AI撿球機器人

章明干 浙江省臨海市大洋小學教育技術中心主任，臨海市優秀教師，臨海市小學信息技術學科帶頭人，臨海市教學能手。全國青少年創意編程與智能設計大賽優秀指導教師，全國中小學機器人教學暨創客教育展評活動優秀指導教師。輔導學生參加全國中小學生電腦制作等活動，7人分別獲全國一、二、三等獎，有20多篇文章發表在《無線電》《愛上機器人》等雜志。

教學背景

創客教育以項目式學習為主要學習方式，學習者通過項目式學習來完成學業，獲得知識與技能，同時獲得創新能力的培養。而項目設計的來源最好與學生密切相關，能解決學生學習、生活中遇到的一些實際問題，讓項目圍繞問題解決來實踐。學生在這個過程中學到的所有技能都會經過實踐內化為自己的能力。

本項目的主題是“AI撿球機器人”，作用是幫助人們撿拾掉落在地的乒乓球。項目的功能要求：一是可以通過遙控的方式控制機器人撿拾乒乓球，可以讓學員一邊玩一邊撿乒乓球，這樣不但能實現撿球的目的，也可以讓學員在休息的時候玩得盡興，勞逸結合;二是增加人工智能技術，讓撿球機器人能自動識別、追蹤、撿拾乒乓球，并增加自動避障功能，避免“撞墻”事件發生。

教學目標

知識與技能 了解麥克納姆輪的轉動方向與小車的運動方向之間的關系，掌握AI視覺傳感器的使用方法;學會利用Mind+軟件來編寫相應程序，控制撿球機器人。

過程與方法 通過小組合作的方式，運用以前學習的相關知識與技能，開展AI撿球機器人項目學習與探究。

情感態度與價值觀 通過項目的制作，感受智能控制在生活中的應用及對人類生活的影響，培養創新精神，提高探究欲望。

教學重點與難點

教學重點 AI視覺傳感器的使用，micro：bit主控板之間的通信，以及麥克納姆輪的轉動方向與小車的運動方向之間的關系。

教學難點 AI視覺傳感器的使用。

教學準備

micro：bit主控板2個，micro：bit電機驅動擴展板1個，AI視覺傳感器1個，超聲波傳感器1個，micro：bit GamePad遙控手柄1個，360度舵機1個，995舵機1個，TT電機4個，麥克納姆輪4個，杜邦線及附材、椴木板切割部件若干。

教學過程

一、項目導入

教師用PPT給學生展示一組乒乓球館中學員練球的圖片。

師：我國有許多人從小開始學習打乒乓球，而在學習打乒乓的過程中，為了節約時間，通常會準備較多數量的乒乓球，全部打落在地后，集中撿拾。通常情況下，散落各處的乒乓球需要人們彎腰一個一個地撿，或者使用簡單的撿拾工具，既浪費時間又消耗體力，有沒有更好的方法呢？

學生小組討論如何制作一臺自動撿球的機器人，它有哪些功能（控制方式、撿球方式等），并在紙上畫出草圖。

二、項目分析

確定項目主題后，請學生分解項目實施過程，主要從項目作品需要具備哪些功能、如何實現該功能、要用到什么材料、完成這些功能需要學習的知識和技能等方面進行分析。

教師再依據各小組的分析情況，總結歸納出學生普遍存在的問題，在項目具體實施過程中著重進行講解。

三、項目制作

師：項目作品的制作是核心環節。在制作過程中，我們會遇到一些平時沒學過的知識和技能，下面我們就一起來學習。

1.麥克納姆輪的轉動方向與小車的運動方向之間的關系

麥克納姆輪與普通輪子的區別在于麥克納姆輪旋轉時，由于存在斜向的從動輪，會同時產生一個斜向的力。我們控制輪子旋轉的速度與方向，將斜向的力增強或抵消，從而實現小車的全向移動，這樣就能完成橫移、斜方向移動等普通小車無法完成的高難度動作。輪子的轉動方向與小車的運動方向關系如圖1。

先把4個TT電機接在擴展板相應的位置，再把4個麥克納姆輪插在電機上，最后在Mind+軟件上編寫前進的程序。

上傳程序后進行測試，如果有輪子沒有向前轉動，不需要修改程序，只要把相應電機與擴展板連接的兩根線交換位置就可以。

2.micro：bit主控板之間的相互通信

要想利用micro：bit GamePad遙控手柄來控制機器人的行走，我們必須學會如何讓它們進行通信。micro：bit主控板自帶無線通信功能，編寫程序的時候，我們把它們的無線頻道設置成相同的頻道就可以通信。遙控器上micro：bit主控板的程序如圖2，當按下UP鍵（P8引腳）時，就會發送一個字符“8”;而當遙控端松開按鍵后，就會發送一個字符“5”。

機器人上的主控板接收到無線數據8時，就讓機器人前進;接收到無線數據5時，就讓機器人停止前進，程序如圖3。

3.AI視覺傳感器的使用

要想讓機器人自動識別、追蹤乒乓球，我們可以利用AI視覺傳感器來實現。首先讓AI視覺傳感器認識乒乓球，我們可以撥動AI視覺傳感器左上角的“功能鍵”，如圖4，把它切換到物體追蹤功能。再把乒乓球置于屏幕中間的黃色方框內，按住右上的“學習鍵”進行學習。在學習的過程中不停地移動AI視覺傳感器，從不同的角度和距離持續學習乒乓球，屏幕上的黃框會標注“學習中：ID1”，表示AI視覺傳感器一邊追蹤物體，一邊學習，這樣設置有助于提高物體追蹤的能力。松開“學習鍵”結束學習。

學習完成后，我們再把AI視覺傳感器接在擴展板上，并且編寫相應的程序上傳到micro：bit主控板，如圖5。

上面的程序是獲取乒乓球在屏中的坐標位置并利用串口打印出來。我們知道乒乓球的位置后，可以再根據它的位置讓機器人作相應的行走，以達到撿拾乒乓球的效果。

學生學習了相關的知識與技能后，再動手進行作品制作。制作過程中，教師進行有針對性的輔導。

四、交流分享

教師邀請各學生小組分別上臺介紹本組制作的作品，從作品的名稱、小組分工、作品功能、制作過程、作品演示、自我評價等方面進行介紹;然后由各組對作品進行評價，投票評選出優秀作品;最后由教師針對學生的項目制作過程和項目的完成情況進行點評，給出指導性的意見，把各組學生在制作過程中遇到的普遍問題整理歸納，著重進行講解，并根據已經完成的作品引導學生創新，培養學生獨立思考和勇于創新的意識。

教學反思

本項目以學生真實生活中遇到的問題為切入點，更容易讓學生接受，會使項目更有質感，學生依托所學的知識和技能解決生活中的實際問題，會更加主動地學習。在項目的實施過程中，學生不但掌握了micro：bit主控板間的通信、AI視覺傳感器物體追蹤等知識和技能，還為進一步學習人臉識別、物體識別、顏色識別、巡線、標簽識別等人工智能技術打下了基礎。除此之外，學生的創新能力以及實踐能力也充分得到了鍛煉。

（本課件由DF創客社區推薦）