Робот, двигающийся по чёрной линии

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Ахматовская средняя общеобразовательная школа»

«Первый шаг в науку - 2017»

Секция естественнонаучного направления

РОБОТ, ДВИГАЮЩИЙСЯ ПО ЧЁРНОЙ ЛИНИИ

Творческий проект

Авторы проекта: Чирков Алексей Евгеньевич, ученик 6 класса МБОУ «Ахматовская СОШ».

Федоров Илья Юрьевич, ученик МБОУ «Ахматовская СОШ».

Руководитель проекта: учитель математики и информатики МБОУ «Ахматовская СОШ» Кашкин Александр Валерьевич

с. Ахматово 2017

Введение Обоснование выбора темы

Появление в школе комплектов Робототехники LEGO Mindstorms NXT нас очень заинтересовало. Это не просто детская игра, а целая наука, объединяющая в себя физику, математику, информатику, английский. Мы решили изучить данную науку, чтобы воплощать в роботах свои фантазии. Активно участвовать в муниципальных и республиканских соревнованиях по робототехнике.

Актуальность

Робототехника быстро становится неотъемлемой частью учебного процесса, она легко вписывается в школьную программу обучения по техническим предметам. Ключевые опыты в физике и математике можно наглядно показать с помощью LEGO роботов. 

Робототехника поощряет мыслить творчески, анализировать ситуацию и применять критическое мышление для решения реальных проблем. Работа в команде и сотрудничество укрепляет коллектив, а соперничество на соревнованиях дает стимул к учебе. Возможность делать и исправлять ошибки в работе самостоятельно заставляет школьников находить решения без потери уважения среди сверстников. Робот не ставит оценок и не дает домашних заданий, но заставляет работать умственно и постоянно.

Различные языки программирования графическими элементами помогают школьникам мыслить логически и рассматривать вариантность действия робота. Обработка информации с помощью датчиков и настройка датчиков дают школьникам представление о различных вариантах понимания и восприятия мира живыми системами.

Цель проекта:

Создание робота для соревнований «Шорт-трек» на республиканском этапе по робототехнике «РобоФест-2017» в г. Чебоксары для младших школьников (9-11 лет).

Задачи проекта:

• познакомиться с конструктором LEGO NXT

• изучить основы программирования в среде LEGO MINDSTORMS NXT 2.0

• сконструировать модель робота

• создать программу для управления роботом

• испытать полученного робота

Предмет исследования:

конструктор со средой программирования LEGO MINDSTORMS NXT.

Гипотеза:

робототехника позволяет воплощать в роботах свои фантазии.

Ожидаемые результаты

• умение программировать в среде LEGO MINDSTORMS NXT 2.0,

• умение конструировать различные модели роботов,

• заинтересованность обучающихся школы в изучении Робототехники.

Методы реализации проекта:

1. Объяснительно-иллюстративный – предъявление информации различными способами (объяснение, рассказ, беседа, инструктаж, демонстрация, работа с литературой и др);

2. Эвристический – метод творческой деятельности (создание творческих моделей и т.д.);

3. Проблемный – постановка проблемы и самостоятельный поиск её решения;

4. Программированный – набор операций, которые необходимо выполнить в ходе выполнения практических работ (компьютерный практикум);

5. Репродуктивный – воспроизводство знаний и способов деятельности (собирание моделей и конструкций по образцу, упражнения по аналогу);

6. Частично-поисковый – решение проблемных задач с помощью педагога;

7. Поисковый – самостоятельное решение проблем.

Материальные ресурсы:

• конструктор с программным обеспечением Lego Mindstorms NXT – 2 набора,

• АРМ ученика и учителя (компьютер, проектор, сканер, принтер)

Этапы разработки проекта:

1. Организационный этап (октябрь, ноябрь 2016г.)

• знакомство с конструктором LEGO NXT

• изучение основ программирования в среде LEGO MINDSTORMS

NXT 2.0

1. Этап реализации проекта ( декабрь 2016 г., январь 2017 г.)

• разработка механизма робота на основе конструктора LEGO NXT.

• составление программы для управления роботом в среде LEGO MINDSTORMS NXT 2.0

• тестирование модели робота, устранение дефектов и неисправностей.

1. Заключительный этап (февраль 2017 г.)

• защита проекта

• демонстрация модели робота

Основная часть Теоретические положения

Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Активное участие и поддержка Российских и международных научно-технических и образовательных проектов в области робототехники позволит ускорить подготовку кадров, развитие новых научно-технических идей, обмен технической информацией и инженерными знаниями, реализацию инновационных разработок в области робототехники в России и по всему миру.

Человечество остро нуждается в роботах, которые могут без помощи оператора тушить пожары, самостоятельно передвигаться по заранее неизвестной, реальной пересеченной местности, выполнять спасательные операции во время стихийных бедствий, аварий атомных электростанций, в борьбе с терроризмом. Кроме того, по мере развития и совершенствования робототехнических устройств возникла необходимость в мобильных роботах, предназначенных для удовлетворения каждодневных потребностей людей: роботах-сиделках, роботах-нянечках, роботах-домработницах, роботах - всевозможных детских и взрослых игрушках и т.д. И уже сейчас в современном производстве и промышленности востребованы специалисты обладающие знаниями в этой области. Начинать готовить таких специалистов нужно в школе и с самого младшего возраста. Поэтому, образовательная робототехника в школе приобретает все большую значимость и актуальность в настоящее время. В качестве основного оборудования при обучении детей робототехнике в школах предлагаются конструкторы LEGO MINDSTORMS NXT.

LEGO Mindstorms NXT – это конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для создания программируемого робота.

Впервые представлен компанией LEGO в 1998 году.

С помощью этих наборов можно организовать высокомотивированную учебную деятельность по пространственному конструированию, моделированию и автоматическому управлению.

Конструирование робота.

Наша задача была создать робота, двигающегося по чёрной линии как можно с большей скоростью. Для этого были использованы балки и соединительные втулки различной величины и формы, два датчика освещённости, один датчик расстояния, два сервермотора, программируемый микрокомпьютер NXT 2.0 и соединительные провода. Для увеличения скорости использовали шестерёнки, по две на каждое колесо. В конструкции робота нужно было правильно подойти: к увеличению скорости, так как датчики освещённости не всегда успевали реагировать на изменение освещённости, к правильному расположению датчиков освещённости над игровым полем и к расстоянию между датчиками ( 1 см и 8-7 см ). Датчик расстояния нужно было установить так, чтобы он мог определить расстояние примерно до такого же по размерам робота.

Программирование робота.

Программирования робота проводилось в среде программирования NXT 2.0, на моноблоке.

Первый способ.

Для разработки программы был применён алгоритм движения по чёрной линии с использованием двух датчиков освещённости: когда два датчика одновременно находятся на белом поле или на чёрном (на перекрёстке) – работают два двигателя, если же правый находится на белым, а левый на чёрном поле, то правый двигатель работает, а левый стоп и наоборот, когда левый находится на белым, а правый на чёрном, то работает левый, а правый стоп. В результате такого программирования мы получили программу:

Второй способ.

Второй способ программирования заключается в том, что мощность работы двигателей зависит от величины показания датчиков освещённости. Показания датчиков обрабатываются с помощью арифметических блоков и подаются на двигатели. В результате мы получили такую программу:

Тестирование робота.

Для тестирования было изготовлено игровое поле. Его размеры и виды линий совпадали с размерами и видами линий, которые используются на соревнованиях по робототехнике.

В результате тестирования программ были сделаны выводы: вторая программа наиболее эффективная, так как в результате её исполнения робот проходил трассу плавне и в результате время на прохождения трассы робот тратил в два раза меньше.

Реализация проекта

На ступени реализации организационного этапа мы изучили:

• основные компоненты конструкторов LEGO;

• конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов;

• компьютерную среду, включающую в себя графический язык программирования;

• виды подвижных и неподвижных соединений в конструкторе;

• виды имеющихся датчиков и принцип их работы;

• основные приемы конструирования роботов;

• конструктивные особенности различных роботов;

• как передавать программы в NXT;

• как использовать созданные программы;

• приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов, и других объектов и т.д.).

Заключение

В ходе реализации проекта у нас сформировались умения и навыки:

• самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования роботов (планирование предстоящих действий, самоконтроль, применять полученные знания, приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов и т.д.);

• создавать действующие модели роботов на основе конструктора LEGO;

• создавать программы на компьютере на основе компьютерной программы MINDSTORMS NXT 2.0;

• передавать (загружать) программы в NXT;

• корректировать программы при необходимости;

• демонстрировать технические возможности роботов;

• излагать логически правильно действие своей модели (проекта).

Вывод

В результате реализации проекта «Робот, движущийся по чёрной линии» у нас получилась модель робота, которую можно успешно использовать на соревнованиях по робототехнике. Мы получили первые навыки программирования в среде LEGO MINDSTORMS NXT 2.0.

Перспективы развития проекта

• создание новых моделей роботов,

• участие в различных состязаниях робот,

Библиографический список Список литературы для учителя:

1. Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 классов/Д.Г.Копосов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 87 стр.

2. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2010, 195 стр.

3. Образовательная робототехника в дополнительном образовании школьников: Методическое пособие/ Гинзбург Е.Е., Винокурова А.В. – Йошкар-Ола: ОАНО «Инфосфера», 2011. – 32 стр.

4. Программное обеспечение MINDSTORMS NXT 2.0 .

Список литературы для школьников:

1. Первый шаг в робототехнику: рабочая тетрадь для 5-6 классов/ Д.Г.Копосов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012

2. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2010,

3. Образовательная робототехника в дополнительном образовании школьников: рабочая тетрадь/ Гинзбург Е.Е., Винокурова А.В. – Йошкар-Ола: ОАНО «Инфосфера», 2011

Интернет ресурсы:

• http://lego.rkc-74.ru/

• http://www.lego.com/education/

• http://www.wroboto.org/

• http://www.roboclub.ru/

• http://robosport.ru/

• http://www.prorobot.ru/