Методическая разработка учебного занятия
Ф.И.О.
учителя: Подлесных
Елена Викторовна
Класс: 5-7 класс
Предмет: Робототехника
Тема
занятия:
«Работа с моторами. Датчик оборотов»
Место
и роль урока в изучаемой теме:
Занятие №19. Глава “Датчики”
Цели
занятия:
Предметные: Развивать представления обучающихся об
алгоритмах; познакомить обучающихся с моторами EV3 и встроенными
датчиками оборотов; сформировать представление о принципе работы моторов и
встроенных в них датчиков, способе подключения моторов к блоку EV3; рассказать о возможности реализации алгоритмов с применением больших
и средних моторов в базовой модели робота EV3; научить
использовать полученные знания в практической работе.
Метапредметные: Формировать способности выбора способов деятельности в
конкретной ситуации и их корректировки; формировать у учащихся способностей к
самостоятельному построению новых способов действия; развивать навыки
учебно–познавательной деятельности; формировать элементы критического мышления;
оценивать правильность выполнения учебных и иных задач; классифицировать и
обобщать, выявлять аналогичные процессы и явления; делать выводы и
умозаключения; работать в группе по решению общих учебных задач; применять ИКТ-
компетенции для решения учебных задач.
Личностные: критическое
отношение к информации и избирательность ее восприятия; осмысление мотивов
своих действий при выполнении заданий; развитие любознательности,
сообразительности при выполнении разнообразных заданий проблемного и
эвристического характера; развитие внимательности, настойчивости,
целеустремленности, умения преодолевать трудности – качеств весьма важных в
практической деятельности любого человека; воспитание чувства справедливости,
ответственности.
Ожидаемые предметные результаты:
Обучающиеся
научатся
·
подключать моторы к
блоку EV3;
·
составлять алгоритмы движения
для робота EV3 с использованием датчиков оборотов;
·
применять полученные
знания при программировании базовой модели робота;
·
выбирать соответствующее действие для достижения цели исполнителя
алгоритма;
Формы организации работы детей: работа
в группе, индивидуальная, фронтальная.
Средства обучения: действующие модели из конструкторов Lego Mindstorms EV3, презентация для учащихся, АРМ учителя, проектор, интерактивная доска,
среда программирования EV3-G, Интернет, браузер
Google.
Ключевые понятия: большой мотор, средний мотор, датчик оборотов, алгоритм.
Межпредметные
связи: математика, физика, технология
План занятия:
1)
Организационный этап.
2)
Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся.
3)
Актуализация знаний.
4)
Первичное усвоение новых знаний.
5)
Первичная проверка понимания
6)
Первичное закрепление.
8)
Рефлексия (подведение итогов занятия)
Ход занятия
I.
Организационный этап
Рассадка, подготовка конструктора и
организация рабочего места. Напоминание правил техники безопасности.
Учитель: Добрый
день, ребята! Вы пришли на занятие по робототехнике, прежде чем начать я
предлагаю вам вспомнить правила техники безопасности и организации рабочего
места. Для этого воспользуемся ссылкой №1 и выполним первое задание.
Задание №1
http://LearningApps.org/display?v=ppmt0xirk17
Молодцы ребята, знаете правила техники
безопасности. Теперь можно смело начинать работу.
II.
Постановка цели и задач
урока. Мотивация учебной деятельности обучающихся
Внимание на экран! (На интерактивной доске
и компьютерах учеников с помощью LanSchool Classroom Management
демонстрируется интерактивное задание)
Перед вами задние, выполнив которое, вы
узнаете о теме сегодняшнего занятия.
Задание №2
http://LearningApps.org/display?v=p7r2ys9tv17
Перед вами открылась
картинка, что на ней изображено?
Верно, это моторы LEGO
MINDSTORMS EV3. Тогда как вы думаете,
о чем же пойдет речь на занятии? (ответ: о моторах и управлении моторами)
Верно!
III.
Актуализация знаний
На прошлом занятии мы
познакомились интерфейсом LEGO MINDSTORMS EV3.
Предлагаю вам объединиться в пары и сыграть в игру «Знаток интерфейса
пользователя программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3»
Задание №3
http://LearningApps.org/display?v=pbx0gb8kk17
IV. Первичное усвоение новых знаний
Перед вами два вида мотором LEGO
MINDSTORMS EV3: большой сервомотор и средний сервомотор. Сервомоторы
(сервоприводы) – это устройства с управлением через отрицательную обратную
связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Эта возможность позволяет
нам задавать точное значение оборотов или градусов, на которое должен
повернуться вал и контролировать текущее положение поворота вала.
Давайте познакомимся с ними поближе.
Рассмотрите внимательно оба мотора, и попробуем их сравнить. (Во время
объяснения учителем нового материала, обучающиеся выполняют тренировочные
упражнения, работая с базовой моделью робота EV3).
|
|
Большой сервомотор EV3,
в наборе их два, предназначен для нового микрокомпьютера Mindstorms EV3.
Встроенный датчик вращения производит измерения с точностью до одного
градуса. С помощью этого датчика мотор можно присоединить к другим моторам,
что позволит роботу передвигаться с постоянной скоростью. Помимо этого,
датчик вращения можно использовать и во время проведения разных экспериментов
с целью точного считывания данных о скорости и расстоянии.
|
Средний сервомотор для
роботов LEGO Mindstorms EV3 лучше всего подходит для выполнения задач, при
которых размер робота, быстрота отклика и его скорость важнее
грузоподъемности. Точность измерения встроенным датчиком мотора составляет
один градус. Идентификация устройств программным обеспечением EV3 происходит
автоматически.
|
Сравнение
двух моторов:
+
Большой мотор работает со скоростью 160–170 об/мин,
с
вращающим моментом 20 Нсм и с пусковым моментом 40 Нсм (медленнее, но
мощнее).
+
Средний мотор работает со скоростью 240–250 об/мин, с вращающим моментом при
работающем моторе 8 Нсм и с предельным перегрузочным моментом 12 Нсм
(быстрее, но с меньшей мощностью). + Оба мотора поддерживают автоматическую
идентификацию.
|
Подключение моторов к блоку EV3
Блок
EV3
имеет четыре равнозначных выхода, обозначаемых A,
B
,C
и D,
для подключения моторов.
|
Соединение моторов с блоком EV3
осуществляется с помощью электрических кабелей.
|
Выбор портов
Для многих программных блоков необходимо выбрать порты в модуле
EV3 (A, B, C, D)
Для выбора
порта необходимо щелкнуть на задатчике портов для отображения списка портов и
выбрать порт. Моторы должны быть подсоединены к портам A, B, C или D модуля
EV3.
При управлении двумя разными моторами, для
них предусмотрено два задатчика портов. Первый задатчик порта – для левого
мотора, а второй – для правого мотора.
«Средний
мотор»
«Мощность» принимает
числа от -100 до 100. Положительное число поворачивает средний мотор по
часовой стрелке, а отрицательное число поворачивает его против часовой
стрелки, как показано на рисунке ниже.
Положительная
мощность
Отрицательная
мощность
|
«Большой мотор»
Ввод «Мощность» принимает
числа
от -100 до 100. Положительные и отрицательные числа обеспечивают
вращение большого мотора в разных направлениях, как показано на рисунке ниже.
Положительная мощность
Отрицательная мощность
|
Обычное
направление вращения среднего и большого моторов можно изменить при помощи
блока «Инвертировать направление вращения мотора». Если направление
вращения мотора было инвертировано, действие уровней положительной и
отрицательной мощности будет противоположным изображенному выше.
Скорость
вращения мотора примерно пропорциональна указанному уровню мощности, хотя на
скорость вращения также влияет размер применяемой к мотору нагрузки
Вводы блока «Средний
мотор» управляют данными работы мотора. Вы можете вводить значения ввода
прямо в блоке. Или же, как вариант, значения можно передавать по шинам
данных от выводов других программных блоков. Вводы доступны, и их
функции зависят от выбранного вами режима управления.
|
Программирование «Среднего
мотора»
|
Программирование «Большого мотора»
|
Блок «Средний мотор» управляет средним мотором.
|
Блок «Большой мотор» управляет большим мотором.
|
Вы можете включать или
выключать моторы, управлять их уровнями мощности или включать моторы на
определенное количество времени или оборотов.
|
Упражнение №1. Выберите свой порт мотора и
режим управления
Выбор
порта
Выбор
режима
Вводы
Выберите
предпочитаемый вами мотор (A, B, C или D), который будет управляться блоком
«Средний мотор» при помощи выбора порта вверху блока.
|
Упражнение №2. Выберите свой порт мотора и
режим управления
Выбор
порта
Выбор
режима
Вводы
Выберите
предпочитаемый вами мотор (A, B, C или D), который будет управляться блоком
«Большой мотор» при помощи выбора порта вверху блока.
|
Режимы
|
|
Включить
В режиме
«Включить» происходит включение мотора, затем происходит немедленный переход
в следующий блок программы. Вы можете управлять скоростью и направлением
мотора при помощи ввода «Мощность». Мотор будет работать, пока его не
остановят или позднее не заменят другим блоком в программе, или пока
программа не закончиться.
|
Упражнение
№3. Используйте режим «Включить»
для того, чтобы другие блоки в вашей программе управляли продолжительностью
включения мотора.
В данной
программе мотор будет работать, пока не будет нажат датчик касания, и затем
он останавливается.
|
для «Среднего мотора»
|
для «Большого мотора»
|
Выключить
В режиме «Выключить» происходит выключение мотора. Как правило,
он используется для остановки мотора, который был запущен в
режиме «Включить».
Если
ввод «Тормозить в конце» установлен на «Истина», мотор немедленно
останавливается. Мотор будет удерживаться в остановленном положении, пока
другой блок мотора не запустит этот мотор, или пока программа не закончится.
Если ввод «Тормозить в конце» установлен на «Ложь», питание мотора
просто отключается. Мотор будет двигаться по инерции, используя любую
остаточную движущую силу, пока не остановится, или пока не запустится другой
блок мотора.
|
Включить на количество секунд
Режим «Включить на количество секунд» включает мотор на
количество секунд, указанное во вводе «Секунды», а затем выключает его.
Блок будет ожидать, пока истечет время, прежде чем программа перейдет к
следующему блоку.
Вы можете
управлять скоростью и направлением мотора при помощи ввода «Мощность».
Используйте «Истина» для «Тормозить в конце», чтобы остановить мотор точно
после указанного количества секунд.
Вы можете
использовать десятичную точку во вводе «Секунды» для получения
точного количества времени, например, 3,5 для трех с половиной секунд и 0,25
секунд для четверти секунды.
|
Включить на количество градусов
Режим
«Включить на количество градусов» включает мотор на количество градусов,
указанное во вводе «Градусы», а затем выключает его. 360 градусов равны одному
полному обороту мотора.
Вы
можете управлять скоростью и направлением мотора при помощи ввода «Мощность».
Используйте «Истина» для «Тормозить в конце», чтобы остановить мотор
точно после указанного количества градусов.
|
Упражнение №4. Необходимо запустить мотор
на порте A с мощностью 50% ровно для 900 градусов (два с половиной оборота),
а затем остановить его.
Встроенный
датчик оборотов среднего мотора измеряет градусы вращения. При использовании
режима «Включить на количество градусов» блок будет выжидать, пока мотор
точно не повернется на указанное количество градусов, прежде чем программа
перейдет к следующему блоку. Если мотор наталкивается на сопротивление или
физическое ограничение и не в состоянии завершить указанное количество
градусов, блок будет по-прежнему в состоянии ожидания. Ни один другой блок в
программе не будет работать, пока сопротивление не будет устранено.
|
для «Среднего мотора»
|
для «Большого мотора»
|
Включить на количество оборотов
Режим
«Включить на количество оборотов» включает мотор на количество оборотов,
указанное во вводе «Обороты», а затем выключает его.
Вы можете
управлять скоростью и направлением мотора при помощи ввода «Мощность».
Используйте «Истина» для «Тормозить в конце», чтобы остановить мотор
точно после указанного количества оборотов.
Вы также
можете использовать десятичную точку во вводе «Обороты» для получения части вращения.
|
|
|
|
Блок «Рулевое управление» (ДЛЯ «БОЛЬШОГО МОТОРА»)
|
Блок
«Рулевое управление» может заставлять вашего робота двигаться вперед, назад,
поворачиваться или останавливаться. Вы можете регулировать рулевое
управление, чтобы заставить вашего робота идти прямо, двигаться по дуге или
делать резкие повороты
Блок «Рулевое
управление» управляет двумя моторами одновременно.
Левый мотор
Правый мотор
Роботизированные
транспортные средства с двумя приводными моторами также могут управляться
блоком «Независимое управление
моторами».
Рулевое управление и обороты мотора
Ввод «Рулевое
управление» принимает числа от -100 до 100. Значение 0 (нуль) заставит
вашего робота двигаться прямо. Положительное число (больше нуля) заставит
вашего робота повернуть вправо, а отрицательное число заставит вашего робота
повернуть влево. Чем дальше значение рулевого управления от нуля, тем круче
будет поворот.
Блок
«Рулевое управление» заставляет вашего робота поворачивать благодаря вращению
двух моторов на разных оборотах. Для очень крутых поворотов один из моторов
будет двигаться в обратном направлении.
|
Упражнение №5. Выберите
свои порты мотора и режим управления
Выбор порта
Выбор режима
Вводы
Убедитесь,
что в вашем роботе, направленном вперед, мотор с левой стороны – это первый
мотор, указанный в перечне выбора порта. В противном случае, ваш робот будет
поворачиваться в неверном направлении.
|
Режимы
|
Включить
|
Выключить
|
Включить
на количество секунд
|
Включить
на количество градусов
|
Включить
на количество оборотов
|
Упражнение №6. Робот
должен двигаться вперед, а после нажатия на датчик касания, робот
останавливается.
|
Упражнение №7. Робот должен двигаться
прямо вперед с полной мощностью в течение 2 секунд, а затем остановиться.
|
Упражнение №8. Робот
должен двигаться вперед с мощностью 75%, пока моторы не сделают поворот на
900 градусов (два с половиной оборота), а затем остановиться.
Расстояние, которое пройдет ваш робот, зависит от ввода «Градусы». Однако расстояние также
зависит от диаметра используемых приводных колес и прочих физических
факторов.
Если ввод «Рулевое управление» не нуль, ход одного из моторов будет
замедлен или изменен на обратный для обеспечения поворота робота. В таком
случае ввод «Градусы» будет измеряться на моторе, который
вращается быстрее.
|
Упражнение №9. Робот
должен выполнить повороты по дуге вправо, используя значение «Рулевое управление» мощности от 25 до 50%. Поворот будет
продолжаться, пока левый мотор (наружный и более быстрый) не сделает поворот
ровно на 1000 градусов, затем робот должен остановится.
|
Упражнение №10. Необходимо
заставить робота двигаться прямо вперед с мощностью 50%, пока моторы не
сделают поворот на 3 полных оборота. Затем робот должен двигаться прямо назад
(при помощи отрицательного числа для «Мощность»)
для 3 оборотов и остановиться там, где был запущен.
|
Блок
«Независимое управление моторами»
|
Блок «Независимое управление моторами» может заставлять вашего
робота двигаться вперед, назад, поворачиваться или останавливаться.
Используйте блок «Независимое управление моторами» для роботизированных
транспортных средств, в которых имеются два больших мотора, где один мотор
управляет левой стороной транспортного средства, а второй мотор управляет
правой стороной.
Можно
заставить два мотора вращаться с разными скоростями или в разных
направлениях, чтобы ваш робот поворачивался.
|
Левый мотор
Правый мотор
Роботизированные
транспортные средства с двумя приводными моторами также могут управляться
блоком «Рулевое управление».
Блок «Рулевое управление» аналогичен блоку «Независимое управление моторами»,
но имеет другой способ управления оборотами.
|
Упражнение №11 Выберите
свои порты мотора и режим управления
Выбор порта
Выбор режима
Вводы
Выберите
предпочитаемые вами два мотора (A, B, C или D), которые будут управляться
блоком «Независимое управление моторами» при помощи выбора
порта вверху блока. Нажмите на каждую букву мотора, чтобы выбрать порт
мотора. Первый порт должен быть для мотора с левой стороны транспортного
средства, а второй порт должен быть для мотора с правой стороны.
Убедитесь,
что в вашем роботе, направленном вперед, мотор с левой стороны – это первый
мотор, указанный в перечне выбора порта. В противном случае, ваш робот будет
поворачиваться в неверном направлении.
|
Режимы
|
Включить
|
Выключить
|
Включить
на количество секунд
|
Включить
на количество градусов
|
Включить
на количество оборотов
|
Упражнение №12. Необходимо
заставить робота двигаться прямо, после нажатия на датчик касания робот
должен остановиться.
|
Упражнение №13. Роботу
необходимо двигаться прямо вперед с полной мощностью в течение 2 секунд, а
затем остановиться
|
Упражнения №14. Робот должен двигаться вперед с мощностью 75%, пока моторы не
сделают поворот на 900 градусов (два с половиной оборота), а затем
остановиться.
При использовании одинакового значения для «Мощность на
левый мотор» и «Мощность на правый мотор» робот двигается
прямо.
Встроенные
датчики оборотов в моторах измеряют количество оборотов в ступицах мотора.
|
Упражнение №15. Робот
должен повернуть в арку направо. Поворот должен продолжаться, пока левый
мотор (наружный и более быстрый) не сделает поворот ровно на 900 градусов,
затем робот остановится.
|
Упражнение №16. Необходимо заставить робота сделать «виток штопора», заставляя
два мотора вращаться в разных направлениях. Робот должен поворачиваться до
тех пор, пока левый мотор не повернется на 250 градусов вперед, затем робот
остановится. Правый мотор повернется на 250 градусов в обратную сторону.
При использовании отрицательного значения для «Мощность на правый мотор» правый мотор будет вращаться в
обратную сторону.
|
Упражнение №17. Робот должен двигаться прямо вперед с мощностью 50%
(используя 50 для «Мощность на
левый мотор» и «Мощность на правый мотор»), пока
моторы не сделают поворот на 3 полных оборота. Затем он должен двигаться
прямо назад (при помощи отрицательной мощности) для 3 оборотов и остановит
там, где был запущен.
|
|
|
|
|
Физминутка
«Танцующие роботы»
https://youtu.be/OagKqLs4mGk
Использование датчика вращения мотора
Датчик
вращения мотора используется для измерения количества оборотов, совершенных
мотором. Датчик вращения встроен в средний мотор, большой мотор и мотор
устройства NXT. Датчики в этих моторах могут определять количество оборотов в
градусах. Полный оборот мотора составляет 360 градусов.
Сброс
показаний датчика вращения мотора
Показания
датчика вращения мотора можно сбросить на ноль в любой момент программы.
Тогда датчик будет измерять общее количество вращений относительно точки
сброса. Для сброса показаний датчика вращения используйте блок вращения
мотора в режиме «Сброс».
Если для
выполнения измерения вы используете датчик вращения мотора, показания
которого никогда не сбрасывались, вы получите общее количество оборотов,
которое мотор совершил с начала программы.
Направление вращения мотора и общее количество оборотов
Вращение
мотора вперед выражается положительным числом градусов или оборотов, вращение
назад выражается отрицательным числом. Вращение всегда измеряется как общее
число оборотов вперед с момента последнего сброса показаний датчика. Число
оборотов назад вычитается из любого накопленного числа оборотов вперед.
|
Блок вращения мотора
|
Блок вращения мотора получает данные от датчика вращения
мотора, встроенного в средний мотор, большой мотор и NXT моторы. Вы можете
измерить, насколько повернулся мотор в градусах или оборотах. Кроме того, вы
можете узнать текущий уровень мощности мотора.
Блок
вращения мотора может также сравнить количество вращений или уровень мощности
с пороговым значением и получить логический вывод (истина или ложь).
|
Упражнение №18. Выберите
порт мотора и режим датчика
Выбор
порта
Выбор
режима
Вводы
Выводы
|
Режимы
|
Измерение – Градусы
Градусы» в выводе «Градусы» выдаются данные о текущем количестве
вращений мотора. Вращение мотора измеряется в градусах относительно состояния
после выполнения последнего сброса в режиме «Сброс».
|
Измерение – Обороты
Обороты» в выводе «Обороты» выдаются данные о текущем количестве вращений мотора. Вращение
мотора измеряется в оборотах относительно состояния после выполнения
последнего сброса в режиме «Сброс».
|
Измерение – Текущая мощность
Текущая мощность» в выводе «Текущая
мощность» выдаются данные о
текущем уровне мощности мотора.
|
Режимы сравнения
Данные датчика
сравниваются с пороговым
значением, используя выбранный тип
сравнения. Истинный/ложный результат отображается в окне «Результат сравнения», а данные
датчика отображаются в выбранном типе данных датчика.
|
Сброс
Кол-во оборотов
сбрасывается на ноль. Дальнейшие измерения количества оборотов мотора с
использованием датчика вращения мотора будут выполняться от точки сброса.
|
Упражнение №19. Робот
должен издать звуковой сигнал, когда его начинают толкать.
Необходимо использовать
блок ожидания в режиме «Обороты мотора – Изменение – Градусы» для ожидания,
когда показание датчика вращения мотора C изменится на 5 градусов, то должен
быть воспроизведен звуковой сигнал.
|
Упражнение №20. Робот должен передвигаться прямо, пока мотор не совершит 2
оборота, а затем двигаться зигзагом, пока мотор не совершит в общей сложности
6,5 оборота.
Для
совершения 6,5 оборота измеряйте только движение зигзагом, не включая 2
оборота при движении вперед в начале, показания датчика вращения мотора B
сброшены на ноль до перемещения зигзагом, используя блок вращения мотора в
режиме «Сброс».
|
Упражнение №21. Написать
программу, которая позволит, вращая мотор С рукой вперед и назад,
регулировать скорость мотора В.
|
|
|
|
|
V. Первичное закрепление
Задание №1:
https://learningapps.org/2724018
Задание №2:
Укажите назначение портов EV3
http://LearningApps.org/display?v=psmvoz7t317
Задания для закрепления (выполняются группами вместе с
учителем)
Задание №3:
Отработка
основных действий
-вперед
на один оборот с резким торможением
-вперед
360 градусов с плавным торможением
-назад
1 секунду с торможением
-принудительно
остановить оба мотора
|
Задание №4:
Расчет
движения робота на заданное расстояние
|
Необходимо
проехать 1 м и резко остановиться.
Решение:
Необходимо
узнать диаметр колеса. (диаметр указан на шине)
В
нашем случае 56 мм
Расстояние
за 1 оборот=длине окружности колеса (L)
Для
того чтобы найти необходимое кол-во оборотов (N)
нужно разделить требуемое расстояние на полученное значение:
|
|
Задание №5:
Расчет
движения по ломанной линии
|
Повернуть
налево вокруг левого колеса на 45 градусов
Решение:
R-расстояние
между центрами колес. (Допустим R=15)
L-
длина окружности
Для
поворота X° левое колесо должно
проехать расстояние (P), равное:
ð P=11,76
|
Варианты
программ:
|
Самостоятельная работа в группах
1 задание
|
2 задание
|
3 задание
|
Повернуть
направо вокруг центра робота на 90°
|
Проехать
0,5 м вперед, повернуть на 60° по часовой стрелке вокруг правого колеса и
проехать 0,5 м назад
|
Проехать
по траектории: квадрат, треугольник, ромб.
|
VI. Рефлексия (подведение итогов занятия)
Дорогие ребята, на ваших столах находятся
части одного большого пазла, я предлагаю вам выразить свои эмоции, впечатления,
написать о возникших затруднениях и т.д.
А теперь все вместе соберем наш пазл и
закрепим его на доске с помощью магнитов.
Молодцы, вы сегодня были очень активными и
плодотворно поработали!
Для
4-х групп
|
Для
6-х групп
|
|
|
Источники:
1.
Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования
робота Lego Mindstorms EV3 в среде EV3: основные подходы, практические примеры,
секреты мастерства / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. –
Челябинск: ИП Мякотин И.В., 2014. – 204 с.
2. https://edugalaxy.intel.ru/index.php?automodule=blog&req=showentry&blogid=1122&eid=9466
3. https://youtu.be/OagKqLs4mGk
4. http://robot.edu54.ru/publications/107
5.
http://inoschool.ru/component/k2/item/102-mekhanicheskij-privod
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.