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1、 新杨中学模型机器人 校本教材第一章 模型机器人介绍在本章中我们学习了解模型机器人常见的的几种系列，以及每种系列机器人的特点。同学们可以通过图片来观察一下，看看你以前在各种场合见过哪几种系列的模型机器人。注：在我们后续的学习中，我们将采用积木式系列机器人来完成各项任务。1.1 甲虫系列特点：1、入门简单2、结构固定3、传感器设置固定4、编程简单5、娱乐趣味性强学习要点：1、机器人初级入门学习2、编程原理学习3、传感器原理学习 甲虫系列机器人属于结构固定的机器人1.2 伺服系列特点：1、模拟结构2、肢体语言丰富3、动作调整细致学习要点：1、肢体结构研究2、运动原理研究3、工业控制原理研究 伺服系
2、列机器人属于仿生肢体机器人1.3 积木系列特点：1、模块结构2、端口数量多3、编程语言多样化4、具备开放性以及模块化学习要点：1、算法和程序原理2、结构搭建原理3、机器人制作4、整体协调能力我校机器人小组主要选用的就是这种积木系列的模型机器人，通过积木式的组装与程序调试，我们可以让机器人按照我们的意愿去完成各项任务。1.4 DIY系列特点：1、结构组合情况多样2、功能组合变化丰富3、材料题材来源丰富学习要点：1、动手能力锻炼2、创造能力锻炼1.5 虚拟系列学习要点：1、编程原理2、事件处理能力3、语言学习能力特点：1、图形编程、C源代码显示2、学习成本低廉、全软件教学3、活动形式多样AI-CO
3、DE SYSTEM机器人快车软件用来编写给机器人运行的命令第二章 模型机器人硬件入门讲解2.1 机器人运作原理眼睛、耳朵等大脑手、脚等收集信息控制动作思维能力学习人类的运作感应模块核心控制器动作模块收集信息控制动作程序下载机器人的运作2.2 机器人的大脑主控制器RCU介绍2.2.1 采用AVR系列单片机特点：1、ATMEL公司产品，与51系列控制方法接近，学生容易上手2、运算速度非常快3、程序空间大，能够容纳的程序数量多2.2.2 电脑与RCU之间的传输方式当我们在电脑上完成机器人主控程序的编写后，一般采用以下几种方式把电脑上的程序传输到RCU上。串口传输、USB传输、红外线传输、无线电传输2
4、.3机器人动作模块介绍2.3.1 发光模块模块功能：主要起指示作用。同时能够增加机器人的动态效果。模块应用：状态指示灯、流水灯等2.3.2 马达模块模块功能：可以带动物体运动，能够前转、后转或是静止。速度调整范围是1100。模块应用：作为机器人行走的车轮等2.3.3 风扇模块模块功能：具有吹风的功能，可选择正转、反转或是静止。模块应用：智能风扇、机器人灭火等2.3.4 发声模块模块功能：具有发音的功能，音频能够调节。模块应用：喇叭、警报发声等。2.3.5 液晶模块模块功能：显示数据。能够显示4位的数据，每个显示位数据能够独立控制。模块应用：显示测量的环境数据，如黑标测量等2.3.6 伺服电机模
5、块功能：可以带动物体运动，能够。能够随意定位在1180度的角度范围内。模块应用：智能门、风扇摆动等2.4动作模块实验机器人曲线运动材料：主控制器、马达模块学习目的：通过编制程序，了解各种转弯动作的控制方法以及用途。转弯的方法：（设置两个并列的马达模块的动作）1、一个不动一个前进：靠近的转弯2、一个不动一个后退：远离的转弯3、一个前进一个后退：原地急转弯4、一个马达快，一个马达慢（同方向）2.5机器人感应模块介绍2.5.1 触碰检测模块模块功能：检测外界的碰撞信号，表示一种有或无的状态。模块应用：触碰小车、开关等2.5.2 环境光测量模块模块功能：环境亮度的检测，能够供1255个亮度级。模块应用
6、：路灯、天亮提示等2.5.3 模拟黑标模块模块功能：检测外界的灰度变化、颜色变化，对应显示出1255的状态值。模块应用：黑标检测等2.5.4 红外发射接收模块模块功能：发射特定的红外线以及检测特定的红外线。模块应用：两个模块能够独立使用或是混合使用。障碍检测等。2.5.5 声音检测模块模块功能：检测外界声音的波动，同时得到声音的幅度（1255）模块应用：声控开关等2.6感应模块实验模拟黑标演示材料：主控制器、模拟黑标模块、液晶显示模块学习目的：通过编制程序，学习运用液晶显示模块显示动态数据。2.7感应模块与动作模块对照2.7.1两种模块的区别对照表参数动作模块感应模块接口设置需要需要状态设置有
7、没有状态返回没有有感应模块核心控制器动作模块收集信息控制动作程序下载机器人的运作感应模块对应容器返回主流程程序检查2.7.2状态返回的设置方法要点：容器 变量是程序编写中使用的变量。主要用来保存返回的结果或是经常变动的数据。第三章 模型机器人软件入门讲解在上一章节中，我们学习了组装机器人外形的硬件，以及让机器人运动的两种硬件模块。现在我们就来学习一下如何让那些硬件动起来看看控制这些硬件模块的软件是怎样的。3.1 软件安装以下以演示图来学习如何安装程序软件。步骤1：安装.NET后台步骤2：安装RCU编程控制软件步骤3：语言选择步骤4：编译器设置步骤5：编译器选择选择完编译器后，我们就完成了RCU
8、编程控制软件的安装，下面我们来初步学习一下如何使用这个软件。3.2 软件操作流程设定使用的模块的端口硬件信息设置模块编程按照思路编辑程序模块编译把程序编译成机器人能识别的机器码下载把机器码送到机器人中.3.1 hoz3.3 软件操作3.3.1 新建对象种类3.3.2 软件整体架构代码区编程区流程模块库3.3.3 打开硬件信息表 3.3.4 硬件信息设置功能说明 机器人硬件模块信息设置流程：添加硬件实例选择硬件类型选择硬件端口 硬件信息设置范例命名硬件端口命名选择硬件端口3.3.5 软件编程模块连接从模块库选择模块点击前模块绿色点点击后模块红色点3.3.6 软件编程模块属性设置输入端口参数双击模
9、块输入状态参数参数输入口3.4 软件编程实验3.4.1发光实验控制一个发光模块发光，由简单开、关灯演变成闪烁灯光。示范发光模块以及延时模块的使用方法。3.4.2直线运动实验控制两个马达模块直线运动，练习同时设置、控制两个模块的方法。同学们，你成功完成了上述的两个小实验了吗？通过以上两个简单的编程实验，让我们了解了机器人编程的初步概念，感受了一下如何通过我们自己编写的程序去让机器人的部件按照我们的意愿去执行任务，在接下来的学习中，我们将深入研究机器人控制程序。第四章 模型机器人综合实例在这一章节中，同学们将学习机器人的综合实例，让我们一起通过一个有趣的机器人足球方案来具体看看我们的机器人是怎样一
10、步步搭建起来的！4.1结构搭建搭建之前，请先了解我们的机器人适应规则所规定的尺寸大小，按规则要求足球机器人能够放入一个直径为30cm的圆桶内，挡球装置的深度不能超过3cm，有了这个思路，同时为了能够更好的适应比赛和教学，本案例使用了指南针模块，思路基本构思出来，现在开始搭建。器材准备：“JMC-JY-0409套装”+“JMC-JX-2000简易版足球加强套装”。工具准备：螺丝刀（中鸣0409套装已配）、补车胎用胶水或502胶水（可选，在五金店买到）4.1.1进攻足球机器人搭建（一）挡球装置的搭建（a）追加零件如下图：九排连接板（6件）四排连接板（1件）火焰测量模块（3件）小传感器底座（3件）（
11、b）追加零件如下图：九排连接板（1件）M2.5x48螺栓（2件）M2.5铜螺母（2件）（c）追加零件如下图：四排连接板（4件）（d）追加零件如下图：转轮触碰模块（2件）M2.5x31螺栓（2件）M2.5铜螺母（2件）（e）挡球装置仰视图棍子-112（4件）九排连接板（2件）四排连接板（2件）M2.5x14螺栓（1件）M2.5铜螺母（1件）（二）指南针装置搭建（a）追加零件如下图：指南针模块B（1件）M2.5x31螺栓（1件）M2.5铜螺母（1件）四排连接板（1件）（b）追加零件如下图：（注意指南指南针的朝向）（三）小车主体搭建九排连接板（4件）BE-3487条形马达模块（2件）（a）追加零件如
12、下图：（注意马达的方向）RCU（1件）M2.5x48螺栓（4件）M2.5铜螺母（4件）（b）追加零件如下图：转轮轴（2件）轮胎（2件）轮毂（2件）（c）追加零件如下图：（d）追加零件如下图：M2.5x14螺栓（4件）M2.5铜螺母（4件）九排连接板（1件）简易版万向轮模块（1件）（e）追加零件如下图：（把挡球装置安装在马达上）M2.5x14螺栓（2件）M2.5铜螺母（2件）挡球装置（1件）（f）追加零件如下图：（进一步用螺栓螺母固定挡球装置）M2.5x14螺栓（2件）M2.5铜螺母（2件）指南针装置（1件）（g）追加零件如下图：（安装指南针装置）4.1.2防守足球机器人搭建防守机器人由于为了守
13、门的方便，故意把挡球装置做的很宽，所以防守机器人与进攻机器人结构大同小异，只是挡球装置不同。（一）挡球装置的搭建：为了更好的找球，我们给防守机器人安装了5个火焰模块，没有安装触碰模块。四排连接板（3件）九排连接板（8件）火焰测量模块（3件）小传感器底座（3件）（a）追加零件如下图：九排连接板（3件）M2.5x14螺栓（2件）M2.5铜螺母（2件）M2.5x48螺栓（2件）M2.5铜螺母（2件）（b）追加零件如下图：（c）追加零件如下图：M2.5x31螺栓（4件）M2.5铜螺母（4件）火焰测量模块（2件）小传感器底座（2件）九排连接板（2件）四排连接板（2件）（二）小车主体搭建和指南针装置搭建：
14、 请参考进攻机器人，这里不再累赘。（防守机器人最终效果图一）（防守机器人最终效果图二）4.1.3端口接线说明（1）进攻机器人接线示意图如下：(左马达)(右马达)(指南针)(右触碰)(左触碰)(左火焰)(中火焰)(右火焰)（2）防守机器人接线示意图如下：（指南针）（右2火焰）左马达右马达（左2火焰）（右火焰）（左火焰）（中火焰）4.2机器人足球例程说明4.2.1变量说明以及“靠近球”概念说明（1）进攻足球机器人变量说明变量名变量说明变量名变量说明Guangzuo左侧火焰检测光值p1场地定义角Guangzhong中间火焰检测光值p2场地定义角Guangyou右侧火眼检测光值q1场地定义角Guang
15、kan环境光最大光值q2场地定义角Pengzuo左侧触碰状态b指南针读取数据Pengyou右侧触碰状态t系统时间变量值（2）防守足球机器人变量说明变量名变量说明变量名变量说明Guangzuo左侧火焰检测光值p1场地定义角Guangzhong中间火焰检测光值p2场地定义角Guangyou右侧火眼检测光值q1场地定义角Guangkan环境光最大光值q2场地定义角Guangzuo2左侧2火焰检测光值b指南针读取数据Guangzyou2右侧2火焰检测光值t系统时间变量值t0系统时间运算中间值（3）指南针显示角度以及场地定义角度说明如右图所示意，指南针一般显示角度为0度360度，如果把指南针对准敌方的球
16、门置一次零，那么垂直敌方球门的那根红线就是0度或者360度的定义线（指南针的详细使用说明可参考我公司的相关文档），由于指南针模块本身的读数误差，我们必须定义角度p1和p2，也就是0p1以及p2360是实际上的垂直敌方球门的方向范围，也是我们机器人最想进攻的方向。一般情况下，定义p1=15度，p2=345度比较合适。另外我们也要定义角度q1和q2，也就是敌方和我方的角度范围，从图可以看出，红色以及紫色剖面区域是机器人朝向敌方的角度范围，绿色剖面范围是机器人朝向我方的角度范围。q1一般比90稍大或稍小一点，也可直接定义为90。q2一般比270稍小或稍大一点，也可直接定义为270。（4）“靠近球”的
17、概念为了看懂本例程说明，必须弄懂一个概念，靠近球的概念，因为机器人在场地中运行，不可能在任何情况下都让指南针发挥作用，否则的话就失去了意义，我们必须定义一个临界点，让机器人知道自己距离足球的远近，在这里，我们以中间火焰模块检测的足球光值来判断机器人与足球的之间的距离。在图中，蓝色圆圈就是靠近球的边界线，蓝色圆圈内部就是靠近球的范围，红色剖面线区域是远离球的范围。边界线定义所要求的中间火焰光值在不同的程序段中有不同的大小，完全靠自己的实际调试来定义，没有一个恒定值，另外这个圆圈范围也只是个大概值，不可能很准确。靠近球的边界线，可以简单的用中间火焰模块的光值大小来判断（5）“靠近球”，机器人朝向敌
18、方概念示意图，如下图左。可以用指南针角度表示为：0b=q1或者q2=b=360（青色剖面线范围）（6）“靠近球”，机器人朝向我方概念示意图，如下图右。用指南针角度表示为：q1b=220)&(bq2)&(b!=9999)，条件成立，则机器人调整正北推球前进。同时为了防止死球，在while循环内部设定了一个if判断语句，表达式为t=200，如果这个while循环时间超过2秒，我们可是认为是机器人卡球不能前进，是死球了，所以执行甩球小程序段。特别提示：表达式里的数值可以根据实际使用调试情况来更改。（3）程序段3（靠近球，机器人朝向我方，小车通过指南针来转身后退）在这里，我们首先使用一个if语句来判断
19、机器人是否靠近球朝想我方，条件成立，则进入一个while小循环，让机器人转身后退，if条件表达式为(Guangzhong=180)&(b=q1)&(b=120)&(bq2)&(b!=9999)，如果条件成立，就让机器人往前冲，同时也把本程序段循环的时间记录下来。（3）程序段3（机器人按原路返回，保证防守机器人始终靠近自己的球门）本程序段紧挨着程序段2，前个程序段机器人往前冲了多少，本程序段就往后退多少，保证机器人能够基本留守在自家门口。（4）程序段4（靠近球，机器人朝向我方，小车通过指南针来转身后退）本程序段与进攻机器人程序段3完全一样，只是if表达式的数值有点区别，if表达式是：(Guang
20、zhong=120)&(b=q1)&(b=220)&(bq2)&(b!=9999)结束循环的时间表达式：t=200进攻机器人朝向我方靠近球的表达式为：(Guangzhong=180)&(b=q1)&(b=150防守机器人朝向敌方靠近球的表达式为：(Guangzhong=120)&(bq2)&(b!=9999)结束循环的时间表达式：t=150防守机器人朝向我方靠近球的表达式为：(Guangzhong=120)&(b=q1)&(b=150在上面四程序段中，“Guangzhong=？”比较关键，它涉及到当足球与机器人相隔多远的时候进入这个封闭循环，设置的太大，有可能让机器人碰到球了，无法完成转身功能
21、，设置的太小，让机器人隔足球很远就开始执行校正方向前进，降低机器人的运行效率，所以要反复调试这个值。“t=？”也比较关键，它涉及到每个循环最多进行多长时间，超过这个时间，就要让它强行跳出这个循环，以防止死循环。以上两个条件表达式Guangzhong比较值和t比较值都比较难调，因为受影响的因素太多，电池的电量、足球的电量、环境光的大小都会影响，所以要认真对待。4.3.3 教师寄语同学们，上面的足球机器人方案和程序仅仅是给我们提供的一个标准范例，希望仅仅是起到一个抛砖引玉的作用，同学们能够在学习了本实例的内容后有所进步，那我们学习模型机器人制作的目的也就达到了。在实例方案中，防守足球守门员做成一个
22、具有留守自家门口的智能机器人，目的是让它更接近真正的足球守门员，让大家对各种器材和各种功能的程序有个比较完整的了解。当然足球是圆的，至于实际比赛效果如何，还要我们同学们在比赛现场的发挥与延伸，例如，也许在比赛中，防守机器人也做成一个进攻机器人，做一个全攻全守的球队，效果会更好。我们可以请我校参加过机器人足球比赛的高年级同学来给我们讲述他们在比赛中的心得体会！另外本方案的搭建是按照我校现有的中鸣机器人标准器材来搭建的，如果我们拿这个机器人去参加比赛，如果对手的机器人比我们的机器人重，怎么办？4.4 加重方案为了更好的比赛，对方的机器人可能会比我们的更重，导致我们用标准方案搭建出来的机器人撞不过对
23、手的机器人，那怎么办呢，在这里我们要学习一种加重方案，所有的零件可以我们自己去购买，靠同学们自己去加工，这样我们就可以体验一种DIY的乐趣。4.4.1 加重方案零件准备1、万向轴承，立体图和尺寸图请参考下表：2、转向轴承，立体图和尺寸图请参考下表：3、有机玻璃球板，立体图和尺寸图请参考下表：4、螺栓螺母，立体图和尺寸图请参考下表：（M8x30螺栓、M8螺母） （M12x50螺栓、M12螺母）5、零件加工与采购按照上图采购和加工零件，推荐数量如下：零件名称每套所需零件数量零件来源途径万向轴承1五金店购买转向轴承8五金店购买有机玻璃球板1把图纸送到广告工艺店加工M8x30螺栓(螺纹长度为30mm)
24、8五金店购买M8螺母8五金店购买M8x30螺栓(螺纹长度为30mm)10五金店购买M8螺母40五金店购买4.4.2加重方案结构搭建（一）进攻足球机器人加重方案搭建（1）准备球板（2）搭建马达（3）安装轮子轮胎（4）安装主控制器（RCU）（5）安装万向轴承（6）安装转向轴承（7）安装火焰模块（8）安装挡球装置（9）安装指南针模块（10）配重螺栓螺母的安装配重螺栓螺母（M12）根据实际使用重量来适当增减（二）防守足球机器人加重方案搭建（其详细步骤与进攻机器人类似，只是挡球装置不同）4.4.3加重方案程序调试加重方案的程序编写和调试与标准方案的编写和调试一样，同学们可以参考前面的案例去试验，只是要适当衡量重量与速度的关系，当我们把机器人搭建的很重的时候，马达速度有可能会下降，任何事情都不能两全，在实际应用当中同学们觉得是要重量呢还是要速度呢，自己决定吧-ITS UP TO U J- 56 -
