозначно говорит, где робот находится.

Почему робот виляет?
Релейный регулятор всегда «перелетает» цель: промежуточных состояний у него нет. С ростом скорости виляние усиливается.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: пройдите круг быстрее 40 с без потерь линии. Разрешено менять положение датчика и разницу мощностей на моторах.

Линия поддержки: реализует релейный алгоритм с фиксированными параметрами, проходит прямой участок и одну дугу.
Базовая линия: проводит калибровку, испытывает 5 значений мощности, заполняет таблицу.
Линия вызова: выполняет вызов; определяет, на каком радиусе поворота его настройка перестаёт работать, и объясняет почему.

Итог урока

Релейный регулятор всегда даёт колебания; скорость и устойчивость движения находятся в противоречии, оптимум подбирается экспериментально.

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 автоматизации»: Пропорциональный регулятор · Объезд препятствий · Манипуляторы · Python в SPIKE · Сортировочная станция.

{{title}}