Уроки по темам

Ориентировочная продолжительность — 45 минут. На уроке используются только компоненты набора «СССР 2.0». Работа в Arduino IDE на этом занятии не требуется: программирование начинается после знакомства с устройством робота и назначением его основных узлов.

Первое занятие формирует у учащихся базовое представление о робототехнике и о том, как устроена робототехническая система. В течение урока учащиеся знакомятся с основными компонентами набора «СССР 2.0», учатся разделять их по функциональному назначению и прослеживать простую цепочку работы робота: получение информации — обработка — принятие решения — выполнение действия.

На примерах мобильной платформы рассматриваются механическая часть, контроллер, датчики, исполнительные устройства, устройства вывода, система питания и программа. Учащиеся пока не пишут код; внимание сосредоточено на понимании роли каждого элемента и связей между элементами.

Робот — программируемая техническая система, которая получает информацию о состоянии окружающей среды или о командах пользователя, обрабатывает эту информацию и выполняет заданные действия.

Робототехника — область техники и программирования, связанная с разработкой, конструированием, программированием и применением роботов.

Механическая конструкция — это целостная система, состоящая из взаимосвязанных деталей, узлов и механизмов, которая предназначена для выполнения определённых механических задач.

Контроллер — электронное устройство, выполняющее программу и управляющее работой подключённых компонентов.

Датчик — устройство, которое получает информацию о каком-либо физическом параметре и передаёт её контроллеру в виде электрического сигнала.

Исполнительное устройство — компонент, выполняющий физическое действие по команде контроллера.

Устройство вывода — компоненты системы, которые преобразуют обработанные процессором данные в форму, удобную для восприятия человеком.

Драйвер двигателей — электронный модуль, через который контроллер управляет мотор-редукторами: включает их, останавливает и изменяет направление вращения.

Алгоритм — точная последовательность действий, которую должна выполнить система для получения требуемого результата.

Программа — записанный на языке программирования алгоритм, который может выполнить контроллер.

Обратная связь — получение системой новой информации о результате своих действий и использование этой информации для дальнейшего управления.

Датчик или команда пользователя → контроллер → программа принимает решение → драйвер и исполнительные устройства выполняют действие → при необходимости датчики передают новые данные.

Учитель показывает собранную или частично собранную мобильную платформу «СССР 2.0» и предлагает определить, какие действия такая система способна выполнять. На этом этапе достаточно перечислить наблюдаемые возможности: движение, поворот, остановка, реагирование на линию, обнаружение препятствия, приём команд с пульта, отображение изображения на светодиодной матрице.

Ответы учащихся на этом этапе используются как исходные предположения. После обсуждения учитель постепенно связывает каждую функцию с конкретным компонентом набора.

Робототехника объединяет несколько направлений работы. Для создания даже простой мобильной платформы требуется собрать механическую конструкцию, правильно подключить электронные компоненты и задать алгоритм поведения. Поэтому при изучении робототехники учащийся последовательно работает с конструкцией, электрическими соединениями и программой.

В рамках курса «СССР 2.0» эти направления рассматриваются на одной платформе. Металлические элементы образуют конструкцию. Мотор-редукторы приводят колёса во вращение. Датчики передают информацию в контроллер. Контроллер выполняет программу, а драйвер двигателей передаёт управляющие сигналы мотор-редукторам.

Два датчика линии определяют положение тёмной линии относительно робота. Контроллер получает состояния датчиков и выполняет заложенный алгоритм. Затем через драйвер изменяется работа левых и правых мотор-редукторов. Робот корректирует направление движения.

Для удобства робототехническую систему можно рассматривать как несколько взаимосвязанных частей. На занятии каждая часть сразу связывается с компонентами набора «СССР 2.0».

Механическая часть задаёт форму робота и обеспечивает размещение остальных компонентов. В наборе «СССР 2.0» к ней относятся металлические элементы конструкции, крепёж, четыре колеса и элементы крепления мотор-редукторов. При сборке важно добиваться жёсткости соединений, симметричного расположения колёс и надёжной фиксации электронных модулей.

Пример: если один мотор-редуктор закреплён под углом, колесо будет создавать боковое усилие. Даже при одинаковой программе робот может отклоняться от прямой траектории. Этот пример показывает связь механики и программного поведения.

Контроллер выполняет программу. Он получает электрические сигналы от датчиков и ИК-приёмника, обрабатывает их согласно алгоритму и формирует управляющие сигналы для других устройств. В наборе используется плата управления на основе Arduino Nano, программируемая в Arduino IDE.

Контроллер удобно сравнить с управляющим центром системы. Сначала он получает входные данные, затем выполняет инструкции программы и выдаёт команды подключённым компонентам.

Датчики

Датчики обеспечивают получение информации. В наборе «СССР 2.0» используются два датчика линии и ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04. Каждый тип датчика измеряет свой параметр и передаёт контроллеру данные в удобной для обработки форме.

Датчики линии помогают определить положение контрастной линии относительно платформы.

Ультразвуковой датчик HC-SR04 позволяет оценить расстояние до объекта перед роботом.

ИК-приёмник также является входным устройством: он получает команды от комплектного инфракрасного пульта и передаёт код принятой команды контроллеру.

Исполнительные устройства

Исполнительные устройства преобразуют управляющую команду в действие. В мобильной платформе эту функцию выполняют четыре мотор-редуктора. Они вращают колёса и обеспечивают движение вперёд, назад и повороты.

Для управления мотор-редукторами используется драйвер двигателей. Контроллер формирует управляющий сигнал, драйвер коммутирует питание двигателей, после чего мотор-редукторы выполняют требуемое действие.

Устройство вывода

Светодиодная матрица 8×8 позволяет выводить изображения и условные обозначения. На следующих занятиях её можно использовать для стрелок направления, символа остановки или обозначения выбранного режима работы робота.

Система питания

Электронным компонентам и двигателям требуется питание. Элементы питания обеспечивают электрической энергией контроллер, датчики и исполнительные устройства. При дальнейшей сборке учащиеся будут учитывать полярность подключения и назначение контактов питания.

Программа

Функции компонентов объединяются программой. Одна и та же собранная платформа может выполнять разные задачи в зависимости от записанного алгоритма: двигаться по заданной последовательности команд, следовать по линии, останавливаться перед препятствием или управляться с ИК-пульта.

После знакомства с компонентами учитель показывает несколько законченных цепочек работы системы. Учащимся важно увидеть, что поведение робота складывается из последовательного прохождения информации и управляющих команд.

Пример 1. Обнаружение препятствия

Ультразвуковой датчик измеряет расстояние → контроллер получает значение → программа сравнивает его с заданным порогом → контроллер подаёт команды драйверу → мотор-редукторы останавливаются или выполняют поворот.

Пример 2. Управление с ИК-пульта

Пользователь нажимает кнопку → ИК-приёмник получает инфракрасный сигнал → контроллер определяет код кнопки → программа выбирает соответствующую команду → через драйвер включаются нужные мотор-редукторы.

Пример 3. Следование по линии

Левый и правый датчики линии считывают поверхность → контроллер получает два состояния → программа определяет положение линии → изменяется работа левой и правой стороны платформы → робот корректирует траекторию.

Пример 4. Индикация состояния

Программа определяет текущий режим → контроллер передаёт данные светодиодной матрице → на матрице отображается заранее заданный символ.

После каждого примера полезно попросить учащихся назвать входное устройство, контроллер и компонент, выполняющий действие. Такое упражнение закрепляет функциональные роли компонентов до начала программирования.

Практическая часть проводится с компонентами одного набора «СССР 2.0». Задача учащихся — определить назначение деталей и распределить их по функциональным группам.

Порядок выполнения

Пример ответа учащегося.

«ИК-пульт передаёт команду. ИК-приёмник получает её и передаёт код контроллеру. Контроллер выполняет программу и через драйвер включает мотор-редукторы. Робот начинает движение».

Любую программу управления роботом удобно рассматривать через входные данные и выходные действия. Входные данные поступают от датчиков или от пользователя. Выходные действия выполняются двигателями или отображаются на светодиодной матрице.

Например, значение расстояния является входными данными. Команда остановить мотор-редукторы является выходным управляющим действием. Такой способ описания пригодится при составлении алгоритмов на следующих занятиях.

Алгоритм можно сначала сформулировать обычными словами. Например: «двигаться вперёд; измерять расстояние; при расстоянии меньше заданного значения остановиться; выполнить поворот; продолжить движение». На следующих занятиях этот алгоритм будет записан в Arduino IDE в виде программы.

При объяснении важно разделять задачу и её программную запись. Сначала определяется требуемое поведение робота и последовательность действий. Затем эта последовательность переводится в команды языка программирования.

Обратная связь появляется, когда результат действия влияет на последующие команды. Робот, следующий по линии, постоянно получает новые состояния датчиков и корректирует движение. Робот, контролирующий расстояние до препятствия, многократно измеряет расстояние и изменяет поведение при изменении обстановки.

Это понятие будет использоваться в последующих уроках при работе с датчиками линии и ультразвуковым датчиком.

В конце занятия учащиеся отвечают на вопросы. Желательно просить объяснять ответы через конкретные компоненты набора «СССР 2.0».

«Робототехническая система состоит из механической конструкции, контроллера, входных устройств, исполнительных устройств, средств вывода и питания. Контроллер выполняет программу, получает данные и формирует управляющие команды. Поведение робота определяется алгоритмом и данными, поступающими от датчиков или пользователя».

На первом занятии достаточно объяснить функциональное назначение компонентов. Подробные электрические характеристики и распиновка рассматриваются позже, непосредственно перед подключением соответствующих модулей.

Термин «контроллер» рекомендуется сразу связывать с выполнением программы и обработкой входных данных. Это упрощает дальнейшее объяснение конструкции setup() и loop() в Arduino IDE.

При демонстрации датчиков полезно спрашивать, какую именно информацию получает каждый датчик. Для датчика линии ответом будет состояние поверхности под датчиком; для HC-SR04 — расстояние до объекта; для ИК-приёмника — код команды пульта.

При объяснении драйвера двигателей достаточно зафиксировать его роль как промежуточного управляющего модуля между контроллером и мотор-редукторами. Подробная схема управления направлениями вращения вводится на занятии по двигателям.

Практическая классификация компонентов должна завершаться составлением хотя бы одной полной цепочки «вход → обработка → действие». Это подготавливает учащихся к составлению алгоритмов и программ.

Если группа быстро выполняет основную работу, можно предложить дополнительное задание: составить три разные цепочки работы одной и той же платформы — для движения по линии, объезда препятствия и управления с пульта.

Каждый учащийся выбирает один сценарий работы платформы «СССР 2.0» и устно описывает его в четырёх шагах:

1. Какая информация поступает в систему?

2. Какой компонент её получает?

3. Какое решение должен выполнить контроллер?

4. Какое устройство выполняет действие или отображает результат?

Пример: «Перед роботом находится препятствие. HC-SR04 измеряет расстояние. Контроллер получает значение и по программе определяет, что расстояние стало меньше допустимого. Контроллер через драйвер останавливает мотор-редукторы и задаёт поворот».