智能机器人与传感器教学教案

《传感森技术与应用》

一、教案头

本次课标题：传感器导论

授课班

16电子信息3-1上课时间上课地点知行楼5-413

级

能力（技能）目标知识目标

教1、能在拆开的机器里找到传感器1、熟练掌握传感器的定义及特点；

学2、能描述传感器的基本功能及分类2、熟练掌握组成、分类及应用；

目3、能描述机器人里使用的传感器类型3、熟练掌握传感器标定定义及意义;

标4、了解人与机器人机能对应关系：

敏感

>元件=>

另一种非可用电信

被测量

电量号

能

力

训

练

任

务

及

案

例

参[11郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，ISBN：9787122283658,机器工业

考

出版社，2017

资

[2]贾海瀛，《传感器技术与应用》，ISBN：978780422658,高等教育出版社，2015年

料

09月

二、教学设计

步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配

1、介绍传感器的定义及特点；

2、介绍组成、分类及应用；

告知

3、介绍传感器标定定义及意

（教学内容、义；教师主讲多媒体听讲解3分钟

目的）

4、介绍人与机器人机能对应关

系；

本节课主要介绍传感器的基本

概念、分类以及标定等内容。

传感器种类繁多，课程采用机

器人为载体，将涉及到的传感

引入实际操作

器按人体感觉器官进行分类。教师主讲听讲解5分钟

（任务项目）演示

分类的目的是让具有同一属性

的传感器归为一类，易于学习

这•类型传感器工作原理以及

使用等。

1、机器里使用的传感器分析

操练2、传感器的基本功能及分类依

（掌握初步或据分析上机指导上机实操20分钟

基本能力）3、机器人里使用的传感器类型

介绍

由于整个课程设计是以多传感

器机器人为纽带，最后介绍人

深化

与机器人的对应关系。拿人为实际操作

（加深对基本教师主讲听讲解20分钟

类比,从整体上了解传感系统、演示

能力的体会）

CPU以及执行系统的协调工作

美系。

林林总总的传感器，其工作原

理都可以概括为：被测量今系

归纳统分可用的电信号。其中的系师生互动

讨论小组讨论10分钟

（知识和能力）统可以是纯粹电子系统，也可小组讨论

以是机器装置+电子系统等构

成。

训练

巩固根据各种传感器的输入输出特

实际操作

拓展性，讨论开发、测试时需要用教师主讲听讲解7分钟

演示

检验到什么仪器设备。

通过本课的学习，让学生了解

传感器的定义、构成、分类及

标定。并且从各行各业的应用

总结教师主讲课件演示听课10分钟

介绍中，让学生了解到传感器

就在我们身边（如智能穿戴）。

并且知道仿人类的机器人是如

何被设计出来的。

分组调研：例如汽车里面的传

感器；智能手表里面的传感器；说明作业

作业课件演示学生记录5分钟

自动罐头包装生产线里面传感要求

器：汽车生产线里面的传感器。

后记

2

《传感森技术与应用》

一、教案头

本次课标题：机器人项目背景介绍

授课班

16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5413

级

能力（技能）目标知识目标

教1、能自己动手搭建机器人；1、熟练掌握机器人发展史；

学2、能通过软件，设定各个关节舵机的转角；2、熟练掌握Robo-Soul机器人的硬件系统结构及装配；

目3、能让机器人按定义好的姿势动起来；3、熟练掌握如何通过PC软件让机器人摆个姿势；

标4、学会各模块的基本功能以及了解信号的来4、熟练掌握Robo-Soul机器人所有传感器模块及信号的

龙去脉传递

任务1:观看安装视频后，通过调节舵机的角度，尝试安装机器臂;

任务2：设计一套动作，定义产生这套动作的关键姿势并联机验证;

能

力

训

练

任

务

及

案

例

3

电脑操控界面

上位机调试动作—保存到控制板一►控制端配置控制命令（ok）

（上位机软件调试舵机）通过串口（串口线/蓝牙）PS2手柄按键或者手机APP

[I]DonalNorris,《RaspberryPiElectronicsProjectsfor(heEvilGenius》,ISBN:9781259640599,

参

McGraw-Hill,Sept.2013

考

[2]WarrenGray,^ExperimentingwithRaspberryPi》,ISBN:9781484207703,Apress,Berkeley,CA,2014

资

[3]RyanHeitz,《Hello,RaspberryPi》,ISBN:9781617292453,Manning,2016

料

【4】贾海瀛，《传感器技术与应用》，ISBN：9787040422658,高等教育出版社，2015年09月

[5]乐幻索尔机器人官网:/index.html

4

二、教学设计

步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配

1、介绍机器人发展史：示教再

现型、感觉型、智能型三个阶

段；

2、’介绍课程用到的Robo-Soul

告知机器人的硬件系统结构及装

（教学内容、教师主讲多媒体听讲解

配；5分钟

目的）

3、介绍如何通过PC软件让机

器人摆个姿势；

4、介绍Robo-Soul机器人所有

传感器模块及信号的传递

本节课介绍的多自由度、多传

感器智能机器人承担着学习并

应用多种传感器的载体作用。

这些传感器按照过机器人的

教师主讲

引入眼、耳、鼻、皮肤的触觉、较实际操作

及实物演听讲解5分钟

（任务项目）抽象的感知、还有超越人类这演示

示

六种类型进行分类。按照每种

类型的信号的获取并处理进行

讲解，最后进行数据融合的介

绍。

1、动手搭建机器人的某部分；

操练2、通过软件，设定各个关节舵

（掌握初步或机的转角，从而定义姿势；现场指导实际操作实操30分钟

基本能力）3、让机器人按定义好的姿势简

单动起来；

深化介绍线性插值的知识，让学生

实际操作

（加深对基本了解到为什么离散几个关键姿教师主讲听讲解10分钟

演示

能力的体会）势能让机器人动起来。

简单点的智能，例如通过摄像

头识别到一个人站在前面，机

器人能打招呼（前面定义的打

归纳师生互动

招呼动作）。复杂点的智能就是讨论小组讨论5分钟

（知识和能力）小组讨论

前面有个苹果在前面，机器人

识别后能通过机器手爪抓取

它。

训练设计一套较复杂的动作，如敬

巩固礼。定义产生这套动作的关键实际操作

学生上机实操20分钟

拓展姿势并联机验证动作的连续演示

检验性。

1

通过本节课的学习，让学生了

解到机器人的发展历史。并基

于乐幻索尔公司的一款机器

总结人，让学生具体了解机器人的教师主讲课件演示听课2分钟

安装，动作的定义等，为以后

使用传感器后获得的信息准备

好了机器人动作的响应。

课后调研：上淘宝或者乐幻索

尔机器人公司主页，调研一下说明作业

作业课件演示学生记录3分钟

除了人形机港人，还有什么类要求

似的机器人。

后记

2

《传感森技术与应用》

一、教案头

本次课标题：课程实验环境介绍-树莓派平台介绍

知行楼

授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点

5-413

能力（技能）目标知识目标

教I、能使用树莓派的GPIO口串口复用功能I、熟练掌握树莓派硬件资源

学2、能快速搭建硬件环境，将实验室及任务2、熟练掌握三种主流使用树莓派进行开发的方

目带到宿舍法：主机方式、远程登录方式或者通过串口登

标3、能初步使用wiringPi,通过命令行控制录

GPIO口3、熟练掌握GPIO口的功能描述及端口复用

4、学会使用putty软件进行连接4、熟练掌握使用wiringPi软件控制GPIO口

5、掌握putty界面的功能

任务1：将树莓派配置成为主机方式：连接电源（RPi）、显示器、键盘、鼠标以及网络;

任务2：将树莓派配置成为远程登录方式：只需连接网络即可通过PC机登录访问；

任务3：使用USB串口线连接GPIO复用串口（Pin8和PinlO）,登录树莓派;

任务4：使用USB串口线，通过PC发送消息至树莓派，树莓派接收并显示消息。

任务5：使用串口，通过PC发送“On/OfT至树莓派，树莓派点亮/关闭LED等

能

RaspberryPi2gpioHeader

力

BCMwPiNamePinPinNamewPiBCI

训3.3v0O5v

28SOMO05v

练

39SCL.looOv

任i1GPIO.70TxD1514

Ov0RxD1615

务170GPIO.0ooGPIO.1118

272GPIO.2uOv

及oo

223GPIO.3Oo16GPI0.4423

案3.3vo0GPIO.5524

1312MOSI♦Ov

例oo

913MISOo0GPIO.6625

11143CLKooCEO108

Ov00CE1117

)30SDA.0ooSCL.0311

521GPI0.2100Ov

路由器522GPIO.2200GPIO.262612

1323GPIO.23ooOv

1)24GPIO.2400GPIO.272716

2525CPIO.25ooGPIO.282820

Ov00GPIO.292921

[1]DonalNorris,《RaspberryPiElectronicsProjectsfortheEvilGcnius》,ISBN:9781259640599,

参McGraw-Hill,Sept.2013

考[2]WarrenGray,《ExperimentingwithRaspberryPi》,ISBN:9781484207703,Apress,Berkeley,

资CA,2014

料[3]RyanHeilz,《Hello,RaspberryPi»,ISBN:9781617292453,Manning,2016

[4]树莓派官网:/

[5]树莓派实验室：littp:///

3

二、教学设计

步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配

1、介绍树特派硬件资源

2、介绍三种主流使用树寿派进

行开发的方法：主机方式、远

程登录方式或者通过串口登录

告知教师主讲

3、介绍GPIO口的功能描述及

（教学内容、及实物演多媒体听讲解7分钟

端n复用

目的）示

4、介绍wiringPi软件控制GPIO

11

5、介绍PC机putty远程登录界

面的功能

传感器的输出信号需要用到一

个处理器接收，并处理、显示、、

传输这些信号和融合多路信

号。信用卡片大小的树莓派是

近几年国内外非常流行的嵌入

式系统设计使用的主控系统。

其GPIO口充当着可编程设置

的输入输出口。可以安装多种

引入Linux：Debian、RcdHat、RISC实际操作

教师主讲听讲解20分钟

（任务项目）0S＞甚至还可以安装专用的演示

ROS（RobotOperatingSystem）o

有着丰富的软、硬件的支持，

还有大量专著、杂志以及网络

资源可以参考。木课程使用此

硬件来充当智能机器人的

“脑”，并通过便利的I/O接口

连接各种机器人用到的传感

器。

演示使用puny软件进行三种连

操练接开发方式

（掌握初步或1.主机方式上机指导上机实操20分钟

基本能力）2.远程登录方式

3.通过串口登录

在学习了远程登录软件putty

深化

后，还可以学习一下Windows实际操作

（加深对基本教师主讲听讲解5分钟

与Linux文件共享传输管理软演示

能力的体会）

件，例如FileZilla。

通过学习上面三种连接方式，

归纳让学生总结出在不同的场合师生互动

讨论小组讨论10分钟

（知识和能力）（例如宿舍、家庭或者图书小组讨论

馆）,如何能够方便地使用树莓

1

派进行开发

在学会基本串口在树莓派以及

训练PC机通信的基础上，演示如何

固

巩

使用PC控制树莓派上的LED实际操作

展

拓教师主讲听讲解10分钟

演示

验

检灯的先灭。通过使用让学生初

步了解使用树每派进行使用的

基本硬件搭建。

掌握树莓派的硬件资源以及如

何使用这些费源。掌握PC机里

总结的一些常用软件的基本使用，教师主讲课件演示听课5分钟

例如putty的远程登录以及串□

通信。

课后调研：上网查找最新树莓说明作业

作业课件演示学生记录3分钟

派硬件的功能扩展要求

下载wiringPi

(1)gitclonegit:〃/wiringPi

(2)cdwiringPi

(3)gitpullorigin

安装

./build

后记测试安装是否成功

gpio-v

使用

gpiomode4output#把4号针脚设为输出模式或用gpiomode4out

2gpiowrite41#把4号针脚置为1

：gpiowrite40#把4号针脚置为0

gpiomode1pwm#把1号轩脚设为模式

gpiopwn1512#把1号针脚的输出调整到512（电压感半）

2

《传感森技术与应用》

一、教案头

本次课标题：Raspbian操作系统简介

知行楼

授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点

5-413

能力(技能)目标知识目标

教1、能使用基本的Linux命令1、熟练掌握Linux的历史以及树莓派Raspbian

学

2、会连接树莓派至因特网系统(debian)

目

3、会使用nan。编辑器编写脚本并存盘2、熟练掌握基本的Linux命令

标

4、会设置树莓派的状杰：例如开机后直接3、熟练掌握Raspbian网络设置，并连上Internet

进入图形界面等4、熟练掌握使用raspi-config命令设置树莓派

5、熟练掌握Linux下编辑器nano

任务1：学习使用Linux命令：Is,cd,mkdir,rm对当前路径进行列目录、进入子目录、建立

新目录以及删除文件目录等基本操作；

任务2：启动并使用编辑器nano,修改网络连接配置文件，让树建派上因特网；

任务3：使用apt-getupdat,或者apt-getupgrade进行树莓派的系统更新；

x1

:'PuTTYConfiguration

Kcgay

3SwiionoptiomforyaiPuTTY

一

Speoly!hedesinalionwantIoconnectS

训9Tecw^l

HostNeme|ocIPaddress)Port

Kejboatd

练Bel卜aoo.36II22

FeaKrci

任/■Sc-V-A.-dCl___Gezi

,Wrvlnw-non八</o-n—a

Appeaar>ce

务WVCorO

8ehdvx)u

Rd5pi-confiq

TramhijonSav$dSessona

及

Sefecbon

eipandvootf5ExpandrootpartitiontofillSOcard

案Colours(

bp<4i_r^d~I1overseaCtumq»overscan

0ComecbondegPC一---coaffigure_keybodrdSetkeyboardlayout

例Dau(Iwngep«ssChangepSMrnrdfor'pi*IMV

pcml7Ma,>(hdng«_locAleSotlocale

1Pl|Qelete|changetioezoneSettisezone

Tehee

pl"IO"______________________y~-J”》o，ysplitChangeap»orysplit

ishtnableordibble，5server

aSSHbootbHidviourStartdesktoponboot/

updateTrytoup9radrrMpi>conf1g

Sod

Oose岂n&wone»t:

OAKM邮ONever®。曲ondeerert

<Select>finish*

1婀]I妙][eg]

3

APPLICATIONS

HomeBr^wier

APPLICATIONFRAMEWORK

Nocifiomon

AcxrwtyMmfer

Master

Resource

PKkifeMimjerXMPPService

Mmijer

LIBRARIESANDROIDRUNTIME

SurfxeMiniverSQLiteCOFTUbnnes

Framework

OpenGLIESFrceTypcWebKit

SGISSLl»bc

LINUXKERNEL.

Bluetooth

CanxriDrrve*

Dover

rower

USBDoverWiFiDriw

KeypadDrrrerMmifemeix

【1】刘忆智，《Linux从入门到精通》，ISBN：9787302312727,清华大学出版社,2014年2

参月

考[2]WolframDonat,<Python树莓派编程》JSBN：9787111550303,机械工业出版莅,2016年

资11月

料[3]RyanHeitz,(Hello,RaspberryPi》,ISBN:978l6l7292453.Manning,2016

[4]树莓派官网：/

[5]树莓派实验室：hnp:〃/

4

二、教学设计

教学手学生活

步骤教学内容教学方法时间分配

段动

1、介绍Linux的历史以及树莓派

Raspbian系统（debian）

告知2、介绍基本的Linux命令使用

（教学内容、3、介绍Raspbian网络设置，并连上教师主讲多媒体听讲解5分钟

目的）Internet

4、介绍raspi-config命令设置树莓派

5^介绍Linux下编辑器nano

类似于智能机器人这样的应用型项

目，需要用到嵌入式操作系统Linux。

在多任务的Linux帮助下，机器人才

能在“看”的同时能“听''、感知周围

引入的事物变化，并反馈到CPU进行判

教师主讲多媒体听讲解5分钟

（任务项目）断处理。同时，Linux还提供了硬件

资源、软件资源的整合使用的一个平

台，让你使用•些简单易学的语言

（类似Python）就可以很好地控制此

嵌入式系统。

1.登录Raspbian,并使用基本命令1s,

cd,mkdir,rmc建立目录，进入目录，

操练列出里面的内容等；

（掌握初步或2.使用nano编辑python程序并存盘；上机指导上机实操25分钟

基本能力）列文件1s查看

3.使用apt-getupdat,或者apt-get

upgrade进行树银派的系统更新

在初步熟悉Linux操作后，介绍一下

深化

Linux系统的结构。让学生有更多的教师主讲实际操指导+

（加深对基本10分钟

了解平台是一个开发智能硬件上机指导

能力的体会）Linux作演示实操