Урок «Энкодеры моторов» по LEGO SPIKE Prime: точное позиционирование и синхронизация

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 14 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

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

Склад маркетплейса заказывает робота-подборщика: он едет по проходу и останавливается у ячеек, расположенных через 25 см, всего их восемь. Ошибка на восьмой ячейке — не больше 1 см, разметки и датчиков на стеллажах нет.

Чему научатся дети

использовать встроенный энкодер мотора
рассчитывать угол поворота вала по длине окружности колеса
объяснять, почему ошибка накапливается от ячейки к ячейке
синхронизировать два мотора

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
колёса разного диаметра
рулетка
штангенциркуль или линейка
разметочная лента
инженерный дневник, разворот 14

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. Робот-подборщик: тележка с одинаковыми колёсами известного диаметра и указателем ячейки. Режим: самостоятельно.

Программа. Расчёт угла на 25 см; программа последовательного перемещения по 8 ячейкам с выводом номера ячейки на матрицу; сравнение с движением по времени.

Что рассказать на теории

Каждый мотор SPIKE Prime содержит энкодер — датчик угла поворота вала с разрешением 1°.
Путь колеса за один оборот равен длине окружности: L = π·D. Отсюда угол поворота вала для заданного пути.
Позиционирование по энкодеру не зависит от заряда аккумулятора и нагрузки — в отличие от движения по времени.
Энкодер не видит проскальзывания: если колесо буксует, вал крутится, а робот стоит.
Синхронизация: блок движения двумя моторами выравнивает их углы, компенсируя разницу нагрузки на колёсах.

Испытание

Гипотеза: «Ошибка позиционирования по энкодеру накапливается медленнее, чем ошибка по времени». Серия — 8 испытаний. В протокол записывают: номер ячейки; расчётное положение, см; фактическое (энкодер), см; фактическое (время), см.

Вопросы на повторение

Сколько градусов повернуть вал, чтобы проехать 25 см?
Разделить 25 см на длину окружности колеса (π·D) и умножить на 360°.

Ошибка на первой ячейке 2 мм. Это много?
Да: ошибка накапливается, и к восьмой ячейке может набежать 16 мм — больше допуска.

Почему робот поехал по дуге, хотя моторы получили одну команду?
Нагрузка на колёса разная. Блок движения двумя моторами выравнивает их углы.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: уложитесь в 1 см на восьмой ячейке. Разрешено вводить поправочный коэффициент — но его надо обосновать данными, а не подобрать наугад.

Линия поддержки: работает с 4 ячейками, считает угол поворота по готовой формуле, заполняет два столбца.
Базовая линия: проходит все 8 ячеек двумя способами, заполняет таблицу целиком.
Линия вызова: выполняет вызов; определяет поправочный коэффициент из данных и объясняет его физический смысл.

Итог урока

Позиционирование по энкодеру даёт существенно меньшее накопление ошибки; остаточная ошибка вызвана проскальзыванием, которое энкодер не регистрирует.

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 цвета · Датчик силы · Гироскоп хаба · Интерфейс робота · Умный турникет.

{{title}}