2019-2020年苏科版小学信息技术《第17课 学生机器人行走》教案（选修）.doc

2019-2020年苏科版小学信息技术第17课 学生机器人行走教案（选修）教学目的与要求1.认识和了解机器人直流电机的工作原理。2.学会编写机器人前进、后退和转弯的程序。3.学会编译、下载程序。4.以学生自学、合作学习的方式完成编写机器人行走程序。5.让学生学会观察、交流体会。6.培养学生的创造性思维能力、探索精神。7.让学生在解决问题的过程中体会成功的快乐。8.利用所学的机器人知识解决现实生活中的应用问题。课时安排建议安排1课时。教学重点与难点1.重点：机器人前进、后退、转弯程序。2.难点：机器人左右转弯，将程序写入机器人。教材分析与教法建议1教材的地位与作用本课是学生第一次学习通过编写程序控制机器人的动作，对后面的学习有着良好的引导作用。开始可以让学生回忆前面学习的机器人知识，然后引入到怎样让机器人动起来，指挥机器人完成指定的动作，引入本课的学习。也可以播放有关机器人比赛的录像，让学生欣赏，再引入本课的内容。本课重点让学生学会“直流电机”控件的编程，明白“正转”、“反转”、“停止”的含义，特别是设置延时时，要尽可能多些，便于学生在调试机器人时能准确观察到机器人的执行步骤。教材中给出了机器人右转弯的程序，让学生探究出让机器人左转弯的方法。在学生编好程序后，先编译然后打开机器人的电源进行下载，特别要注意与机器人的通信方式，是串口通信还是USB口通信。在调试的过程中，如果机器人没有按照程序去执行动作，请学生再次检查程序是否正确，并检查机器人各端口的连接线是否连接正确。2教学方法指导任务驱动法、自主探究法。参考资料直流电机是一种将电能转换为机械能的装置。直流电机有多种不同尺寸和配置。图1所示为一些常见的小型直流电机，它们非常适合用来控制小型移动机器人的前进、后退、转弯等动作。图1 几种DC电机的照片直流电机工作时需要给电机转子上的线圈通电。电流在线圈中流动便产生一个磁场，该磁场与线圈外固定的永久磁铁产生的磁场相斥。这两个磁场相互作用产生的力可推动电机转子转动。用于描述电机电源要求和电机性能的参数有很多。其中，最基本的一个就是他的工作电压（额定电压），该电压是驱动电机推荐使用的电压。当实际电压低于额定电压时，大多数电机仍可以正常工作，但输出功率要减小。另外，大多数厂家给出的电机额定电压都比较保守，所以当实际电压高于额定电压时，电机一般也可以正常工作，但通过这种方法获得输出功率增加是以牺牲电机寿命为代价的。电机的另一个性能参数是工作电流。电压恒定时，电机上的电流与它的输出功率成正比。当空载运行时，电机的电流最小；当负载增大到使电机堵转的程度时，电机上的电流最大，该电流被称为电机的堵转电流，它也是电机在额定电压下的最大工作电流。通过电机的电流越大，电机产生的转动力（或转矩）就越大，这是电机转子线圈与周围永久磁铁之间电磁场相互作用的直接结果。线圈中产生的磁场强度与通过它的电流大小成正比，而电机输出轴上的转矩与两个磁场的强度直接相关。评价电机性能的另一个参数是它的赌转转矩。这个转矩是指电机在额定电压下，被迫赌转时所产生的转矩大小，此时电机上的电流即为赌转电流。对小电机而言，转矩通常以盎司-英寸（1盎司=28.35克）为单位衡量（即距离电机转轴中心为一英寸的力臂上所产生的直线里大小）。电机所提供的功率大小等于输出轴的转速与力矩的乘积。当电机自由转动时（空载状态），输出轴转速最大，但转矩为零，此时电机不驱动任何机构，因此输出功率为零（实际上电机也会消耗一部分功率克服内部摩擦，但这种功率不产生任何输出作用）；当电机赌转时，输出最大的转矩，但转速为零，因此输出功率也等于零。在两种极限情况之间，输出功率与转速间呈一种抛物线的关系，如图2所示。在其正常工作范围的中部，电机产生的功率最大。图2 电机转速、转矩及输出功率之间的理想曲线图中实线表示电机转速与转矩的关系。在该直线的右侧，转速达到最大（100%），而转矩为零，这一点代表了电机空转，没有做任何有用功的情况。而在直线的左侧，转速为零，但转矩达到最大值，这一点代表了电机因负载太大而赌转的情况。图中虚线表示电机的功率输出，它等于电机转速与转矩的乘积。输出功率的最大值位于电机正常工作范围的中点，此时转速和转矩都不为零。附送：2019-2020年苏科版小学信息技术第18课 学生机器人跳舞教案（选修）教学目的与要求1.认识伺服电机，了解伺服电机的组成结构。2.了解伺服电机的工作原理。3.学会编写控制伺服电机的程序。4.以学生自主探究、合作学习为主，逐步培养学生的创造性思维能力、探索精神。5.让学生在解决问题的过程中体会成功的快乐。6.利用所学的机器人知识解决现实生活中的应用问题。课时安排建议安排1课时。教学重点与难点1.重点：学会编写控制伺服电机的程序。2.难点：计数循环控件的设置，学会编写控制伺服电机的程序。教材分析与教法建议1教材的地位与作用本课的重点是学习机器人的伺服电机的转角设置。可以先让学生观察伺服电机的物理结构，让学生了解伺服电机的工作原理，并比较与直流电机有什么不同之处。本课介绍了计数循环控件，教师要向学生讲解计数循环控件的作用，并提醒学生注意它有两个图标，中间的程序会按照计数循环控件设置的次数重复执行。伺服电机是按照角度进行旋转的，最大的值为180度。在新授内容之后，可以安排学生将前面所学的直流电机知识结合起来，让学生编写边行走边跳舞的机器人程序。2教学方法指导本课可以采用自主学习探究法、任务驱动法，强调学生的合作学习。参考资料伺服电机是一种能根据指令到达特定位置的专用电机。伺服电机由一个直流电机、一个齿轮减速单元、一个轴位置传感器和一套控制电机运转的电路组成。“伺服”一词本身是指系统自身调节其行为能力，也就是说，系统在响应控制信号时，能够检测自身位置并补偿外加的负载。 伺服电机伺服电机主要用在定位控制方面，因此它们输出轴的行程往往限制在180左右。伺服电机的输入信号是控制输出轴到达期望角位移的一串波形。伺服电路的功能是测量当前位置并确定它与期望位置的差异。如果有差异存在，伺服电路就会驱动伺服电机使输出轴达到期望位置。下图所示为伺服电机的工作原理。伺服电机工作原理图伺服电机接收一个代表输出轴期望位置的输入信号。伺服控制电路将输入信号与代表输出轴实际位置的反馈信号进行比较，并得到一个“误差”信号去控制电机驱动电路驱动电机。伺服电机上都有一个内置的齿轮减速器，它的输出才是电机的最终输出。位置传感器返回代表实际位置的反馈信号。伺服控制信号我们的伺服电机采用标准的三线接口，包括电源线、地线和控制线。控制线采用PWM机制对位置信号进行编码。伺服PWM不同于DC齿轮减速电机的速度控制PWM。在速度控制PWM方法中，占空比（即“ON时间”所占的百分比）决定了电机的速度。而在伺服PWM机制中，脉宽的宽度只代表一个特定的控制值。下图所示为三种控制伺服电机的PWM波形。波形宽度范围从920us到2120us不等。每种脉冲的时间宽度对应于伺服电机将要达到的特定角位移。例如，中间波形的脉冲宽度为1520us，它代表伺服电机行程范围的中间位置。伺服电机脉冲宽度定位波形正脉冲的宽度决定了伺服电机的期望位置。对于我们使用的伺服电机有效的脉冲宽度范围从920us到2120us，行程中间位置对应的脉冲宽度为1520us。