中小学教育资源及组卷应用平台 第3.3课《避障功能的调试—强化感知并优化算法》教学设计 课题 避障功能的调试—强化感知并优化算法 单元 第三单元 学科 信息科技 年级 五年级 核心素养目标 1.信息意识：了解传感器数据的来源及其重要性，学习如何收集、分析和处理环境感知数据。2.计算思维：理解算法在解决避障问题中的重要性，能够设计和调整算法以提升机器人的智能响应能力。3.数字化学习与创新：学习如何运用数学方法优化算法和路径规划，鼓励尝试不同的算法与模型创新，探索多种解决方案以应对实际问题。4.信息社会责任：理解先进技术（如机器人避障）的普及对社会的潜在影响，包括对就业、生活质量和安全的影响。 教学重点 强化避障机器人感知状况。 教学难点 学习了解如何优化避障机器人的算法。 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 导入新课 第3.3课 《避障功能的调试—强化感知并优化算法》板书课题。 一个好的作品经过精雕细琢后,才会呈现它的价值与作用。制作项目作品的过程也是一样的,初步搭建好机器人的原型并不意味着作品完成了,我们还要在真实的情境中对作品“输入一控制一输出”各模块的性能进行调试,通过反馈结果不断进行优化,这样才能呈现一个好的作品,将之分拿到社区中才能更好地传承开源精神。 思考：机器人的避障功能在不同的环境下会有什么样的反馈效果呢 室内环境：家具布局复杂：如果家具排列密集，机器人可能会频繁检测到障碍物，导致导航缓慢或频繁改变方向。室外环境：开放空间：在无障碍物的开阔地区，避障功能可以顺畅运行，导航效率较高。动态环境：移动障碍物：如行人、动物等，避障系统需要实时更新信息并迅速作出反应，这要求算法具备较高的智能和灵活性。2.播放视频。 学习新知引入。完成思考问题。观看教学视频。 用智能创新知识引入课堂。用提问的方式引入课题，增强课堂互动性。将学生的注意吸引到课堂。 讲授新课 新知讲解：板书课题。一、输入———环境感知不足对于机器人的避障功能来说，感知环境中的障碍物是它的第一步，在未知或者部分未知的环境下，避障需要通过传感器获取周围环境信息。但在实际场景中使用传感器感知环境时会发现，有时传感器并不能很好地检测到障碍物，比如障碍物的位置、形态、大小不能确定时，靠单一的传感器检测往往不能得到较为确切的障碍物信息，如图3.3.1所示。在真正应用的过程中，需要多种传感器相结合，然后对不同传感器采集到的数据进行交叉反馈，以及信息融合，从而保证机器人能够稳定可靠地工作。避障使用的传感器多种多样，各有不同的原理和特点，目前常见的主要有视觉传感器、激光传感器、红外传感器、超声波传感器等。以超声波避障机器人检测不到类似于桌腿的复杂轮廓为例，可以尝试增加红外探测传感器来解决这个问题，硬件模块介绍如图3.3.2所示。 想要让机器人对环境的感知更加准确，可以增加传感器来对信息进行验证或增加冗余。例如给避障机器人增加红外探测传感器，置于前方时，可以扩大检测前方障碍物的范围；置于左、右两侧时，可以获得前方、左侧、右侧的环境信息，对移动环境有一个较为综合的判断，如图3.3.3所示。以避障机器人在前方增加红外传感器为例，对应的程序设计如图3.3.4所示。思考：将避障机器人置于真实的环境中进行测试，发现机器人在感知环境障碍物时还存在哪些问题？想一想：怎么做才能让机器人输入的信息更加准确？问题： 动态障碍物：移动的障碍物可能导致机器人无法及时作出反应，增加碰撞风险。传感器限制：传感器的视场范围、灵敏度和准确性可能不足以捕捉所有障碍物，尤其是在复杂或拥挤的环境中。怎样更准确： 多传感器融合：结合激光雷达、摄像头、超声波传感器等多种传感器的数据，通过融合算法提高 ... ...
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