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1、EV3 ClaSSrOOm程序创意设计探索实验室EV3 CIaSSrOOm程序创意设计2探索实验室EV3 ClaSSrOOm程序创意设计利用机器入展示详细的数学公式推到过程PBL醒目式学习模式软件使用最新乐高教育MlNDSTORMS头脑风暴EV3机器人课堂书中设计方法通用WSCratCh为基础的机器人课堂程序前言4EV3 CIaSSrOOnl软体使用简介6U欢迎界面62、编程界面73、连接主机8笫一部分EV3 ClaSSrOOm基础知识9U 电机旋转电机模块InOtOrS 91. 1、电机测试1112认识角度142、电机模块变量应用152.1、关于degrees （度数）交虽的使用 16项目测
2、试：数据记录173、车辆移动MOVEMENT模块 19项目一：精准移动24项目二：通过计算实现精准抓取物体271、抓取装置搭建272、电机工作角度302. U齿轮312.2. 传动比312.3. 惰轮312.4. 齿数与圆的角度关系313、闭合角度问题323. 1基本单位333. 2三角函数的应用3533角度换算373.4电机传感器403. 5 X作时间这个参数454、车辆移动484.1、电机速度同步问题解决方案48a. 证明误差的存在49b. 找出误差值49c. 代入修正数据504.2自建移动模块54(1) 直行55(2) 转向方式574.3、找出轮子移动的距离 584.4、公式推导604.
3、5、转向方向624.6、关于轮距644.7、自定義方向模塊654.8、自动返回设置70第二部分传感器模块78I、SenSOrS 传感器模块 781. 1输入输入(input/OUtPUt)的定义781.2相关数学及逻辑运算79项目三：测童:任意点到物体表面的距离80a、触碰传感器状态一一被按压80b、触碰传感器状态一一被松开81c、判断触碰传感器状态81项目四：利用超声波传感器抓取物体并返回89a、时间差测距法89b、被抓物体规格与超声波距离的关系91c、机械臂触点为物体中心位置93d、丰辆自动返回问题96项目五：走出迷宮100解迷宫算法101方案一，遇到障碍就转90° 109方案二
4、：通过超声波传感器获取迷宫相关参数并设计算法 HOA、相关参数值信息110B、关于行驶线路问题IllC、启动位置112D、位置自动校正113E、超声波传感器数据处理115F、位置修正1181、直行1182、数据偏差1193、宜行偏差1194、陀螺仪传感器1225、底盘电机速度系数1246、陀螺仪漂移1277、陀螺仪与自定义转向132G、走出迷宮135H、列表记录路线1392、颜色传感器1572. 1、环境光强度模式1572.2、颜色模式1582.3、反射光强度模式1613、颜色传感器应用1614、PID控制算法1644. 1、比例控制算法1654.2、积分控制算法1664.3、徴分控制算法16
5、75、颜色传感器反光强度采集值的大小设置1696、传感器采样值标准化1707、陀螺仪实现PID走直线 1718、双传感器巡线1719、多颜色传感器反光值巡线172EV3 ClaSSrOOm程序创意设计探索实验室EV3 CIaSSrOOm程序创意设计2前言EV3 ClaSSrOOm程式创意设计是一本面向乐高系列机器人爰好者、积木类机器人培训机构的程式设计书籍r是目 前市面上相关同类书籍中，唯一将数学知识融入到积木类机器人编程项目中讲解的工具书籍。软件使用最新的乐高 MINDSTORMS 头脑风暴 EV3 机器人课堂（软件下载地址为： ） O书中围绕乐高EV3机器人相关项目的研究，通过PBL项目式
6、的探究模式，详细的讲解了数学在乐高系列机器人设 计中的实际应用，通过示例程序、思维导图做引导式开发编写，并且配有大星的搭建图纸及示意图。引导学生去寻找问 题中的数学及逻辑关系，将其建立联系,再通过乐高机器人可见的机械运动规律去推导并设计程序算法，最后通过报表 来记录整个测试过程,完成项目任务、总结知识内容。通过完成本书设计的相关项目任务，可以充分了解机器人实际工作的原理及程序控制方法。项目练习从速度关系,三角函数知识，平面几何的应用，逻辑关系设计等方面全方位展示了积木类机器人工作原理,通过练习有助于提高 学生综合能力。软件下载:0M o<lcAtloC90.8<n_一._山 32
7、education探索发现V产呂和解决方案V资瀝与支持资源下载选择EV3项目下载软件选择资源与支持WeDO2.0科学机務人發装什么是PBL项目式学习？PBL ( PrOjeCt-BaSed Learning )项目式学习,是一套 以问题为导向的学习方法f是基于现实世界的以学生为中心 的教育方式。为了成功地丸成PBL项目，必须整合自己的各 学科的知识、生活经验,和团队进行配合来解决各种问题。在这个过程中，需要进行的探究、沟通、创新和协作等行 为，是传统教学模式无法触及的，也正是通过这些行为，才 使得学生们的综合素质有全方位的提升。除此以外，PBL教 学法还有以下五个特点。一、理论与实践相结合，P
8、BL教学以现实生活为背景，让学生借助生活中的各种资源进行问题探索。区别于传统的 教学模式，项目式学习是在事实基础上建立一个立体的知识体系并引导学生解决问题的教学模式。二、打破学科的界限，PBL的教学，其中涉及了数学、物理、技术、工程、设计等等的科目，所以教学内容其实是 围绕各种问题所编制的综合课程。这就要求学生需要通过跨学科、跨领域的学习来解决问题。传统教学模式将各个学科 割裂开来，形成一个个独立的知识，然而现实中许多问题错综复杂，需要联合多个学科的知识才能解决。因此让孩子们 学会打破学科的界限，有助于培养孩子解决现实问题的能力。三、自发的学习，在整个项目过程中，学生们提出问题，确定自己的学习
9、目标，随后独立进行资料收集、整理、 研究等工作，最后在团队中进行讨论。这些行为将充分调动学生的自主学习能力，让他们在提出问題、解决问题以及寻 找答案的过程中，获取知识、有效运用知识。学生是学习的主体，是项目的参与者和责任人，而不是被动接受知识的对 象。只有更深刻的理解内容，学生才能长久记住他们所学的东西。四、学会运用协作工具，现在的孩子都养成了等待答案的习惯。当问题提出之后，由老师谨输正确的结果，而不是 通过各种渠道荻取答案。而在完成项目式学习的过程中，学生将学会使用多种信息检索工具或者方式去搜索资料、研究 分析和沟通合作。五、有价值的项目成果，项目式学习会帮助学生解决生活中的实际问题，因此具
10、有一定的现实意义和社会效益。学 生通过对不同领域项目的研究，可以慢慢产生对自己日后职业发展方向的思考。这是题海战术和死记硬背无法实现的。EV3 CIaSSrOOm软体使用简介1. 欢迎界面GHOvt ,-*hT < AD口通过3个有趣的实验熟悉最近的工程项目XJlOI M EV3 Cbsfigomro gropod htolc<rd UMa 9wgag rriddta SCbool灿如rt, STfM ZrrCore Set MOdeiSThMe HXlcto Afl inspro W and CbaiOr»30 youf roboifcsTaka LEGO MINDST
11、ORUS ExtoV) g E rwjrt k*H单元计划核心模型EfnlnClT0rm du MCion*V3Getting StarteClMOtOrS and SenSOrSCOntrOling InPUtS and fc OUtPUtSIHeIIO WOrldCrea咖 YOUf FIrSt PtOgram三个有趣的实验，分别为hello WOrld f发动机和传感器、移动。2、编程界面A区域：返回主页和分类栏 分类栏中包含：电机模块、移动 模块、显示模块、声音模块、事 件模块、控制模块、侦测模块、 运算模块、变呈模块及自建模 块。B区域：各分类中的脚本模块C区域：工程名称（包含、修改
12、 及另存为），主力连接向导、添 加工程按钮。D区域：脚本区域。E区域：脚本区域放大、缩小、EV3 CIaSSrOOm的编程界面与SCratCh3的编在SCratChB的扩展模块中r也有包括EV3、 程界面基本相同r学过SCratCh的同学将会很WEDO2.0s boost的程序脚本。容易上手。LEGO EdUCatiOn WODO 2.0 支持马达和传感器。LEGO MlNDSTORMS EV3搭建交互机器人等3FLEGO BOOST生动有趣的机弱人创作LEQOLEGOL£QO3.连接主机在主机连接方面EV3 ClaSSroom与旧版编程软件相同可以通过蓝牙或USB连接主机。EV3
13、ClaSSroom的连接向导功能更全面。通过USB数据线进行连接1 开启EV3程序块。2.使用USB数据线连接EV3程序 块。蓝牙连接示意图:EV3(£31 开启EV3程序块。msrmstar to>.2.启用蓝牙。3. EV3柿入密钥以富受连捲.蓝牙添加界面EV3EV3第一部分EV3 CIaSSrOOm基础知识1.电机旋转一电机模块motorsEV3 CIaSSrOOm的编程积木块与SCratCh相同，我们在学习电机模块,需要掌握下列几个单词:ClOCkWiSe顺时针方向(1)COUnterClOCkWiSe 逆时针方向（2 ）ROtati OnS圈数DegreeS度数SeC
14、OndS秒数一 旅转方向揣口远择J cbckw<scote<dockwl86run clockwise for I囲数、度数、秒数开启輪口 A的电机施转方向为：顺时针或逆时针Start motor ClOCkWiSe / doc*wiw制动模式:保持位置或惯性滑行顾时针启动电机/ mwt erm|A Set motor tohold PoSitiOn at stopI / hoW positionotA 以%的速度运行<1)A ISA SPeedA Set SPeed toA Start motor at rf% SPeeel开启鋳口为A的电机并将速度设鱼为75%A W%的連
15、度启动电机A 将速度设爲为%将錦口为A的电机速度设晋为75%端口为A的电机速度变星，返回值是数字，可以作为变星使用© A更置运转度数A reset degrees COUnted© A运转度数 A电机运转度数端口 A的电机运转度数，可以作为变星使用©提示与技巧在SCratCh3运动积木块中r X坐标、Y坐标与方向三块积木与EV3 CIaSSrOOm中的速民 角度变量的使用1.1.电机测试搭建部分：首先测试移动圈数与时间，程序如下：run COUnterCIOCkWiSe forrun CIoCkWlSe forrotations run COUnterCloCkw
16、ise forrotations run CIoCkWiSe forSeCondS SeCOndS 等侍时间通过设置速度积木分别测试A、B发动的速度A Start motorA Set SPeeCi tcWartSeCOndSA StOP motor：!難针换成轮子J我们来观蔡电机的 制动效果.程序通过不同方式编写观 祭其规律制动模式:IX hold POSition保持位置制动2x float滑行1>' Start motor c1ocs A set motor to float at StOPA run forSeCondS V at% SPeedStart motor CI
17、oCkWiSe sot speed toSet motor to hold POSftiOn at StOP1. A发动机顺时针 蹄开启2、设主速度与制动 *;3. 等待时间4、停止A发动机A StoP motor为了让测试效果更加明显I我们可以通过SOUND模块（声音模块）来提示发动机已经停止转动,实现人机交互r程序如下：% SPMdEV3 ClaSSrOOm程序创意设计探索实验室参考资料：Math1.2认识角度两条相交直线中的彳壬何一条与另一条招碧合时必须转动的重的量度，转动在这两条直线的所在平面上并绕交点进行。 角度是用以量度角的单位，符号为°圆一周角分为360等份f每份定义为
18、1度）。使用呈角器测量下面三角形各角及相交叉直线的KAr 尝试搭建下面的3个模型J想想如果想要让指针转动70° ,应该如何编写程序?E2EV3 ClaSSrOOm程序创意设计探索实验室2. 电机模块变量应用MotorS模块中自帝两个变量f返回值分别为电机角度与电机的速度，首先我们通过测试的方式看看电机的速度。我们可以通过DISPLAY模块（显示模块）将变星信息实时反馈到EV3主机的屏幕上,这样我们就可以通过妥来评估EV3 CIaSSrOOm程序创意设计2机械装置在运行中的效率。Adegrees CoUntedA 首先我们设置发动机的速度然后通过设置选装方向开启发动机r然后通过重复直行
19、显示发动机变量到EV3屏幕刷 新数据r尝试测试下列程序观蔡其规律。丽直行漏呈:当启动程序时，两段程序将同时运行，程序中 还使用了，控制模块中的FOREVER重复直行。稈序幵始电机运行速度显示：IS.电机 相关衫皴重复直行:重复直行积木内部的程序脚本度数显示：©提示与技巧速度显示与度数显示虽然最后都显示结果但是速度显示是实时的r它会根据速度的不同而改变。原数的忌示稈序则存稈序最后忌示度数.2丄 关于degrees (度数)变量的使用在使用度数变量时,需要重置度数的计算(reset degrees COUnted )数字是比较准确的。在下面程序脚本中最后将角度显示出来r除了显示出来,还可
20、以将角度的值用来计算得出所想要的 结果O例1 :计算A端口发动机2秒钟所旋转的圈数并将其显示出来。示例程序如下:A reset degrees COUntedA dgroes COUntod Iwriteat IlnQrun C)OCMWo for速度变星除了直接调用r还可以将其放入变量中使用r如下：运算符在OPERATORS类中因为圈一圈是360度r所以度数÷360=圈数在变重VARlABLES类中IJL)VariableS添加新变重XMek>« EOb«9MU UatMy BlOCkSHeWVariableX01VCAwCaOKWhen Pfogram
21、StartSLi山reset degrees COUntedsetrun CIoCkWiM forSQCOndS degrees COUntedWriteto ©at Iine项目测试：数据记录项目内容：随机选取两个电机，通过设计程序来测试其在相同的速度下，5秒所旋转的圈数J并将数据记 昴下来.旳察数振.学试占参罢咨料内的内容建立麻军井分析数抿.思维导图:电机规格席号AB速度A电机圍数B电机圏数12.345678发现问题及改进的设想:举考资料：伺服电机硬件莹数测速反馈精度:240 - 250RPM伺服电机（大型电机）:测速反馈精度：160 - 170RPM运行扭矩约 30 oz*in
22、 0.2118 N*m失速转矩约60 oz*in微型伺服电机（中型电机）：比正常的伺服电机扭力小,速度高，更快反应时间和更小的体积。技术规格:运行扭矩约11 oz*in失速转矩约17 oz*inOz*in :盎司丈英寸电机扭矩即电动机的输出扭矩，又称电机转矩f和电机的输出功率有关，常用单位是N*m （牛咪）。PRM :转速/分，每分钟马达转的圈数根据上述的EV3伺服电机的测速反馈精度来分析r每分钟马达 所转的圈数有一个取值范围，大型电机在160-170 ,中型在240- 250的,这就说明每次测试的精度都有不同。能够解决这个问题， 就可以提高电机的猜度。3.车辆移动MOVEMENT模块运动类中
23、程序块与电机模块的使用方法相同，不同是电机模 块是控制单独电机,而运动模块则是可以同时驱动2个电机模块,实现不同的转向或控制方式。在使用前需要通过and C < movement motors to模块来设置电机端口。图中所设置的B、C端口，分别对应左图的1、20sot movement motors to B and C move forv/ard forrctxons 一FOrWard 前进BlaCkWard 后退将运转电机设为B 和c Straight=O 直行Straight > 0 则限制 right （右）Straight <0 则显示 Ieft （左）Set m
24、ovement motors to hold PoSitiOn at StOPmoveforrotations at 悠% SPeedat % SPeedjmove forrotations at% SPC将运转电机设Jl为停止时 保持位3t以 %的速度向移动U %的磁幵始移动以 %的速度移动O胧车辆搭建图纸:約IB19测试下列程序井阐述其奩思:r Wh« pn>y"*t >ovmn,1 motors to RL nd C *>SCOt movm*r*I m<Mor to Kotd poc<ion a StOPtart movtrgWaItSe
25、cOfxjSStOP movingbdd POftitiOn at StOPst movement motors toB reset degrs COUntedaet >ovomont motors to B * and C A Wben PrOgram SUrtSset movAmont motors tc8Urt movingOndeS(OP movingWrftaB reset de9rees COUmedB degras counted at llnstart moving a< sMmovefor日 WrItOg WriteB dogroofi CoUnt4»d
26、 at IinO C * degrees CoUnlod at line项目一:精准移动内容：通过搭建车辆编写其程序模块r运用角度相关知识f让车辆能够准确停到制走位置。项目目标：在停止时，车辆的轮子能够准确压在孔梁上!OCM50CMEV3 ClaSSrOOm程序创意设计探索实验室相关知识：哪一段是车辆移动的距离?H*IC我们可以通过数学工具r让车辆移动的更为准确，实现精准到达！首先我们要将相关运动数据建立联系!轮子通过旋转带动车辆移动r轮子旋转的圈数乘以轮子的周长就可以得到路程长轮子周长X圈数=路程长度 圈数=路程长度÷轮子周长公式推导：MFizi呦己恥毙Eg民计豆讼麻«s
27、«大乐高轮胎是有自己的规格的左面的轮胎上写着56×28Rz它表示轮子的直径是56mmMathECsSSW程序创意设计在古代，这个问飙琢赖于磁髦归纳人们眸验中发现圆的周长与直径有肴Ym,并把这个 常数叫做圆周率（西方记做 ）。于昱目然地f圍周长就是:C=xd或者C=2r （其中d星圆的直径，r昱圆的半径）数学家刘緻用的星“割圆术"的方法.也就是用圆的内接正多边形和外切正多边形的周长逼近圆周长,求得圆项目小结:在此次测试中，我们拿握了通过園周长公式去推导轮子旋转的圈数，通过设置圈数或者角度来主成准确移动到某一 点，这个技术通用与所有的积木类车辆，我们不仅能够解决车辆精
28、准移动f而且我们还能够利用園的相关技术去解决准 确转弯的问题,这我们将在后面的测试项目中讲解。在测试过程中，经常会发现一些误差的存在，比如初始位置的不同直接导致最后结果的不同。练习：在移动的过程中，我们会发现我们所设计的车辆，通过MoVEMENT程序模块让其直行，有的车辆未必直行，为 什么会这样？如果不考虑程序，通过搭建如何去解决它？EV3 ClaSSrOOm程序创意设计探索实验室参考图片：图片来源于网络项目二：通过计算实现精准抓取物体要求：在不使用超声波、红:外、触碰传感器的情况下f完成车辆抓取物体井帝回1、通过程序脚本实现抓取装置能够判断是否抓取物体井提示。2、车辆行驶转向等操作需要数据支
29、持。3、通过数据说明并解答相关问题。需要考虑的问题:能否5»足地形求EV3 ClaSSrOOm程序创意设计探索实验室EV3 CIaSSrOOm程序创意设计21.抓取装置搭建搭建参考：2. 电机工作角度测试抓取装置，观蔡其传动原理，当抓取装置电机轴与其中一个齿轮轴的十字方向相互垂直时（如下图）f另外的 齿轮轴则不能与其垂直，为什么?当抓取装置开启状态，假设ZABC=90°,那么ZEFG是多少度呢？开启状态正视图3?%思维导图:主动.传动电机轴的位置如图为上下垂直的。齿轮相关知识:21齿轮 齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分，均称为轮齿。一般说来，这些凸起部分呈辐射状排列。它被用
30、于与配对齿轮上 的类似的凸起部分接触，由此导致齿轮的持续啮合运较。齿轮整个圓 周上轮齿的总数称为齿数，一般以字母Z表示，在乐高齿轮零件上可 以找到字母Z+数字，后面的数字就是齿数。（左图为乐高齿轮齿数）22传动比传动比=主动齿轮的齿数:A动齿轮的齿数观禁右图，在涡轮左右的齿轮的齿数为24 ,涡轮为主动齿轮， 其传动比为1 : 24。如果将涡轮换成齿数为8的齿轮,则传动 比例为1 : 3。2.3.惰轮 惰轮是指在两个不互相接触的传动齿轮中问起传递作用的齿轮，同 时跟这两个齿轮啮合，用来改变被动齿轮的转动方向，使之与主动齿轮相同。它 的作用只是改变转向并不能改变传动比，称之为惰轮。惰轮的主要作用有
31、改变从动轮的转向、熠加传动距离、调整压力角等。在左圉中1号齿轮为主动齿轮f 2号齿轮为从动齿轮f在整个传动过程中惰 轮 不彩晌传动比，但是改变了传动的方向.24.齿数与圆的角度关系观祭左图f左图中齿轮的每个齿都对于着一个角度f上下左右的齿对应的是0°、90 180。与270°.齿轮的齿将圆等分f份数为齿数f以左图为例f将圆分为24份I每份的角度是360°（齿数）=15°。 蓝线所对应的是第三个齿，所以应用的角度为45°。观察左圉，尝试计算中间惰轮在1号齿轮与2号齿 轮都是垂直的情况下,它的旋转角度.观察左图z蜗轮蜗杆左的齿轮为A f右齿轮为BO蜗轮蜗杆传动的两轴是相互交叉垂直的，观察左图下的放大图，图 中红色齿所对的A齿轮位置，不难发现A齿轮与B齿轮的角度位置是不 同的。通过齿轮与圍角度的关系，很容易求出ZEFG旋转的度数。ZEFG=90-360z2 f 其中 Z=24 J 所以ZEFG=82.5°程序脚本编写：通过运行下列程序观蔡抓取装置的运动方式r尝试寻找其中的规律。3.闭合角度问题现在我们已经知道如何计算齿轮角度旋转度数的相关问题f如果们想要准确 的计算抓取装置的齿轮旋转角度是否还需
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