Урок «Гироскоп хаба» по LEGO SPIKE Prime: ориентация робота в пространстве

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 13 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

Планетарий заказывает макет планетохода: разворот ровно на 90° с ошибкой не больше 3° на любой поверхности — гладкий стол, ковролин, песок. При крене больше 20° аппарат подаёт сигнал.

Чему научатся дети

работать со встроенным датчиком движения хаба
поворачивать робота на заданный угол по гироскопу
отслеживать крен и тангаж
сбрасывать показания перед манёвром

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
транспортир
разметка круга на полу
наклонная плоскость
секундомер
инженерный дневник, разворот 13

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. Планетоход: тележка с широкими колёсами, хаб установлен горизонтально (это критично для гироскопа). Режим: самостоятельно по требованиям ТЗ.

Программа. Три программы поворота на 90°: по времени, по оборотам мотора, по гироскопу. Плюс постоянный контроль крена с выводом предупреждения на матрицу.

Что рассказать на теории

Хаб содержит 6-осевой датчик движения: гироскоп (угловая скорость) и акселерометр (ускорение, в том числе сила тяжести).
Рыскание — поворот вокруг вертикальной оси; крен и тангаж — наклоны.
Поворот по гироскопу не зависит от сцепления колёс с поверхностью — в отличие от поворота по времени или по оборотам мотора.
Дрейф нуля: показания медленно «уплывают» со временем, поэтому гироскоп сбрасывают непосредственно перед манёвром.
Обратная связь: вращать моторы, пока |угол| < заданного, — простейший регулятор положения.

Испытание

Гипотеза: «Поворот по гироскопу сохранит точность при смене поверхности, а поворот по времени — нет». Серия — 6 испытаний. В протокол записывают: способ поворота; поверхность; фактический угол, °; ошибка, °.

Вопросы на повторение

Что случится с поворотом по времени, если робот переедет на ковёр?
Угол изменится: сцепление колёс другое. Поворот по гироскопу от поверхности не зависит.

Зачем обнулять гироскоп перед поворотом?
Показания со временем «уплывают» — это дрейф нуля. Сброс перед манёвром убирает накопленную ошибку.

Чем отличаются рыскание, крен и тангаж?
Рыскание — поворот вокруг вертикальной оси, крен и тангаж — наклоны вбок и вперёд-назад.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: заставьте планетоход проехать замкнутый квадрат со стороной 40 см и вернуться в точку старта с отклонением не более 5 см.

Линия поддержки: сравнивает два способа поворота на одной поверхности, заполняет 4 строки таблицы.
Базовая линия: проводит все 6 испытаний (3 способа × 2 поверхности), формулирует вывод.
Линия вызова: выполняет вызов с квадратом; исследует, как накапливается ошибка за 4 поворота и почему.

Итог урока

Поворот по гироскопу использует обратную связь по фактическому положению и потому устойчив к смене условий; поворот по времени условия не учитывает.

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 · Энкодеры моторов · Интерфейс робота · Умный турникет.

{{title}}