🌊 Акустика • 🔦 Оптика • 📐 Математика • 🤖 Робототехника
6 класс • Технология • 55 минут
👨🏫 Учитель: Ахметов Рустам
🏫 Школа: ГБОУ № 1362
📅 Дата: 2025-06-13
🎯 Цель: Стать экспертами по датчикам расстояния!
Создать комплексную методическую презентацию для изучения различных типов датчиков расстояния с акцентом на физические принципы работы, математические расчеты и инженерный анализ применимости.
📡 Наша исследовательская миссия:
🎯 К концу исследования мы сможем:
🎥 Демонстрация видео: “Роботы, избегающие препятствий”
Показ видеофрагментов:
❓ Проблемные вопросы:
🛡️ Безопасность и предотвращение столкновений:
1Критические ситуации:
2- Обнаружение препятствий на пути
3- Определение безопасной дистанции
4- Экстренное торможение
5- Избегание столкновений с людьми
6
7Требования к датчикам:
8- Скорость реакции: < 100 мс
9- Дальность: 0.1 - 10 м
10- Точность: ±2-5 см
11- Работа в любых условиях
🗺️ Навигация и картографирование:
1Задачи навигации:
2- Построение карты окружения
3- Определение положения робота
4- Планирование оптимального маршрута
5- Обход динамических препятствий
6
7Технические требования:
8- Угол обзора: 360°
9- Разрешение: 1-5°
10- Дальность: до 100 м
11- Обновление: 10-50 Гц
🎯 Точное позиционирование:
1Примеры применения:
2- Промышленная сборка
3- Медицинские операции
4- Складская логистика
5- Строительные работы
6
7Характеристики:
8- Точность: ±0.1-1 мм
9- Стабильность во времени
10- Калибровка и коррекция
11- Множественные измерения
🏭 Промышленная автоматизация:
Складские роботы Amazon:
1Система Kiva (Amazon Robotics):
2- 15,000+ роботов на одном складе
3- Скорость: 1.3 м/с
4- Грузоподъемность: 320 кг
5- Точность позиционирования: ±5 мм
6
7Датчики:
8- Лазерные сканеры для навигации
9- ИК-датчики для обнаружения препятствий
10- Камеры для распознавания QR-кодов
11- Ультразвуковые для точной парковки
🚗 Автомобильная индустрия:
Tesla Model S (2025):
1Автопилот 4.0:
2- 8 камер (360° обзор)
3- 12 ультразвуковых датчиков
4- 1 радар миллиметрового диапазона
5- Компьютер FSD Beta 12
6
7Возможности:
8- Автономное вождение Level 4
9- Парковка без водителя
10- Вызов автомобиля со смартфона
11- Объезд препятствий
🚁 Беспилотная авиация:
DJI Phantom 4 Pro:
1Система предотвращения столкновений:
2- 5 направлений обзора
3- Дальность: 30 м
4- Точность: ±0.1 м
5- Скорость обработки: 20 Гц
6
7Применение:
8- Аэрофотосъемка
9- Инспекция инфраструктуры
10- Поисково-спасательные операции
11- Сельское хозяйство
🎯 Техническое задание:
Спроектировать сенсорную систему для робота-помощника
Условия задачи:
- Работа в доме среди людей и мебели
- Скорость движения до 0.5 м/с
- Обнаружение препятствий высотой от 1 см
- Работа при различном освещении
- Бюджет: не более $200
Ограничения:
- Безопасность людей - приоритет №1
- Энергопотребление < 5 Вт
- Размеры датчиков < 5×5×3 см
- Время отклика < 50 мс
🤔 Вопросы для размышления:
🔊 Эхолокация в животном мире:
Летучие мыши:
1Система биосонара:
2- Частота: 20-200 кГц (ультразвук)
3- Дальность: до 50 м
4- Точность: ±1 см
5- Разрешение по времени: 2-3 мкс
6
7Особенности:
8- Допплеровское смещение для скорости
9- Изменение частоты для фокусировки
10- Подавление собственного эха
11- Работа в группах без помех
Дельфины и киты:
1Гидролокация:
2- Частота: 100-150 кГц
3- Дальность: до 100 м под водой
4- Различение объектов размером 2-3 см
5- Проникновение в грунт до 1 м
6
7Применение:
8- Поиск пищи в мутной воде
9- Навигация в темноте
10- Общение между особями
11- Обнаружение хищников
🎯 Принципы биологической эхолокации:
🧠 Человеческая система стереозрения:
Бинокулярное зрение:
\[d = \frac{B \times f}{p}\]где:
Монокулярные признаки глубины:
Точность человеческого зрения:
📏 Классические методы:
Оптическая дальнометрия:
1Триангуляция:
2- Базисное расстояние (известное)
3- Углы наблюдения (измеряемые)
4- Расчет по теореме синусов
5
6Формула:
7d = B × sin(α) / sin(γ)
8
9где B - базис, α и γ - углы треугольника
Лазерная интерферометрия:
1Принцип:
2- Когерентный лазерный луч
3- Интерференция прямого и отраженного лучей
4- Подсчет интерференционных полос
5- Точность до долей микрометра
6
7Применение:
8- Научные измерения
9- Контроль качества
10- Калибровка оборудования
⏱️ Временные методы:
Время распространения сигнала:
\[d = \frac{v \times t}{2}\]где:
Скорости различных сигналов:
🛰️ GPS и глобальное позиционирование:
1Принцип работы GPS:
2- 24+ спутника на орбите
3- Точное время атомных часов
4- Расчет по 4+ спутникам одновременно
5- Коррекция атмосферных искажений
6
7Точность:
8- Гражданский GPS: ±3-5 м
9- Дифференциальный GPS: ±1 м
10- RTK GPS: ±2 см
11- Военный GPS: ±1 м
📡 Радарные системы:
1Радиолокация:
2- Частота: 1-100 ГГц
3- Дальность: до 1000 км
4- Всепогодность
5- Проникновение через препятствия
6
7Применение:
8- Авиационная навигация
9- Контроль воздушного движения
10- Автомобильные системы безопасности
11- Метеорология
🔥 Инфракрасная термография:
1ИК-дальнометрия:
2- Длина волны: 0.7-14 мкм
3- Пассивные и активные системы
4- Работа в темноте
5- Обнаружение тепловых объектов
6
7Ограничения:
8- Влияние температуры окружения
9- Поглощение атмосферой
10- Отражения от гладких поверхностей
🔊 Физические основы ультразвука:
Акустические волны:
\[\lambda = \frac{v}{f}\]где:
Скорость звука в различных средах:
Диапазон ультразвука:
📊 Технические характеристики:
| Параметр | Значение | Единица |
|---|---|---|
| Рабочая частота | 40 | кГц |
| Дальность | 2 - 400 | см |
| Точность | ±3 | мм |
| Угол излучения | 15 | градусов |
| Время отклика | 38 | мс |
| Напряжение питания | 5 | В |
| Ток потребления | 15 | мА |
🔧 Принцип работы HC-SR04:
1Временная диаграмма работы:
2
3Trigger ────┐ ┌──────
4 │ │
5 └────┘
6 ≥10μs
7
8Echo ──────────┐ ┌────
9 │ t_echo │
10 └─────────┘
11
12Расчет расстояния:
13d = (t_echo × v_звука) / 2
14d = (t_echo × 343) / 2 [м/с]
⚡ Алгоритм измерения:
🌈 Спектр электромагнитного излучения:
1Электромагнитный спектр:
2Видимый свет: 380-750 нм
3Ближний ИК: 750-1400 нм ← Используется в датчиках
4Средний ИК: 1400-3000 нм
5Дальний ИК: 3000+ нм
6
7Особенности ИК-излучения:
8- Не видимо человеческим глазом
9- Хорошо отражается от большинства материалов
10- Поглощается некоторыми веществами
11- Рассеивается в тумане и дыму
📐 Принцип триангуляции:
Sharp GP2Y0A21 использует активную триангуляцию:
\[d = \frac{f \times B}{p + p_0}\]где:
📊 Характеристики Sharp GP2Y0A21:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Дальность | 10-80 см |
| Точность | ±1 см |
| Время отклика | 16.5 мс |
| Выходной сигнал | 0.4-3.1 В |
| Угол измерения | ±6° |
| Потребление | 30 мА |
⚡ Время пролета (Time-of-Flight):
Лазерные датчики используют модулированный лазерный луч для высокоточных измерений.
Принцип работы ToF:
\[d = \frac{c \times t}{2 \times n}\]где:
Фазовый метод:
\[d = \frac{c \times \Delta\phi}{4\pi \times f \times n}\]где:
🎯 Преимущества лазерных датчиков:
⚠️ Ограничения:
⚙️ Механические контактные датчики:
Концевые выключатели (Limit Switches):
1Принцип работы:
2- Механический контакт
3- Электрическое замыкание/размыкание
4- Мгновенная реакция на касание
5- Высокая надежность
6
7Характеристики:
8- Дальность: 0 мм (только контакт)
9- Точность: зависит от конструкции
10- Время срабатывания: < 1 мс
11- Ресурс: 10⁶ - 10⁷ срабатываний
Резистивные датчики давления:
1FSR (Force Sensitive Resistor):
2- Изменение сопротивления при нажатии
3- Аналоговый выходной сигнал
4- Измерение силы нажатия
5- Компактные размеры
6
7Применение:
8- Роботизированные захваты
9- Сенсорные панели
10- Системы безопасности
11- Медицинские приборы
🔧 Индуктивные и емкостные датчики:
Индуктивные датчики приближения:
\[L = L_0 \times (1 + k \times \frac{1}{d^n})\]где k и n - константы, зависящие от материала объекта
Емкостные датчики:
\[C = \varepsilon_0 \times \varepsilon_r \times \frac{S}{d}\]где:
🦇 “Летучие мыши”:
1Инструкция:
21. Разделитесь на пары
32. Один - "летучая мышь" (глаза закрыты)
43. Другой - "препятствие"
54. "Мышь" издает звуки "пип-пип"
65. "Препятствие" отвечает эхом "эхо-эхо" с задержкой
76. По времени задержки определяем расстояние
8
9Правила:
10- Чем дальше препятствие, тем больше задержка
11- Начинаем с расстояния 1 м
12- Постепенно приближаемся
13- Меняемся ролями через 2 минуты
📡 “LiDAR-робот”:
1Инструкция:
21. Один ученик - "лазерный датчик"
32. Остальные - препятствия в комнате
43. "Датчик" поворачивается на 360° и "сканирует"
54. Показывает рукой на каждое препятствие
65. Называет примерное расстояние
76. Строим "карту" расположения препятствий
8
9Движения:
10- Плавный поворот на месте
11- Вытянутая рука = лазерный луч
12- Фиксация на каждом объекте
13- Построение ментальной карты
🤖 “Робот-слепец”:
1Инструкция:
21. Один ученик - робот с закрытыми глазами
32. "Датчики" - вытянутые руки впереди
43. Медленное движение по классу
54. При касании препятствия - остановка
65. Определение формы и размера объекта
76. Обход препятствия и продолжение движения
8
9Безопасность:
10- Очень медленные движения
11- Партнер рядом для подстраховки
12- Убрать острые предметы
13- Остановка по команде "стоп"
📋 Задача групповой работы: Провести комплексный сравнительный анализ датчиков расстояния для различных робототехнических применений
👥 Организация работы:
🔧 Сценарии для анализа:
🔍 Подробный сравнительный анализ:
| Параметр | Ультразвуковой (HC-SR04) | ИК-датчик (Sharp) | Лазерный (LiDAR) | Тактильный |
|---|---|---|---|---|
| Принцип работы | Эхолокация | Триангуляция ИК | Time-of-Flight | Механический контакт |
| Дальность, м | 0.02 - 4.0 | 0.1 - 0.8 | 0.1 - 100+ | 0 (только касание) |
| Точность | ±3 мм | ±10 мм | ±1 мм | Зависит от конструкции |
| Угол обзора | 15° | 6° | 0.1° - 360° | Точка контакта |
| Время отклика | 38 мс | 16.5 мс | 1-10 мс | < 1 мс |
| Частота измерений | 25 Гц | 60 Гц | 100-1000 Гц | Мгновенно |
| Потребление | 15 мА | 30 мА | 100-1000 мА | 1-10 мА |
| Стоимость, $ | 2-5 | 10-20 | 100-10000 | 1-10 |
| Размеры, мм | 45×20×15 | 30×13×13 | 50×50×30+ | Переменные |
🌦️ Анализ работы в различных условиях:
Температура:
1Ультразвуковые датчики:
2- Скорость звука зависит от температуры
3- Коррекция: v = 331 + 0.6×T
4- Рабочий диапазон: -40°C до +85°C
5- Дрейф показаний: ±2% на 50°C
6
7ИК-датчики:
8- Слабая зависимость от температуры
9- Возможен дрейф нуля
10- Рабочий диапазон: -10°C до +60°C
11- Стабильность: ±1% во всем диапазоне
Освещенность:
1Ультразвуковые: не зависят от света
2ИК-датчики:
3- Засветка солнцем снижает точность
4- ИК-фильтры частично решают проблему
5- Лучше работают в помещении
6
7Лазерные:
8- Засветка влияет на дальность
9- Мощные лазеры менее чувствительны
10- Фильтрация по длине волны
Влажность и осадки:
1Ультразвуковые:
2- Поглощение звука в тумане
3- Капли дождя как ложные цели
4- Снижение дальности до 30%
5
6ИК и лазерные:
7- Рассеяние на каплях воды
8- Поглощение в тумане
9- Критичное снижение дальности
🏠 Робот-пылесос в квартире:
Анализ требований:
1Условия эксплуатации:
2- Расстояния: 5 см - 3 м
3- Препятствия: мебель, стены, люди, питомцы
4- Поверхности: различные материалы и цвета
5- Освещение: переменное, включая темноту
6- Энергопотребление: критично важно
7
8Рекомендация: ИК-датчик + ультразвуковой
9Обоснование:
10✓ ИК для быстрого обнаружения близких препятствий
11✓ Ультразвук для работы с темными поверхностями
12✓ Низкое энергопотребление
13✓ Доступная стоимость
🚗 Беспилотный автомобиль:
Критические требования:
1Безопасность:
2- Дальность: до 150 м
3- Скорость реакции: < 10 мс
4- Всепогодность: дождь, снег, туман
5- Множественные цели одновременно
6- Различение статических/динамических объектов
7
8Рекомендация: LiDAR + радар + камеры
9Обоснование:
10✓ LiDAR для точного 3D-картографирования
11✓ Радар для всепогодной работы
12✓ Камеры для распознавания объектов
13✓ Резервирование критично важно
🔬 Лабораторный манипулятор:
Требования точности:
1Позиционирование:
2- Точность: ±0.1 мм
3- Повторяемость: ±0.05 мм
4- Диапазон: 1-50 см
5- Скорость: высокая частота измерений
6- Стабильность во времени
7
8Рекомендация: Лазерный + тактильный
9Обоснование:
10✓ Лазер для бесконтактного позиционирования
11✓ Тактильный для финальной коррекции
12✓ Максимальная точность
13✓ Контролируемые условия среды
🧮 Количественная оценка:
Каждый критерий оценивается по 5-балльной шкале и умножается на весовой коэффициент:
| Критерий | Вес | УЗ-датчик | ИК-датчик | Лазерный | Тактильный |
|---|---|---|---|---|---|
| Точность | 0.25 | 3 | 2 | 5 | 4 |
| Дальность | 0.20 | 4 | 2 | 5 | 1 |
| Скорость | 0.15 | 2 | 3 | 5 | 5 |
| Стоимость | 0.15 | 5 | 4 | 1 | 5 |
| Надежность | 0.10 | 4 | 3 | 3 | 5 |
| Энергопотребление | 0.10 | 5 | 4 | 2 | 5 |
| Универсальность | 0.05 | 4 | 3 | 4 | 2 |
Расчет интегральной оценки:
\[S = \sum_{i=1}^{n} w_i \times s_i\]где w_i - весовой коэффициент, s_i - оценка по критерию
🤖 Мультисенсорные системы:
Сенсорная фузия (Sensor Fusion):
1Принципы объединения данных:
21. Комплементарность - датчики дополняют друг друга
32. Резервирование - дублирование критических функций
43. Кросс-валидация - взаимная проверка показаний
54. Адаптивный выбор - переключение по условиям
6
7Математическая модель:
8d_final = w1×d_lidar + w2×d_ultrasonic + w3×d_IR
9
10где весовые коэффициенты wi зависят от:
11- Качества сигнала
12- Условий окружающей среды
13- Дальности до объекта
14- Скорости изменения сцены
Примеры успешных комбинаций:
⏱️ Регламент презентаций:
🎯 План технической презентации:
1. Анализ задачи и требований (30 сек):
2. Техническое обоснование выбора (60 сек):
3. Итоговое техническое решение (30 сек):
📈 Система оценивания (25 баллов максимум):
Техническая корректность (10 баллов):
Инженерная методология (8 баллов):
Качество презентации (7 баллов):
🔬 Технические аспекты:
⚙️ Инженерные решения:
🌍 Практические применения:
🔬 Что мы изучили о физике датчиков:
🛠️ Какие инженерные навыки мы развили:
📊 Понимание принципов робототехнического дизайна:
🎯 Оцените свое понимание (1-5 баллов):
🔬 Физические принципы работы датчиков: ⭐⭐⭐⭐⭐
📐 Технические характеристики сенсоров: ⭐⭐⭐⭐⭐
🎯 Инженерный анализ и выбор: ⭐⭐⭐⭐⭐
🎤 Техническая коммуникация: ⭐⭐⭐⭐⭐
🔬 Универсальные законы сенсорных систем:
⚙️ Специфика робототехнического проектирования:
🌍 Связь с современными технологиями:
🔮 Тенденции технологического развития:
Квантовые датчики:
Нейроморфные сенсоры:
Мультиспектральные системы:
Распределенные сенсорные сети:
1. Технический словарь сенсорных систем Создать иллюстрированный словарь терминов:
1Структура словарной статьи:
2- Термин на русском и английском языках
3- Определение с техническими деталями
4- Физический принцип работы
5- Математическая формула (если применимо)
6- Схема или иллюстрация
7- Примеры применения в робототехнике
8
9Минимум 15 терминов:
10- Ультразвук, эхолокация, триангуляция
11- Time-of-Flight, LiDAR, дальномер
12- Диапазон измерения, точность, разрешение
13- Время отклика, мертвая зона, угол обзора
14- И другие ключевые понятия
2. Исследование применений в быту Найти и проанализировать применения датчиков расстояния:
| Устройство | Тип датчика | Принцип работы | Технические характеристики |
|---|---|---|---|
| Парковочные датчики | |||
| Автоматические двери | |||
| Роботы-пылесосы | |||
| Смартфоны (автофокус) | |||
| Игровые консоли |
3. Исследование перспективных технологий Подготовить техническое сообщение об одной из технологий:
Вариант A: Твердотельные LiDAR
1План исследования:
2- Принцип работы без механических частей
3- Преимущества перед вращающимися системами
4- Технические вызовы и ограничения
5- Применение в автомобильной индустрии
6- Перспективы развития и снижения стоимости
Вариант B: Радары миллиметрового диапазона
1Исследовательские вопросы:
2- Физические принципы распространения ммВ-волн
3- Преимущества высокочастотных радаров
4- Технологии производства ммВ-компонентов
5- Применения в автономном транспорте
6- Сравнение с оптическими системами
Вариант C: Стереовизион и компьютерное зрение
1Направления анализа:
2- Алгоритмы вычисления глубины по стереопарам
3- Калибровка стереосистем
4- Проблемы соответствия точек
5- Сравнение с активными методами измерения
6- Применения в робототехнике
4. Концепция сенсорной системы робота Спроектировать комплексную систему восприятия:
1Техническое задание:
2- Тип робота: [выбрать по интересам]
3- Условия эксплуатации: [определить]
4- Технические требования: [сформулировать]
5
6Проектное решение:
7- Выбор типов и моделей датчиков
8- Схема размещения на платформе робота
9- Алгоритм обработки данных
10- Расчет стоимости и энергопотребления
11- Анализ надежности системы
Проект 1: “Биоинспирированные сенсорные системы” Изучить природные системы восприятия расстояния:
Проект 2: “Математическое моделирование сенсорных систем” Углубленный математический анализ:
Проект 3: “Будущее автономной навигации” Исследование перспективных направлений:
🔬 Освоенные научные принципы:
🛠️ Инженерные компетенции:
🎯 Практические навыки:
🎯 Ключевые выводы исследования:
“Выбор датчика определяется не его техническими возможностями, а требованиями конкретной задачи”
“Надежность сенсорной системы достигается не совершенством одного датчика, а разумной комбинацией различных принципов измерения”
“Понимание физических ограничений позволяет принимать обоснованные инженерные решения”
🔮 Универсальные принципы сенсорного проектирования:
🚀 Карьерные перспективы:
🏭 Области применения знаний:
🔮 Следующий урок: “Интеграция сенсорных данных и принятие решений в робототехнике”
🎯 Готовимся к новым вызовам:
📡 ВЫ СТАЛИ ЭКСПЕРТАМИ ПО СЕНСОРНЫМ СИСТЕМАМ!
Теперь вы понимаете, как роботы “видят” мир, и можете создавать эффективные системы восприятия для различных задач!
📖 Техническая литература:
🎥 Видеоресурсы:
💻 Симуляторы и инструменты:
🔧 Онлайн-калькуляторы:
📐 Справочные материалы:
Успехов в дальнейшем изучении сенсорных технологий! 📡🤖✨