川教版初中九年级下册《信息技术》全套教学课件

初中《信息科技》川教版九年级下册

目录第一单元认识未来城市中的机器人第1节再识机器人第2节安防机器人的方案设计第3节安防机器人的制作实践第二单元探索未来城市中的机器人第1节城市建设机器人第2节安全消防机器人第3节跌倒救助机器人第三单元综合应用第1节确定项目规划机器人方案第2节实践操作实施机器人项目第3节评价交流展示机器人成果九年级下册再识机器人

随着科技的不断发展，机器人已融入我们的工作与生活，成为人类的得力助手。为适应时代发展，提升信息素养，让我们开启机器人的学习之旅。

通过本单元的学习，我们将了解机器人的基础知识，掌握Mixly编程工具和ArduinoUNO开发板的基本应用，了解设计与制作中小学教育机器人的一般过程。

新学期伊始，学校组织同学们到科技馆参观学习。科技馆里“未来城市”主题厅吸引了大家的注意，在城市服务、城市管理以及生产生活等场景中都有机器人的身影。

机器人对我们来说并不陌生，它是靠自身动力和自我控制能力来实现指定功能的一种机器装置，由控制、传感和机械三大部分组成。

机器人通过控制部分接收传感部分反馈的信息，指挥机械部分完成相应动作，实现指定功能。技能学习，试一试人工智能时代已经来临！同学们，你准备好了吗?（一）机器人的控制部分1、机器人的控制部分

每台机器人都有控制部分，该部分一般由控制系统和人机交互系统组成，它好比人的大脑及神经系统，控制和协调传感系统与驱动系统。1、机器人的控制部分

控制系统由控制芯片及外围电路组成。控制器接收到信息，经过运算转化为指令，驱使机器人完成指定任务和动作。目前，常见中小学教育机器人控制系统的开发平台有Arduino系列开发板、51单片机开发板等。

常见中小学教育机器人控制系统的开发平台

常见中小学教育机器人控制系统的开发平台

人机交互系统主要通过控制程序来实现，常见中小学机器人编程程序语言有C、Java、Python等，为了简便、快捷地实现编程，也可以使用图形化编程工具，通过拖拽不同功能图形模块，以搭积木的方式完成程序的编写。

常见的图形化编程工具任务一：请说说你知道的编程工具的名称及其特点。（二）机器人的传感部分

机器人的传感部分一般由感知系统与“机器人一环境”交互系统组成，主要是为了感知自身状态或获取外部特定信息，为控制部分提供运算、判断的数据。2、机器人的传感部分

感知系统是由对图像、光线、声音、压力、气味等信号敏感的传感器为核心部件所组成的，好比人的感觉器官，如眼、耳、鼻、皮肤等，根据收集信息来源的不同，可分为内部传感器模块与外部传感器模块。2、机器人的传感部分

机器人除了自主运行外，还需要与外部环境中的设备相互联系和协调，例如多台机器人协同完成一项复杂任务。因此，机器人也需要“机器人一环境”交互系统。

随着传感器精密度和智能化的提升，机器人的机动性、适应性和智能化水准得到相应的提升，机器人的服务领域也极大地丰富了起来。

传感器的应用领域

任务二：通过多种途径，了解一种传感器的工作原理。

大多数机器人的“身体”可以移动，不过它们的“脚”有的是轮子有的是履带，还有的是螺旋染；而“手臂”则是由一个或多个“关节”组成，这些装置构成了机器人的机械系统。驱动机械系统里各运动部件工作的装置叫驱动装置，如电动机、气缸等，它们的工作好比人体手臂上的肌肉的收缩与舒张，机械系统与驱动系统共同组成了机器人的机械部分。3、机器人的机械部分

常见教育机器人的机械部分

常见教育机器人的机械部分

除了以上系统外，随着机器人技术的发展，还附加了一些人机交互装置，如触摸屏可展示信息或通过人的触碰实现信息交互；发光二极管的亮与灭指示机器运行的状态等等。技能学习，试一试

通过多种途径，了解机器人驱动装置通过哪些结构将力传递给运动装置。任务三下课啦！安防机器人的方案设计九年级下册

城市安防机器人不间断巡逻在未来城市的道路上，其因“定线”与“不定向”相结合的巡逻特点，具有更好的机动性和安全性。安防机器人是如何按照管理员设定的路线做“定线巡逻”的，又是如何实现“不定向巡逻”的？

为了探究城市安防机器人“定线不定向”的工作方式，欢欢小组提出利用交叉路口的多向性，实现〝不定向〞巡逻的方案，利用中小学教育机器人的开发软件与硬件，设计并制作一台机器人小车，以模拟安防机器人的巡逻场景，如图1-2-1所示。（一）、分析项目

为此，欢欢小组需要完成以下两项任务：

一是选择和使用传感器，循着黑线做“定线”巡逻，以及机器人遇到路口的不同情形时，作出“不定向”选择；二是选择和使用传感器，检测障碍物，并发出警示。任务一

观察巡逻路线，有多少种交叉路口？每一种交叉路口，机器人小车有多少路线可以选择？

为了实现巡逻功能，欢欢小组确定了由两个电机作为驱动的四轮机器人小车方案，并通过橡皮筋实现前后轮同步运转，如图1-2-2所示。1、确定机器人小车的外形及驱动方案（二）、确定方案

欢欢确定在城市安防机器人小车前端，安装3组红外循迹传感器，作为“眼睛”。通过红外循迹传感器检测场地上黑色线条，来判断机器人小车是否偏离路线或是否需要转向，方案如图1-2-3所示。2、确定“定线”方案任务二

当只有中间的红外循迹传感器检测到黑线时，机器人小车保持直线行驶，其他情况表明机器人小车发生偏离，需要调整方向，据此，完成表1-2-1。

城市安防机器人小车在循迹运行过程中，会遇到不同的路口，可以利用交叉路口的多向性，随机选择方向，实现“不定向巡逻”，欢欢小组对交叉路口进行了分类，提出了相应的解决方案，如图1-2-4所示。3、确定“不定向”方案01通过传感器循着黑线行驶。02遇到“

”形路口时，循着黑线转弯方向转弯行驶。03遇到“

”形路口时，随机选择左转或右转行驶。04遇到“

”形路口时，随机选择直行、左转或右转行驶。思考：机器人小车如何利用3组红外循迹传感器区分不同路口？01路线（黑线）任意位置放置16×16×16cm3方块模拟“障碍物”。02机器人小车通过传感器检测到前方有障碍物时，自动停车。03通过不断闪烁警示“LED灯”，提示工作人员，直到障碍物被移除。4、确定遇障碍时的警示方案1、编程工具的选择（三）、技术选型

Mixly（米思齐）是一款中小学教育机器人常用的图形化编程软件，支持Arduino,MieroPython，Python等编程语言。我们可以通过拼接图形化代码模块的方式来编写程序。

控制器选择中小学教育机器人常用的ArduinoUNo开发板（本教材统称Arduino控制器），上面搭载了包含14个输人/输出数字信号、6个模拟信号输人、电源输人、USB连接等用于开发的端口或接口，如图1-2-6所示。2、控制器的选择

（1）红外循迹传感器

红外循迹传感器是集红外发射和红外接收于一体的红外传感器，发射出的红外光遇到不同颜色的物体时，会不同程度地被吸收。当低于接收域值时，就输出高电平，反之则输出低电平，其工作原理如图1-2-7所示。3、传感器的选择

（2）超声波传感器

超声波传感器一般有两个探头，一个是超声波发射端，一个是超声波接收端。其工作原理是利用超声波碰到障碍物会产生显著的反射，形成反射回波，通过公式s=(340x0/2计算出与反射面之间的距离。其工作原理如图1-2-8所示。

（2）超声波传感器

超声波传感器有一个有效范围。以HC-SR04超声波传感模块为例，其探测距离在2~45cm之间。4、器材清单4、器材清单

在使用Arduino控制器之前，需要搭建编程环境，具体操作如下。1、用USB数据线将Arduino控制器与安装好Mixly编程工具的电脑连接，电源指示灯长亮，表明Arduino控制器与电脑连接正常。、2、打开Mixly编程工具，查看是否自动识别了Arduino控制器，如图1-2-9所示。（四）、编程环境的搭建3、通过小实验检验环境搭建是否成功。

编写一段程序，如图1-2-10所示，上传到Arduino控制器，如果控制器上的LED小灯间隔1s闪烁，表示编程环境搭建成功。任务三

试运用Mixly编程工具与Arduino控制器，完成在串口监视上显示“你好！我是城市守卫机器人！”的任务。下课啦！安防机器人的制作实践九年级下

1、确立搭建要求（一）、搭建机器人小车

根据现有条件确定机器人小车的设计要求，如：（1）由于电机功率所限，小车自重不宜过重。（2）小车车架要预留传感器等功能单元的安装位置。（3）要保证小车运行过程中各零部件不脱落、不相互干扰。

按设计要求，结合技术选型，完成城市安防机器人小车的设计，包括确定机械结构、电机固定、传动方式、传感器以及Arduino控制器和电机驱动模块等的安装位置，并完成搭建，如图1-3-1所示。2、搭建机器人小车任务一

请根据实情，设计并搭建机器人小车。

接线也称排线、布线，是用不同颜色的导线（杜邦线）按要求将各传感器、电机、电源等功能单元与控制器相连。3、系统接线

（1）接入传感系统

参照表1-3-1传感器与控制器端口的对应关系，完成传感器的接线，如图13-2所示。

参照表1-3-2驱动模块与控制器端口的对应关系，完成电机驱动及电机的接线，如图1-3-3所示。（2）电机驱动及电机的接线

1、红外循迹传感器工作调试（二）、功能调试

通过“串口监视器〞调试红外循迹传感器的感应距离。（1）选择“

”模块中的“打印（自动换行）〞等子模块。（2）选择“

”，模块中的数字输人“

”子模块，选择好管脚，其程序示例如图1-3-4所示。

将Arduino控制器与电脑用USB线连接，检查控制器型号和对应的串口号，上传调试程序。

将机器人小车放在规划有黑线的场地上，通过“串口监视器”的数据调整红外循迹传感器与场地地面的距离，如图1-3-5所示。任务二

请完成自己的机器人小车红外循迹模块的调试，并观察红外循迹传感器检测到黑线时，返回

（“1”或“0”）。任务三

改变“

”的文本模块中空格的多少，观察串口监视窗口的显示。

通过“串口监视器〞观察超声波传感器的检测距离数据是否正常，其程序和检测数据示例如图1-3-6所示。2、超声波传威器工作调试

机器人小车通过1298N电机驱动模块驱动控制两个直流电机，由于直流电机存在顺时针或逆时针转动的可能，因此在编写程序前，应调试好左右电机的转动方向，可以通过编程来调整电机的转动方向，以保证机器人小车的直行、转弯、停止等动作能顺利完成，其基础程序示例如图1-3-7所示。3、电机工作调试任务四

根据表1-3-3中所列电机调试程序与机器人小车的运动方向的对应关系，完成其他程序的分析。

1、绘制流程图（三）、程序设计

为了理清编程思路，可以采用先总后分的编程模式，先思考总体方案，再分子项目解决方案。图1-3-9是城市安防机器人小车“定线不定向”巡逻工作流程图。

机器人小车在沿直线或弧线运动过程中，可能会偏离黑线，如图1-3-10所示是三种不同情形的分析。（2）循迹流程图

根据分析，设计机器人小车循迹工作流程图，如图1-3-11所示。任务五

先声明一个标志变量，并賦予其一定的初始值，用于标志小车“脱线”偏转状态。当小车发生偏转时，标志变量在初始值基础上增加或减少一定值，从而完成小车“脱线”前偏转状态的“记录”，据此，完善图1-3-13的流程图。

机器人小车行驶会遇到“

”形、“

”形或“

”形路口，如图1-3-14所示。（3）不同类型路口检测编程流程图

小车经过不同类型路口时，多个红外循迹传感器可能会检测到相同的值。例如，如图1-3-15所示，在情况I中，右、中传感器同时检测到黑线时，可能是“

”形路口，或是“

”形路口；而在情况2中，左、中、右传感器均检测到黑线时。可能是“

”形路口，或是“

”形路口。因此，要对遇到不同路口时得到同一检测值的情况加以判断。

如果小车继续直行（如图1-3-16），就能判断路口的类型。据此，“

”形路口与“

”形路口为例设计了如图1-3-17所示的工作流程图。任务六

请设计机器人小车遇到如图1-3-18所示的任一类型路口时的判断流程图。2、根据流程图编写程序

（1）设计并声明相关变量

程序的编写会用到变量，需要在用之前进行声明，如图1-3-19所示。

拖动“执行模块〞中电机控制模块，通过选择左右电机控制管脚号及运转速度，编写小车不同运动模式（直行、右转、左转、快速右转、快速左转、停止）的子程序，如图1-3-20所示。（2）直流电机运行模块函数任务七

请根据图1-3-20程序示例，完成机器人小车左转、快速左转、后退等行驶状态的子模块函数的编写。

当超声波传感器检测到障碍物与小车的距离小于等于30en时，小车停止，LED开始间隔0.5s闪烁，其程序示例如图1-3-21所示。（3）遇障碍提示程序

【直行】当只有中间红外循迹传感器检测到黑线时，小车直行，其程序示例如图1-3-22所示。（4）逻辑判断

【快速右转】当小车向左脱线，需要小车快速右转回到黑线上时，其程序示例如图1-3-24所示。

【右转】当小车向左偏离时，右侧红外循迹传感器会检测到黑线，小车需要右转。但为了预防小车向左偏离过快而三组红外循迹传感器均未检测到黑线的情況发生，这时，设定“脱线变量〞递增。同理，若小车向右脱离黑线，“脱线变量”递减，其程序示例如图1-3-23所示。（4）逻辑判断任务八

请根据流程图完成小车向右偏离、向右脱线的逻辑判断程序的编写。

【“

”形或“

”形路口的判断】当中间红外循迹传感器与右侧红外循迹传感器同时检测到黑线时，可视为小车遇到了“

”形路口或“

”形路口，其判断语句示例如图1-3-25所示。

结合如图1-3-17所示的流程图，当机器人小车行驶至“

”形或“

”形路口时的控制程序编写如1-3-26所示。

【“

”形或“

”形路口的判断】当三个红外循迹传感器均检测到黑线时，可能是遇到“

”形路口，也可能是遇到“

”形路口，需要小车再向前直行0.1s，然后再次判断，其程序示例如图1-3-27所示。

当只有中间红外循迹传感器检测到黑线时，则判断为“

”形路口。此时，小车后退0.1s，并生成了个随机数，以确定小车的运动方向，其程序示例如图1-3-28所示。

当三个红外循迹传感器都没有检测到黑线时，则判断为“

”形路口。此时，小车后退0.1s，并生成2个随机数，以确定小车是向左还是向右转，其程序示例如图1-3-29所示。任务九

根据设计，将各功能子程序模块整合，实现机器人小车“定线不定向”巡逻的功能。

检查各条命令是否完整，函数、变量等命名是否符合要求，通过“编译”检查是否成功。（四)、编译上传、调校参数

通过USB数据线将Arduino控制器连接电脑，选择对应的板卡和串口端口上传控制程序。通过校准红外循迹传感器检测距离和左右电机速度参数，完成机器人小车的调校。记录机器人小车的运动情况，完成程序中各参数的调整，以实现城市安防机器人小车“定线不定向”巡逻的主要功能。下课啦！城市建设机器人九年级下

在前一单元的学习中，我们已经认识了机器人，知道了机器人的强大能力。机器人具备智能、高效的特性，能更好地建设城市，服务人类，是未来城市的组成部分。本单元我们将以案例的形式进一步探索机器人在未来城市多场景下的应用，从而更深入地理解它。

欢欢和同学对“末来城市”主题厅进行了深入探索，主题厅里展示了各式各样的机器人，这些机器人建设着城市，保护着城市，关爱着城市里的每个人。

自动化是指机器或装置在无人千预的情况下，按预定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。在生产和生活中，你见过哪些机械自动化的案例？（一）、项目分析，方案确定

1.需求分析

通过对未来城市建设机器人的深人了解、分析，欢欢组也想制作一个机械臂，以实现简单搬运物品的功能，即将机械臂右侧的物体夹持后，移动到机械臂的左侧，如图2-1-3所示。

（1）机械臂结构机械臂根据结构形式的不同分为多关节机械臂、直角坐标系机械臂、极坐标机械臂、柱坐标机械臂等。图2-1-4为常见的机械臂结构示意图。2.技术选型

（2）驱动机构舵机可以作为机械臂的驱动机构，是一种位置（角度）伺服的驱动器，用于需要角度不断变化并保持相应位置（角度）的控制系统。在飞机模型、潜艇模型、遥控机器人等模型中应用普遍。2.技术选型

舵机主要是由外壳、电路板、马达、齿轮与位置检测器构成，转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号控制的，其转角范围为10~1800。因为要使用PWM信息控制转动角度，所以在接线时舵机的引脚只能接Arduino上带“~”标志的3、5、6910、11号端口。

在你见到的机械臂中，除了使用舵机驱动外还有其他驱动结构吗？说说它们的使用场合。3.方案确定

在了解机械臂的相关知识后，按设计目标制作一个简易的三自由度机械臂，确定的方案如下。（二）、系统搭建，功能实现

1.结构构建

机械臂的结构可以选用亚克力板为材料，借助CAD设计图和激光切割机制作实现。

三自由度机械臂主要由机械爪、前摆臂、后摆臂和底部转盘构成，由四个舵机控制。夹持舵机控制机械爪的开合；左侧舵机控制前摆臂的摆动，主要影响机械爪的前后移动；右侧舵机控制后摆臂的摆动，主要影响机械爪的上下移动：底盘舵机控制底部转盘的转动，影响机械爪水平方向的转动。2.系统接线

根据结构构建，设计出电路连接图，如图2-1-10所示。将舵机与Arduino控制器连接好，并记好器件针脚对应表，如表2-1-2所示。3.程序编写与角度调试

在Mixly里面，舵机控制模块有两个控制参数，分别是转动的角度和延时时间。

掌握了舵机的使用方法后，对机械臂各个“关节”转动的角度进行调试和校对。图2-1-12以夹持动作闭合为80°、放开为160°作为转角范围举例，设计机械臂的夹持动作函数。任务一

请将机械臂舵机转角的范国调试出来，填写在表2-1-13中。4.功能实现

在搭建好机械臂的结构和调试完舵机的转角范围后，根据图2-1-13的任务模型，设计程序，完成搬运任务。任务二

请完善如图2-1-13所示的流程图，编写程序，调试机械臂以完成任务。（三）、功能丰富与改进

1.使用电位器控制机械臂

电位器是阻值随电刷滑动变化的电阻，通常由三个引脚、电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与电刷的位移量成一定关系的电阻值或电压。

欢欢他们用程序完成了抓取物品的任务，伹机械臂只能按既定程序重复执行一个动作。在此基础上，欢欢组进一步研究使用信号输人器件控制机械臂运动。

电位器的输人值可以作为舵机转动角度的依据，如图2-1-15所示选用一个电位器来控制机械臂底部转盘的运动。机械臂其余部件的控制方法与之类似。

Arduino通过模拟端口（A0至A5）读人电位器的模拟数值，读取的模拟数值的取值范围为0~1023。

因为电位器输人的数值范围为0~1023，而舵机转动的角度范围为0°~180°，所以用电位器控制能机转动时，需要使用map()映射两数，将读取的电位器的值映射为舵机转动的角度范围。任务三

请你根据图2-1-17的程序示例，增加3个电位器，以操控机械臂的另外3个舵机。2.使用其他器件控制机械臂任务三

请使用其他控制器件（如双轴按键摇杆）替换电位器，以更加灵活地控制机械臂。下课啦！安全消防机器人九年级下机器人可以替代或辅助人类在特殊岗位从事危险度高、工艺复杂的活动。如在极端环境、自然灾害、火灾、危化品爆炸、核泄漏等安全事件中，机器人可以进人危险环境，凭借远程通信、定位、防爆、防水、防病毒以及人工智能等功能，实现安全作业，最大限度地保障人员及财产安全。思考

请说说在城市生活中，存在哪些安全问题，面对这些问题，你有解决的思路吗？

1、需求分析（一）、项目分析，方案确定

欢欢组在进一步探索末来城市时，发现消防机器人功能强大。于是，通过对未来城市消防员的了解与学习，他们准备着手搭建一个城市消防员——消防机器人。

通过老师的讲解和查阅材料，欢欢组了解到可以使用火烙传感器检测火源是否存在，使用超声波测距模块检测障碍物的距离。2.技术选型

火焰传感器是利用火焰发出特定波长的红外线（波长760~1100nm）来检测光源的传感器。它把火焰的亮度转化为高低变化的电乎信号输人到控制器里，控制器根据信号的变化做出相应的程序处理。

根据器材的基本特性，可以把消防机器人模型分成控制器、检测装置、运动装置和灭火装置四个部分。3.功能分析

为了模拟消防机器人检测火源和灭火的过程，建立问题模型：在一定空间里寻找火源，并用风扇吹灭火源。4.问题建模5.方案确定（二）、系统搭建，功能实现

1、结构搭建

根据设计方案，搭建消防机器人的基础结构，并安装好火焰传感器、超声波测距模块、电机驱动模块等。

基于消防机器人的基本结构，设计电路连接图（如图2-2-7所示）将Arduino控制器与运动装置、检测装置、灭火装貴连接好，并记录好器件针脚对应表，如表2-2-2所示。2.系统接线3.程序编写

在设计较复杂的程序时，程序员往往会将一个复杂的程序按照功能划分为若干个小的程序模块。每个小的程序模块实现一个确定的功能，并在这些模块之间建立必要的联系。通过模块的互相协作完成整个功能，这种程序设计的方式称为模块化的程序设计。

问题模型中，消防机器人在一个封闭的空间内运动，消防机器人行进的动作分为直行、后退、左转、右转和停止。应用模块化的编程思想，编写子模块函数。（1）消防机器人避障

超声波测距模块用于检测障碍物与消防机器人的距离，在调试时可以使用串口打印功能测试超声波测距模块的运行情况，如图2-2-9所示。任务一

请设计实验，检测超声波测距模块的灵敏度，以及它在不同场景和障碍物存在的情况下测量距离的精度情況。

在能正确检测障碍物的距离后，欢欢他们就开始着手设计机器人小车的避障功能，下面是一种简单的避障算法，如图2-2-10所示。

小提示：障碍物距离参数和后退、左转的时间参数需要根据电机和环境情況反复调试与优化。任务二

你认为上面的避障算法有需要政进的地方吗？请根据设计的算法画出相应的流程图，并编写程序上传到消防机器人以验证算法的正确性与避障效率。

灭火动作由风扇吹灭火焰来模拟，可以将灭火动作设计为启动电机带动风扇灭火和停止风扇灭火两个函数。（2）消防机器人灭火

火源用火焰传感器检测：火焰传感器DO针脚输出为数宇信号，信号为“0”时表示检测到火焰，为“I〞时表示未检测到火焰。那么火源的检测及灭火动作的程序如图2-2-13。

图2-2-13中的程序使用了循环语句和条件语句，当检测到火源时（8号管脚读人的数值为“”时）则循环执行“outFire”函数，直到没有检测到火源时（8号管脚读人的数值为“1”时）则执行“stopOutFire”函数。

在前面程序模块设计和实验调试之后，将消防机器人按原先设计的算法流程图（如表2-2-1中所示）进行整合。（3）程序整合

（三）、程序调试、实验优化

将程序上传至Arduino控制器，并将消防机器人放在实际模拟场景中，记录实验结果，实现消防机器人的主要功能。任务三

通过实践，观察消防机器人是否存在问题，记录遇到的问题，并提出解决方案。下课啦！跌倒救助机器人九年级下

欢欢组来到了城市护卫主题展厅进行探索，看到了很多种陪伴机器人。未来人们真的需要这些机器人吗？

我们可以设计一个机器人来解决这个问题：准确、快速地检测老年人跌倒的发生并及时予以救助，以降低跌倒对老年人造成的伤害。

当前，很多国家都面临人口老龄化的问题，老龄人口不断增加。而很多老年人都有跌倒的经历，据统计跌倒是造成伤害死亡的第四大因素，在65岁以上的老年人中则为首要因素。造成死亡的主要原因是老年人在跌倒后没有及时得到救治，耽误了最佳抢救时间。

1.项目分析（一）、项目分析，方案确定

本项目研究的问题是检测跌倒的发生，并在人跌倒后及时发出告警信号并及时救助。那么，如何检测到跌倒的发生呢？

（1）跌倒检测

分析后发现，人的跌倒是一个复杂的运动过程，且速度会发生快速变化。在运动学中，描述速度改变快慢的物理量称为加速度；重力对自由下落的物体产生的加速度，称为重力加速度。人在跌倒时，在竖直方向受重力影响，其加速度会发生变化，可以通过检测加速度的突变来检测跌倒事件的发生。

思考：请和小组同学们一起分析，人的跌倒是怎样的运动过程，在跌倒过程中还有哪些物理量发生了变化？

为了监测跌倒情况的发生，可以将跌倒检测设备穿戴在人体上。当人体跌倒时，发出告警声音提醒周围人群及时救助。还可以通过无线通信方式发出求救信号，等待机器人救助。所以可以将跌倒救助机器人分成两个部分。（2）功能分析

用加速度传感器检测跌倒事件的发生，用蜂鸣器发出告警声音，用蓝牙模块传输告警信号。2.技术选型3.方案确定（二）、系统搭建，功能实现

1.结构搭建

根据设计方案穿戴端主要组成有Arduino控制器、MPU6050模块蜂鸣器、蓝牙模块和背带。为便于封装和穿戴，可以使用Arduino扩展板进行器件集成。

基于跌倒救助机器人的基本结构和模块的使用方法，将Arduino控制器与MPU6050模块、蓝牙模块和蜂鸣器模块进行系统接线，如图2-3-4所示。器件的针脚对应表，如表2-3-3所示。2.系统接线3.程序编写

（1）数据分析

穿戴端的主要功能是检测跌倒事件的发生，可以利用MPU6050模块获取加速度的突然变化来检测跌倒。MPU6050模块可以获取三维空间中X、Y、Z三个轴向的加速度值，MPU6050的程序模块在“传感器”分组中可以找到，如图2-3-5所示。

在Mixly中，MPU6050的使用比较简单，可以通讨串口监视器将加速度值显示出来，以供研究，如图2-3-6所示。任务一

设计一组实验，模拟跌倒事件的发生，并且获取跌倒过程中三轴加速度变化的数据，使用数据分析软什进行分析，写出你认为可行的跌倒检测的算法。

欢欢组设计了跌倒实验，将穿戴端设备穿戴在模特身上，模拟人类跌倒。（2）跌倒检测算法的设计

图2-3-9展示跌倒实验中采集的数据，并使用Excel软件将数据用折线图表示出来。任务二

请你认真分析图2-3-10，提炼出图像的信息特征并加以解释。

从数据分析可以看出，在跌倒情况发生时，三个轴向的加速度都发生了剧烈波动。为简化检测，我们可以运用在单个轴向上（以Y轴为例），在跌倒时间内(按1s计算）求极值的方式来检测跌倒的发生。

思考：结合实验数据分析，思考和探究如下问题：①基于实验，你们小组确定的告警國值为多少？②图2-3-11所示的算法有没有可以改进的地方？请提出你的想法。③除了用极值的方式检测跌倒事件，还有其他算法吗？

基于上面的分析，首先设计告警两数alarm(）。用于跌倒后伟用蜂鸣器发出现场告警求救声音，如图2-3-12所示。对于发出蓝牙信号的功能将在后面补充。（3）程序编写

依据图2-3-11所示算法设计跌倒检测与告警程序，如图2-3-13所示。（三）、功能拓展与实践

1.结构搭建

根据前面的设计，远程救援端主要由蓝牙模块和机器人小车构成。

跌倒救助机器人远程救援端的基本结构与小车类似，可在小车的基础上增加蓝牙模块，接好系统线路，如图2-3-15所示。器件的针脚对应表，如表2-3-4所示。2.系统接线3.程序编写

（1）蓝牙通信

跌倒救助机器人分为穿戴端和远程救援端。在蓝牙通信中，主机只有一个，从机可以有多个。所以将穿戴端设置为主机，远程救援端设置为从机，它们的指令传输关系如图2-3-16所示。

将Arduino主控板的Rx引脚连接蓝牙模块的RX引脚，Tx引脚连接蓝牙模块的TX引脚，此时蓝牙模块与计算机串口直连。此状态下，可使用串口监视器的输人对蓝牙模块进行直接配置。第1步使用串口模式直连蓝牙模块

对蓝牙模块进行配置时，先要进人AT模式。按下蓝牙模块正面的一个圆形按键，按住的过程中给蓝牙模块加电，蓝牙模块的指示灯慢闪（1~2s亮一次），说明已经进人AT模式，这样就可以对蓝牙模块进行配置。第2步进入AT模式

打开Mixly的串口监视器，将监视器的换行模式选择为“\r\n”，波特率选择为“38400”，在输人框输人配置指令。每条指令配置成功时会返回“oK〞响应，如图2-3-17所示。第3步配置蓝牙模块

按如下配置程序对蓝牙信号名称、密码等参数进行配置，数值可以根据霱要进行调整。

配置好主、从机后，在密码一致的情况下，接通电源后即可自劲配对。蓝牙模块发送和接收信息是通过串口输出、输人方式进行的。图2-3-18是串口通信的程序示例。第4步配对及通信测试任务三蓝牙通信实验：

请将下面程序片段，分别上传至接好蓝牙模块的Arduino控制器，调试蓝牙之问的通信，观察从机上的LED灯的亮灭情况。

穿戴端的另一项功能是发送蓝牙告警信号，需要对穿戴端的告警函数alarn（）（参见图2-3-12）进行功能拓展，让它具备发送蓝牙告警信号的功能。（2）改进穿戴端告警两数

远程救援端需要接收穿戴端发出的蓝牙求救信号，收到信号后发出警报声音并且启动机器人小车前往救援。对项目方案中救援算法进行细化，如图2-3-21所示。（3）编写远程救援端程序编写程序如下：

在Mixly中，MPU6050的使用比较简单，可以通讨串口监视器将加速度值显示出来，以供研究，如图2-3-6所示。任务四

请将上述代码编译上传至Arduino控制器，配合穿戴端再次做模拟跌倒实验，调试、观察实验结果是否达到了设计目标，并记录下实验现象和写出改进建议。下课啦！确定项目规划机器人方案

在科技馆里，我们看到凝聚人类智慧结晶的机器人在未来城市的方方面面发挥着巨大的作用，它们是我们末来生活的好朋友。

在本单元的学习中，我们将以小组为单位，以未来城市绿化为主题采用项目式学习流程，制作一个用于城市绿化的机器人。

随着对科技馆〝未来城市〞主题厅的深入参观，欢欢组又一次被一组“奇怪”的建筑吸引了，展现在眼前的是各种美丽的“未来城市”。这些全球设计师们的创想——未来城市模型，让同学们赞叹不已。

人类对生态和环境保护日渐重视，在未来城市的建设中也不例外。未来城市中的绿地，像衣服一样“披”在建鏡物的外面，提供了更多的绿化面积。看到这些美丽叉环保的建鏡，大家尽情畅想着人类未来的“绿色”生活，但又不禁生出疑问：这些绿植长在摩天大楼外，如果植物上堆积了灰尘该如何清理呢？人类又将如何按需要对绿植进行养护呢？

未来，形色各异的机器人将成为这项繁杂而危险工作的主力军。能否制作一个机器人用于我们现在生活的城市绿化呢？

和未来城市一样，现代城市中，人们为了改善环境或维特生态平衡，也做了很多绿化，常见的有道路绿化、园林景观、公园绿地、小区绿化等。这此绿化区城的大量工作是否可以由机器人来完成呢？研讨问题确定项目01PART

功能不同的绿化，其养护方式不同。欢欢组决定研究一下这几类常见的绿化在养护中有何不同的需求，再根据需求，制作不同类型的机器人，帮助人们完成绿化养护等工作。为此，有同学设计了以下表格，以便分析研讨。请讨论并完善表格内容。020103经过研讨，大家发现这些绿化养护所面临的问题各不相同，需要不同类型的机器人来完成这些工作。比如注重剪枝的园林景观，需要机械臂帮助完成或高大或矮小的植株的修剪；通常有着大面积草坪的公园绿地需要机器人随时探测土壤湿度、天气温度等从而进行自动浇灌……欢欢组对道路绿化最感兴趣，他们发现，目前道路绿化带的日常养护和浇灌基本是靠人工作业，于是决定以此作为小组的研究项目，制作机器人来帮助人们完成相关工作。一、研讨问题，确定项目组建团队合理分工02PART合理分工选择一个最感兴趣的绿化主题作为研究项目，组建小组，共同研究、制作绿化机器人。组建团队二、组建团队，合理分工

制作机器人时需要考虑它的控制系统、传感系统和执行系统。这就需要以小组为单位完成搭建结构，安装传感器、控制器，接线，编程等工作。为了科学、合理地分工，提高制作效率，可以采用如表3-1-2所示的“成员分工表”做好小组分工记录。认真研讨规划方案03PART

城市绿化中，根据绿化场所和功能需求的不同，会面临不同的问题。1961.绿化带中的植物需要人工浇灌，浇灌量随意，浇灌时间基本固定，很难及时随温度和湿度进行调整，故而影响植物生长。2.人工开车洒水，洒水车行进速度通常较缓慢，减缓了该车道车辆行进的速度，影响道路通畅。3.绿化带中的植物上粉尘积累较多时，会影响光合作用，需要科学安排清洗次数。4.绿化带的浇灌和道路的抑尘采用不同的作业车，效率不高。5.绿化带位于交通要道，绿化养护工人作业时，有很大的安全隐患。比如以上城市道路绿化带，它们都位于交通要道，养护面临如下问题：

据此，欢欢组决定制作一种智能浇灌抑尘机器人来解决以上问题。除了道路绿化．同学们也可以洗择城市绿化的其他方面作为研齐项目，小组讨论一下你们选定的项日，在现实中还面临什么问题，并做好记录。设计思想草图机械结构所需材料欢欢组制作了城市道路绿化带灌溉和道路抑尘项目的设计方案，包括设计思想及草图、机械结构、所需材料（含传感器）等。二、认真研讨，规划方案1.制作智能浇灌抑尘机器人，将其置于绿化带和道路之间。2.当传感器探测到绿化带中的植物需要洗水时，在面向绿化带的一侧实现自动灌溉。3.当传感器检测到灰尘浓度大，超过规定值时，在面向道路的一侧安装的高压喷头会喷出水雾抑尘，面向绿植一侧的高压喷头会冲洗植物。4.履带带动喷头移动。01020304设计思想设计思想：

设计草图如图3-1-5所示。

请同学们根据自己组的项目，画出设计草图。要制作智能浇灌抑尘机器人，欢欢组选择了以下器材：Arduino控制器1块，温度传感器1个，土壤湿度传感器1个，PM2.5粉坐传感器（GP2Y1014AU）1个，步进电机2个，履带，杜邦线……

与环境相关的传感器还有很多，表3-1-5是一些常见的传感器，可供大家的项目选用。

根据设计方案和草图，请同学们讨论一下你们小组需要的器材有哪些。

制定好小组的项日方案后，在下一节中我们就可以动手制作自己的机器人啦。下课啦！实践操作实施机器人项目一是搭建硬件二是编写程序根据小组的方案制作机器人，需要从两个方面着手新课导入综合运用传感器搭建机器人结构01PART

欢欢组需要使用一个新的传感器——PM2.5粉尘传感器，于是他们首先通过网络学习、请教老师等办法了解粉尘传感器的相关知识（此处以GP2Y1014A