🤖 Программирование робота для определения расстояния до препятствий

Практическая работа: создаем робота с ультразвуковым зрением

🔊 Датчики • 🧮 Точность • 🎯 Программирование • 🏆 Тестирование
5 класс • Технология • 90 минут

👨‍🏫 Учитель: Ахметов Рустам
🏫 Школа: ГБОУ № 1362
📅 Дата: 2025-06-11
🎯 Миссия: Создать робота, который умеет “видеть” препятствия!

🎯 План практической работы

🔊 Наша ультразвуковая миссия:

🔧 Собрать робота с ультразвуковым датчиком
💻 Создать программу для измерения расстояний
📏 Провести калибровку и проверить точность
🧮 Рассчитать погрешности измерений
⚙️ Оптимизировать программу с учетом погрешностей
🏆 Протестировать робота в соревновании

🎯 Результат работы:

Робот, который останавливается на точном расстоянии
Понимание факторов, влияющих на точность измерений
Навыки анализа и коррекции погрешностей

👥 Работаем в парах:

🔧 Конструктор - сборка и механика
💻 Программист - логика и алгоритмы

🔄 Актуализация знаний

Вспоминаем основы ультразвуковых измерений

❓ Блиц-опрос

🔊 Принцип работы ультразвукового датчика:

Как датчик измеряет расстояние до объекта?
Почему в формуле расчета мы делим время на 2?
От чего зависит скорость звука в воздухе?

🧮 Формула расчета расстояния:

1d = (v × Δt) / 2
2
3где:
4d - расстояние до объекта
5v - скорость звука (343 м/с при 20°C)
6Δt - время прохождения сигнала туда и обратно

🎯 Факторы точности:

Температура воздуха
Материал препятствия
Угол отражения
Электрические помехи

🎯 Постановка задачи

🤖 Техническое задание: Создать робота, который:

✅ Движется вперед до препятствия
✅ Останавливается на расстоянии 15 см от препятствия
✅ Работает с разными типами поверхностей
✅ Имеет погрешность не более ±2 см

📊 Критерии успеха:

Отлично (5): остановка в диапазоне 13-17 см
Хорошо (4): остановка в диапазоне 12-18 см
Удовлетворительно (3): остановка в диапазоне 10-20 см
Требует доработки (2): погрешность более ±5 см

🏆 Дополнительные вызовы:

Работа с препятствиями разной высоты
Остановка на разных заданных расстояниях
Плавное торможение без рывков

🔧 Этап 1: Сборка робота с датчиком

Создание измерительной платформы

📋 Компоненты системы

🧰 Основные детали:

Базовое шасси робота с колесами
Микроконтроллер (Arduino или аналог)
Ультразвуковой датчик HC-SR04
Соединительные провода
Батарейный блок
Светодиод для индикации

🔧 Инструменты:

Отвертки для крепления
Линейка для проверки расстояний
Рабочий лист для записи данных

📐 Правильное размещение датчика

🎯 Требования к установке:

Высота: 10-15 см от пола
Направление: строго вперед по ходу движения
Угол наклона: 0° (горизонтально)
Препятствия: ничто не должно закрывать датчик

📊 Схема установки:

 1      ┌─────────────┐
 2      │  Датчик HC  │  ← 10-15 см от пола
 3      │             │
 4      └─────────────┘
 5           │
 6    ┌──────┴──────┐
 7    │   Робот     │
 8    │             │
 9    └─────────────┘
10     🔄   🔄
11   колесо колесо

⚠️ Типичные ошибки установки:

Датчик направлен под углом вниз → измеряет расстояние до пола
Датчик слишком низко → “видит” мелкие неровности
Датчик закрыт другими деталями → ложные показания

🔌 Подключение датчика

📊 Таблица соединений:

Датчик HC-SR04	Arduino	Назначение
VCC	5V	Питание
GND	GND	Общий провод
Trig	Pin 7	Запуск измерения
Echo	Pin 8	Прием сигнала

✅ Проверка подключения:

Включить робота
Светодиод на датчике должен загореться
При поднесении руки к датчику на расстоянии 10 см должна быть реакция
Показания должны изменяться плавно при движении руки

💻 Этап 2: Программирование робота

Создание логики движения

🧠 Базовый алгоритм

📝 Логика работы “Остановка перед препятствием”:

 1АЛГОРИТМ Движение_с_остановкой():
 2  ПОСТОЯННО:
 3    расстояние = Измерить_расстояние_датчиком()
 4    
 5    ЕСЛИ расстояние > 20 см ТО
 6      Двигаться_вперед(нормальная_скорость)
 7      
 8    ИНАЧЕ ЕСЛИ расстояние > 15 см ТО  
 9      Двигаться_вперед(медленная_скорость)
10      
11    ИНАЧЕ
12      Остановиться()
13      Подать_звуковой_сигнал()
14    КОНЕЦ ЕСЛИ
15    
16    Ждать(100 мс)  // Задержка между измерениями
17  КОНЕЦ ПОСТОЯННО
18КОНЕЦ АЛГОРИТМА

🎯 Ключевые принципы:

Постоянное измерение расстояния
Разные скорости для разных зон
Плавное торможение
Звуковая индикация остановки

⚙️ Улучшенный алгоритм

📈 Адаптивное торможение:

 1АЛГОРИТМ Плавная_остановка():
 2  целевое_расстояние = 15  // см
 3  
 4  ПОСТОЯННО:
 5    текущее_расстояние = Измерить_расстояние()
 6    
 7    // Вычисляем скорость в зависимости от расстояния
 8    ЕСЛИ текущее_расстояние > 50 ТО
 9      скорость = 100  // максимальная
10      
11    ИНАЧЕ ЕСЛИ текущее_расстояние > целевое_расстояние ТО
12      // Линейное снижение скорости
13      скорость = (текущее_расстояние - целевое_расстояние) × 2
14      скорость = ОГРАНИЧИТЬ(скорость, 30, 100)
15      
16    ИНАЧЕ
17      скорость = 0  // остановка
18      Включить_красный_светодиод()
19    КОНЕЦ ЕСЛИ
20    
21    Установить_скорость_моторов(скорость)
22    Ждать(50 мс)
23  КОНЕЦ ПОСТОЯННО
24КОНЕЦ АЛГОРИТМА

💡 Преимущества улучшенного алгоритма:

Автоматическое замедление при приближении
Отсутствие резких остановок
Более точная остановка
Визуальная индикация состояния

🔧 Функция измерения с фильтрацией

🌊 Сглаживание показаний датчика:

 1ФУНКЦИЯ Стабильное_измерение():
 2  сумма = 0
 3  количество = 5
 4  
 5  // Делаем несколько измерений подряд
 6  ДЛЯ i = 1 ДО количество:
 7    измерение = Прочитать_датчик()
 8    сумма = сумма + измерение
 9    Ждать(20 мс)
10  КОНЕЦ ДЛЯ
11  
12  среднее = сумма / количество
13  ВОЗВРАТ среднее
14КОНЕЦ ФУНКЦИИ
15
16ФУНКЦИЯ Измерение_с_проверкой():
17  измерение1 = Стабильное_измерение()
18  Ждать(50 мс)
19  измерение2 = Стабильное_измерение()
20  
21  // Проверяем, что измерения близки
22  разность = АБС(измерение1 - измерение2)
23  
24  ЕСЛИ разность < 5 ТО  // см
25    ВОЗВРАТ (измерение1 + измерение2) / 2
26  ИНАЧЕ
27    // Повторяем измерение
28    ВОЗВРАТ Измерение_с_проверкой()
29  КОНЕЦ ЕСЛИ
30КОНЕЦ ФУНКЦИИ

📏 Этап 3: Калибровка и измерение точности

Научный подход к оценке погрешностей

🧪 Методика измерений

📊 План эксперимента:

Тест 1: Точность на разных расстояниях

1Эталонные расстояния: 10, 15, 20, 30, 50, 80, 100 см
2
3Для каждого расстояния:
41. Установить препятствие точно на заданном расстоянии
52. Запустить робота
63. Измерить фактическое расстояние остановки
74. Повторить 3 раза
85. Записать все результаты

Тест 2: Влияние материала препятствия

1Материалы: картон, металл, дерево, ткань, пластик
2
3Фиксированное расстояние: 20 см
4Для каждого материала провести 3 измерения

Тест 3: Влияние высоты препятствия

1Высоты: 5 см, 15 см, 30 см, 50 см
2
3Фиксированное расстояние: 25 см
4Материал: картон

📊 Таблица результатов измерений

📏 Тест точности по расстояниям:

Эталон, см	Попытка 1	Попытка 2	Попытка 3	Среднее	Абс. погрешность	Отн. погрешность, %
10	___	___	___	___	___	___
15	___	___	___	___	___	___
20	___	___	___	___	___	___
30	___	___	___	___	___	___
50	___	___	___	___	___	___
80	___	___	___	___	___	___
100	___	___	___	___	___	___

🧮 Формулы расчета погрешностей:

1Абсолютная погрешность = |Измеренное - Эталонное|
2Относительная погрешность = (Абсолютная погрешность / Эталонное) × 100%

🧱 Тест влияния материалов

📊 Фиксированное расстояние 20 см:

Материал	Попытка 1	Попытка 2	Попытка 3	Среднее	Погрешность	Особенности
Картон	___	___	___	___	___	___
Металл	___	___	___	___	___	___
Дерево	___	___	___	___	___	___
Ткань	___	___	___	___	___	___
Пластик	___	___	___	___	___	___

🔍 Ожидаемые результаты:

Металл: лучшее отражение, высокая точность
Картон: хорошее отражение, стабильные результаты
Ткань: плохое отражение, большие погрешности
Пластик: зависит от типа поверхности

📈 Анализ результатов

🔍 Выявление закономерностей:

График точности vs расстояние:

На каких расстояниях робот наиболее точен?
Как изменяется погрешность с увеличением расстояния?
Есть ли критическое расстояние, после которого точность резко падает?

Влияние материалов:

Какие материалы дают лучшие результаты?
Есть ли материалы, которые датчик “не видит”?
Как это учесть в программе робота?

Практические выводы:

Оптимальный диапазон работы для данной задачи
Необходимые коррекции в программе
Рекомендации по использованию

⚙️ Этап 4: Оптимизация программы

Учет погрешностей и улучшение точности

🔧 Коррекция на основе данных

📊 Создание таблицы поправок:

 1НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ:
 2
 3ЕСЛИ эталонное_расстояние = 10 см ТО
 4  поправка = +2 см  // датчик показывает меньше
 5  
 6ИНАЧЕ ЕСЛИ эталонное_расстояние = 20 см ТО
 7  поправка = -1 см  // датчик показывает больше
 8  
 9ИНАЧЕ ЕСЛИ эталонное_расстояние = 50 см ТО
10  поправка = +3 см  // систематическая ошибка
11КОНЕЦ ЕСЛИ
12
13скорректированное_расстояние = измеренное + поправка

🎯 Адаптивная остановка:

 1ФУНКЦИЯ Точная_остановка(целевое_расстояние):
 2  // Определяем поправку на основе целевого расстояния
 3  ЕСЛИ целевое_расстояние < 15 ТО
 4    поправка = +2
 5  ИНАЧЕ ЕСЛИ целевое_расстояние < 30 ТО  
 6    поправка = +1
 7  ИНАЧЕ
 8    поправка = 0
 9  КОНЕЦ ЕСЛИ
10  
11  скорректированная_цель = целевое_расстояние + поправка
12  
13  ПОСТОЯННО:
14    текущее = Измерить_расстояние()
15    
16    ЕСЛИ текущее <= скорректированная_цель ТО
17      Остановиться()
18      ВЫХОД ИЗ ЦИКЛА
19    КОНЕЦ ЕСЛИ
20    
21    Двигаться_вперед()
22  КОНЕЦ ПОСТОЯННО
23КОНЕЦ ФУНКЦИИ

🧠 Интеллектуальная фильтрация

🌊 Отсеивание ложных сигналов:

 1ФУНКЦИЯ Надежное_измерение():
 2  МАССИВ последние_измерения[5]
 3  
 4  ДЛЯ i = 0 ДО 4:
 5    последние_измерения[i] = Прочитать_датчик()
 6    Ждать(50 мс)
 7  КОНЕЦ ДЛЯ
 8  
 9  // Находим медианное значение (средний элемент)
10  Отсортировать(последние_измерения)
11  медиана = последние_измерения[2]
12  
13  // Проверяем на разумность
14  ЕСЛИ медиана > 2 И медиана < 200 ТО
15    ВОЗВРАТ медиана
16  ИНАЧЕ
17    ВОЗВРАТ Надежное_измерение()  // Повторяем
18  КОНЕЦ ЕСЛИ
19КОНЕЦ ФУНКЦИИ

🎯 Компенсация материалов:

 1ФУНКЦИЯ Коррекция_по_материалу(расстояние):
 2  // Анализируем стабильность сигнала
 3  измерение1 = Прочитать_датчик()
 4  Ждать(100 мс)
 5  измерение2 = Прочитать_датчик()
 6  
 7  нестабильность = АБС(измерение1 - измерение2)
 8  
 9  ЕСЛИ нестабильность > 5 ТО
10    // Вероятно, плохо отражающая поверхность
11    коррекция = -2  // приближаемся ближе
12  ИНАЧЕ
13    коррекция = 0   // стабильная поверхность
14  КОНЕЦ ЕСЛИ
15  
16  ВОЗВРАТ расстояние + коррекция
17КОНЕЦ ФУНКЦИИ

🏆 Этап 5: Тестирование и соревнование

Проверка в реальных условиях

🎯 Финальное тестирование

📋 Тест-кейсы для проверки:

Тест 1: Стандартный режим

Цель: остановка на 15 см от картонной коробки
Повторить 5 раз
Записать все результаты

Тест 2: Разные материалы

Цель: остановка на 20 см
Препятствия: металл, дерево, ткань
По 3 попытки для каждого

Тест 3: Разные расстояния

Цели: 10, 15, 25, 30 см
Препятствие: картон
По 3 попытки для каждого расстояния

🏁 Мини-соревнование “Точная остановка”

🎯 Правила соревнования:

Задача: Остановиться точно на 15 см от препятствия

Условия:

Препятствие: картонная коробка высотой 20 см
Стартовая позиция: 100 см от препятствия
У каждой команды 3 попытки
Засчитывается лучший результат

📊 Система оценки:

1Отклонение от 15 см:
20-1 см → 10 баллов (идеально!)
31-2 см → 8 баллов (отлично)
42-3 см → 6 баллов (хорошо)  
53-5 см → 4 балла (удовлетворительно)
65+ см → 2 балла (требует доработки)

🏆 Дополнительные номинации:

🎯 “Самый стабильный” - минимальный разброс между попытками
⚡ “Самый быстрый” - кратчайшее время до остановки
🧠 “Самый умный” - лучшая адаптация к разным материалам

📊 Протокол соревнования

Команда	Попытка 1, см	Попытка 2, см	Попытка 3, см	Лучший результат	Отклонение	Баллы
1	___	___	___	___	___	___
2	___	___	___	___	___	___
3	___	___	___	___	___	___
4	___	___	___	___	___	___

🔍 Анализ успехов и неудач

💡 Факторы успеха:

Качественная калибровка датчика
Правильное размещение на роботе
Эффективные алгоритмы фильтрации
Учет особенностей разных материалов

⚠️ Типичные проблемы:

Вибрации при движении влияют на датчик
Неравномерность пола дает ложные сигналы
Угол наклона робота изменяет показания
Электрические помехи от моторов

🛠️ Пути улучшения:

Жесткое крепление датчика
Программная компенсация наклона
Экранирование от электрических помех
Использование нескольких датчиков

🏠 Домашнее задание

📋 Обязательные задания

1. Отчет о практической работе Оформите подробный отчет, включающий:

📊 Структура отчета:

Цель работы и поставленные задачи
Описание конструкции робота с фотографиями
Таблицы измерений с расчетом погрешностей
Анализ результатов - выявленные закономерности
Выводы о точности и факторах, влияющих на измерения
Предложения по улучшению конструкции и программы

2. Идеи по улучшению точности Предложите и обоснуйте 3 способа повышения точности ультразвукового датчика:

💡 Возможные направления:

Конструктивные улучшения (крепление, защита от помех)
Программные решения (алгоритмы фильтрации, коррекции)
Методические подходы (калибровка, компенсация внешних факторов)

🎯 Дополнительные задания (по выбору)

🔬 Для исследователей: Проведите дополнительное исследование влияния температуры на точность измерений:

Измерьте точность в разных помещениях (теплое/прохладное)
Рассчитайте теоретическую поправку на температуру
Сравните с практическими результатами

💻 Для программистов: Разработайте улучшенный алгоритм работы робота:

Автоматическое определение типа поверхности
Адаптивная корректировка параметров
Система самообучения на основе предыдущих измерений

🛠️ Для конструкторов: Спроектируйте систему из нескольких датчиков:

Схема расположения 2-3 датчиков на роботе
Алгоритм обработки показаний нескольких датчиков
Анализ преимуществ мультисенсорной системы

🎉 Подведение итогов практикума

🏆 Наши ультразвуковые достижения

🔧 Конструкторские навыки:

✅ Собрали робота с правильно размещенным датчиком
✅ Научились учитывать физические факторы при установке
✅ Освоили принципы механической стабилизации

💻 Программистские навыки:

✅ Создали алгоритм движения с остановкой
✅ Реализовали фильтрацию и коррекцию сигналов
✅ Научились оптимизировать программу по результатам тестов

📊 Аналитические навыки:

✅ Провели систематические измерения
✅ Рассчитали абсолютные и относительные погрешности
✅ Выявили факторы, влияющие на точность

🌟 Главные открытия

🎯 Ключевые выводы практикума:

“Точность робота зависит не только от датчика, но и от качества программы”

“Систематические ошибки можно компенсировать, если их понимать”

“Реальные условия всегда сложнее теоретических расчетов”

🔮 Применение в будущем:

Автономные автомобили с системами парковки
Роботы-помощники для людей с нарушениями зрения
Системы автоматического складирования
Дроны с функциями избегания препятствий

📏 Рефлексия “Лестница успеха”

🎯 Оцените себя по шкале от 1 до 5:

🔧 Сборка робота с датчиком: ⭐⭐⭐⭐⭐ 💻 Программирование алгоритмов: ⭐⭐⭐⭐⭐ 📊 Проведение измерений: ⭐⭐⭐⭐⭐ 🧮 Расчет погрешностей: ⭐⭐⭐⭐⭐ 🔍 Анализ результатов: ⭐⭐⭐⭐⭐

💭 Поделитесь впечатлениями:

Что было самым сложным в практической работе?
Какой результат вас больше всего удивил?
Как можно применить полученные навыки в других проектах?
Какие идеи для улучшения у вас появились?

🔮 Следующий урок: “Системы автоматического управления в робототехнике”

🎯 Готовимся к новым технологиям:

Принципы обратной связи
ПИД-регуляторы для точного управления
Автоматическая стабилизация систем
Адаптивные алгоритмы управления

🤖 ВЫ СОЗДАЛИ РОБОТА С ТОЧНЫМ ЗРЕНИЕМ!
Теперь ваши роботы умеют не просто видеть препятствия, но и точно рассчитывать расстояния с учетом погрешностей!

Эталон, см	Попытка 1	Попытка 2	Попытка 3	Среднее	Абс. погрешность	Отн. погрешность, %
10	___	___	___	___	___	___
15	___	___	___	___	___	___
20	___	___	___	___	___	___
30	___	___	___	___	___	___
50	___	___	___	___	___	___
80	___	___	___	___	___	___
100	___	___	___	___	___	___

Команда	Попытка 1, см	Попытка 2, см	Попытка 3, см	Лучший результат	Отклонение	Баллы
1	___	___	___	___	___	___
2	___	___	___	___	___	___
3	___	___	___	___	___	___
4	___	___	___	___	___	___

Эталон, см	Попытка 1	Попытка 2	Попытка 3	Среднее	Абс. погрешность	Отн. погрешность, %
10	___	___	___	___	___	___
15	___	___	___	___	___	___
20	___	___	___	___	___	___
30	___	___	___	___	___	___
50	___	___	___	___	___	___
80	___	___	___	___	___	___
100	___	___	___	___	___	___

Команда	Попытка 1, см	Попытка 2, см	Попытка 3, см	Лучший результат	Отклонение	Баллы
1	___	___	___	___	___	___
2	___	___	___	___	___	___
3	___	___	___	___	___	___
4	___	___	___	___	___	___

Эталон, см	Попытка 1	Попытка 2	Попытка 3	Среднее	Абс. погрешность	Отн. погрешность, %
10	___	___	___	___	___	___
15	___	___	___	___	___	___
20	___	___	___	___	___	___
30	___	___	___	___	___	___
50	___	___	___	___	___	___
80	___	___	___	___	___	___
100	___	___	___	___	___	___

Команда	Попытка 1, см	Попытка 2, см	Попытка 3, см	Лучший результат	Отклонение	Баллы
1	___	___	___	___	___	___
2	___	___	___	___	___	___
3	___	___	___	___	___	___
4	___	___	___	___	___	___