《勇敢的消防员》参考教案

1/9勇敢的消防员

一、

教学目标

1、知识目标：

①了解机器人灭火任务。

②知道简单QBASIC的程序算法。

③掌握通过机器人识别白线、机器人检测火焰等方法灭火的方法。

2、能力目标：

①简易灭火机器人的搭建。

②火焰传感器的使用。

③教会机器人寻找火源完成简单灭火任务。

3、情感目标：

①培养学生的观察能力、动手能力、创造能力，养成良好的思维习惯。②通过对光学、计算机科学、机械原理以及美学等的综合运用，提高学生的综合运用。

③通过竞赛机制，提高学生的竞争和合作意识，锻炼学生比赛时的灵活性。

二、教学重点、难点

重点：灭火机器人的搭建。

①火焰传感器的使用；

②通过QBASIC的程序算法为机器人编写程序；③下载程序到你的机器人内存中，进行实际轨迹场地调试。

三、教学方法

以学生直接实践体验为主，辅以教师演示、启发、引导。

四、教学准备

纳英特机器人套装、电脑、网络教室，机器人调试场地或模拟平台环境。

五、教学过程

1、

引入：火灾是当今人类社会普遍关注的问题，它不仅威胁着人类的生命和财产安全，更影响到一个社会的稳定和发展。图12-1是我国研制的第一代灭火机器人。这类消防机器人适用于石油化工、油罐区、大型仓库等高温、强热辐射、易坍塌的危险场所，可避免人员伤亡。在这几课里，我们将利用教学机器人，模拟灭火过程。

图12-1我国第一代灭火机器人

2、新课：

灭火实验及场地简介

中小学机器人灭火实验是模拟现实家庭中机器人处理火警的过程，它要求制作一个由计算机程序控制的机器人，在一间模拟平面结构的房间里运动，找到一根代表房间里火灾点的正在燃烧的蜡烛并尽快将它扑灭。图12-2是机器人模拟灭火场地示意图(单位:cm)。

图12-2机器人模拟灭火场地示意图

图中红色为火焰，蓝色为家具，黄色为搜救对象所在位置。

3、简易灭火机器人的制作

为使问题简单化，我们假定一个简单任务：

任务1机器人从房间门口启动，对准火焰方向，直线前进，进入火焰前的警戒线，停止前进，扑灭火焰。

这个任务非常简单，对机器人的要求是当“看见”地面白线时，停止运动，开起风扇扑灭火焰。

为了让机器人能“看见”火焰前的白色警戒线，我们需要给机器人安装一个地面灰度传感器。安装方法如图12-3所示，先将灰度传感器的调节器固定在主机箱上，再用一根铜柱将灰度传感器的探头固定在机器人小车的前方，使探头距地面约1厘米，以提高检测的准确度。

灰度传感器可以用来检测物体表面的黑白程度，浅色物体灰度小，深色物体灰度大。对计算机来说灰度从0开始到255，一共为分256个等级。机器人把灰度小于125的物体认作白色（浅色）物体，灰度大于125的物体认作黑色（深色）物体。

图12-3地面灰度传感器的安装

运行图12-4的程序可以显示被测物体的灰度：

图12-4测物体的灰度

程序说明：程序中使用了赋值语句i=analog(2)，功能将2号模拟传感器的返回值，赋给变量i；print是显示语句，显示语句可以显示字符串和变量的值，如print"analog(2)="显示字符串analog(2)=，而printI则是显示变量I的值。注意要显示的字符串必须用引号引起来。

请将图12-4所示的程序下载到机器人内存中，检测实际场地黑色区域和白线的灰度，并记录下来。

在模拟机器人灭火任务中，最安全、方便的灭火方式是给机器人安装一个电风扇，虽然在实际消防灭火中，这种方式不可取。如图12-5所示，我们把带动风扇转动的马达接在马达端口2上，一台简易的灭火机器人就安装安成了。

图12-5简易灭火机器人

根据任务分析和机器人的搭建编写程序如下：

图12-6简易机器人灭火程序

这里需注意的是程序中马达和灰度传感器的端口必须与机器人搭建一致。也就是说，假定你的灰度传感器安装在模拟端口2的，程序中的函数analog(2)的端口号也必须是2。这里的程序中假定警戒线（白钱）的灰度小于125，在你的程序中，应以实际检测为准。

事实上程序12-6永远没有结束，只是因为灰度传感器检测到白线后，关闭了所有马达，所以机器人停下来了。这样的程序结构叫“死循环”，一般在编写程序时应尽量避免“死循环”，之所以这样编写是因为在纳英特机器人操作系统的QBASIC子系统中，没有程序结束语句。

你能根据图12-6的程序画出机器人灭火的程序流程图吗？

将图12-6所示的程序下载到你的机器人内存中，到实际场地试运行，观察机器人能否扑灭火焰。

4、使用火焰传感器寻找火源灭火

程序12-6是机器人判断是否到达火源警戒线，从而决策是否停止并开启风扇灭火。这样的算法有一个明显的问题就是如果机器人经过门口的白线，也会停下来，并打开风扇。

事实上，燃烧的物体会产生较强的红外线，根据这一点，科学家用红外敏感型元件，做成了专门检测红外信号强度的传感器，这种传感器对火焰产生的红外线特别敏感，所以把它叫做火焰传感器。火焰传感器与灰度传感器一样也是模拟传感器，我们可以用函数analog(端口号)来读取火焰传感器的检测值。

能寻找火源的机器人的搭建

按照如图12-7所示的方法，把火焰传感器的探头安装在机器人的头顶，并将连接线接在机器人主机的模拟端口3，它就变成了一个能寻找火源的机器人了。

图12-7能寻找火源的机器人

教会机器人寻找火源

有了火焰传感器的机器人，自己并不会识别火源。换句话说，置身烈火的机器人并不知道危险就要来临。

让我们来告诉机器人火源在哪里吧。

实验：

下面的程序能显示火焰值（假定火焰传感器安装在模拟端口3），请你把它输入并下载到机器人内存中；

图12-8显示火焰值

测试机器人离火焰的距离与火焰值的关系：机器人离火焰的距离（单位：厘米）火焰值10320430640650780910022

结论：。

测试火焰传感器探头方向与火焰值的关系：火焰传感器探头方向火焰值探头正对火焰（夹角为00）偏左150偏右150偏左300偏右300偏左450偏右450偏左600偏右600偏左900偏右900探头背离火焰（夹角为1800）结论：。

你认为当火焰值小于时，必须灭火。

实验可见：正对火焰，距离火焰越近，火焰值越小；反之，背离火焰，距离火焰越远，火焰值越大。我们可以形象地理解为，火焰值表示了火焰传感器探头距火焰的距离。

对计算机来说火焰值从0开始到255，一共为分256个等级，当距离火焰无穷远（无火焰）时，火焰值为255；有火焰时火焰值在200-230之间，如果火焰值小于6，则表明火焰非常强了。

寻找火源灭火的两个任务

任务2机器人从房间门口启动，对准火焰方向，直线前进，看到火焰，停止前进，扑灭火焰。

任务分析：本任务与任务1算法一样，只是开起灭火风扇的条件不同，任务一是机器人通过灰度传感器“看到”白色警戒线；而这个任务是机器人通过火焰传感器“看到”火焰。

程序：

图12-9火焰传感器“看到”火焰灭火程序

本程序中，看到火焰的条件是“analog(3)<6”，实际中有可能机器人“看到”火焰了，但风扇的风力不够，机器人同样不能完成任务。调试机器人时，请同学根据风扇的风力修改条件。

根据模拟机器人灭火规则，机器人在扑灭火焰之前必须有一部分在火焰前白色圆弧内。

任务3机器人从房间门口启动，对准火焰方向，直线前进，看到火焰，并部分进入白色警戒线内，停止前进，扑灭火焰。

任务分析：本任务开启风扇的条件是机器人看见火焰（analog(3)<6），同时机器人部分进入白色警戒线内（analog(3)<150）

程序：

验证

图12-10机器人看到火焰并进入白色警戒线灭火程序

任何