了得網計算機/網絡_樂高——實戰EV3（青少年科技創新叢書）

編輯推薦

詳細的結構搭建指南、學生機器人活動參考、豐富的案例教學程序、STEM教育推薦教材、創新教育的實踐、用於課堂教學的EV3中文教材、將機器人應用於學科教育的探索等。

內容簡介

EV3的問世，讓機器人教育進入令人激動的時代。作為一個開放的教育產品，樂高EV3與眾多教育產品具有兼容性，可以通過這一產品了解世界上先進的編程軟件，以及機器人技術的發展。《樂高：實戰EV3/青少年科技創新叢書》在總結多年中學機器人教學經驗的基礎上，向讀者展示樂高機器人EV3的神奇魅力。《樂高：實戰EV3/青少年科技創新叢書》內容涉及機器人的結構、搭建機器人所需的機械知識及程序設計，並結合EV3提供的實驗技術，向中學生展示機器人在科學實驗中的應用。《樂高：實戰EV3/青少年科技創新叢書》將工程、技術的概念引入教育中，讓學生在動手實踐中啟發靈感，實現創新。
《樂高：實戰EV3/青少年科技創新叢書》可作為高中生、大學生機器人以及科技創新活動的參考用書，也可供教師開設相關課程作為教材使用。

第1章樂高機器人的結構
1.1控制器
1.2電源部分
1.3樂高機器人常用傳感器
1.3.1光電傳感器
1.3.2力傳感器
1.3.3聲音傳感器
1.3.4超聲波傳感器
1.3.5紅外傳感器
1.3.6位置和姿態傳感器
1.3.7陀螺儀
1.3.8溫度傳感器
1.3.9EV3按鈕
1.4樂高機器人輸出設備第1章樂高機器人的結構
1.1控制器
1.2電源部分
1.3樂高機器人常用傳感器
1.3.1光電傳感器
1.3.2力傳感器
1.3.3聲音傳感器
1.3.4超聲波傳感器
1.3.5紅外傳感器
1.3.6位置和姿態傳感器
1.3.7陀螺儀
1.3.8溫度傳感器
1.3.9EV3按鈕
1.4樂高機器人輸出設備
1.4.1驅動器
1.4.2LCD顯示屏
1.4.3蜂鳴器
1.4.4燈光
1.4.5藍牙輸出
1.5實踐與思考
第2章樂高的基本組件
2.1樂高組件的基本尺寸
2.2組件和種類
2.3樂高積木中的幾何關繫
2.4實踐與思考
第3章機械傳動方式
3.1齒輪傳動
3.2鏈傳動
3.3滑輪和皮帶
3.4蝸輪、蝸杆
3.5平面連杆傳動
3.6差動機構
3.7實踐與思考
第4章機器人的行走方式
4.1四輪驅動裝置
4.2萬向輪
4.3機器人轉向方式
4.4用腿行走
4.5實踐與思考
第5章機器人的穩定性
5.1結構
5.2重心
5.3支撐多邊形
5.4穩定性
5.5實踐與思考
第6章機器人的幾種結構設計
6.1平行四邊形結構
6.2滑軌
6.3平行四邊形交叉升降
6.4觸角和傳感器的安裝
6.4.1簡單的觸角
6.4.2杠杆型觸角
6.4.3夾子和爪
6.5實踐與思考
第7章初識EV3
7.1安裝EV3及編程環境介紹
7.1.1安裝EV3
7.1.2編程環境介紹
7.1.3項目屬性窗口
7.2EV3連接方式
7.2.1USB連接
……
第8章程序結構
第9章傳感器模塊的應用
第10章變量與函數運算
第11章EV3高級應用
第12章EV3實驗與測量
附錄搭建一個機器人
參考文獻

前言

有些教師、家長常會問我： “在中學時期學習機器人有什麼用？”、“如果沒有了中國式比賽所帶來的一些功利性的內容，機器人能帶給我們哪些收獲呢？”
回憶20年前，我們對計算機剛剛出現時的困惑，就可以理解家長和教師的想法。可以將計算機與機器人作一個比較，因為機器人是計算機的延續。如果注意到計算機在人們生活中的作用，就知道機器人將會是未來生活中不可或缺的，甚至在不久的將來，它會替代家用計算機的大部分功能。
機器人是一個工具，與計算機是一樣的。當計算機剛出現時，我們認為它隻是專家纔會使用的工具；現在，它已經進入千家萬戶，大多數人現在離不開計算機，借助它上網聊天、瀏覽新聞、辦公或展示創意作品。
機器人是計算機的擴展和延續，它會替代家用計算機的大部分功能，如網絡功能、通信功能、多媒體功能等；同時，它具有更多的輸入、輸出方式，不僅可以接收鍵盤的指令，而且會聽、會看、有觸覺，可以感受溫度的變化和周圍的物體，可以記錄環境的變化，與計算機相比，其交互性能大大提高。因此對於機器人，我們可以按照個人的要求來設置，這樣更有利於進一步的開發，我們在計算機上完成的任務可以讓機器人更方便地執行。有些教師、家長常會問我： “在中學時期學習機器人有什麼用？”、“如果沒有了中國式比賽所帶來的一些功利性的內容，機器人能帶給我們哪些收獲呢？”
回憶20年前，我們對計算機剛剛出現時的困惑，就可以理解家長和教師的想法。可以將計算機與機器人作一個比較，因為機器人是計算機的延續。如果注意到計算機在人們生活中的作用，就知道機器人將會是未來生活中不可或缺的，甚至在不久的將來，它會替代家用計算機的大部分功能。
機器人是一個工具，與計算機是一樣的。當計算機剛出現時，我們認為它隻是專家纔會使用的工具；現在，它已經進入千家萬戶，大多數人現在離不開計算機，借助它上網聊天、瀏覽新聞、辦公或展示創意作品。
機器人是計算機的擴展和延續，它會替代家用計算機的大部分功能，如網絡功能、通信功能、多媒體功能等；同時，它具有更多的輸入、輸出方式，不僅可以接收鍵盤的指令，而且會聽、會看、有觸覺，可以感受溫度的變化和周圍的物體，可以記錄環境的變化，與計算機相比，其交互性能大大提高。因此對於機器人，我們可以按照個人的要求來設置，這樣更有利於進一步的開發，我們在計算機上完成的任務可以讓機器人更方便地執行。
在教學中，我曾開設“ROBOTC與機器人程序設計”、“LabVIEW與機器人科技創新活動”、“JAVA和樂高機器人”等選修課程，讓學生借助機器人學習程序設計。通過機器人，讓學生見到自己編寫的程序的運行結果。以往學習程序設計是很枯燥的過程，現在通過機器人項目，使這一過程變得很有趣味。在玩的過程中，學生掌握了編程的方法，通過自學就可以完成大部分課程，無須他人監督與考核。
機器人實驗室是開放型的，我們可以設計各種實驗來驗證各學科的知識，使學生在動手活動中開展學習，增強知識的直觀性和學生的感性認識。以往的實驗都是由教師設計，學生效仿，這隻能驗證原理的正確性；而為什麼這樣做，學生無法體會。如果將工程、技術的概念引入教學，學生將明白： “要實現某一任務，應該如何設計？”、“應該考慮哪些因素的影響？”使他們的視野更全面，學會決策與選擇。
正如計算機教學並不一定要培養學生學習這一專業，在中學開設機器人課程也不是專業教育，不是精英教育，而是要將這一優質教學資源分享給廣大的學生；它不是以培養專業為目的，而是面向未來的教育。這是每一個學生玩過之後都會對科學產生興趣的過程。
即使有人不喜歡計算機，但在工作、生活中離不開計算機。在未來，機器人會同樣存在於我們的生活中。機器人活動讓學生們更好地交流，開闊了視野，特別是一些國際性比賽項目的引進，讓中國學生更多地了解到合作、交流、分享、創新的理念。
每年的科技創新作品很多都與機器人相關。離開了機器人（自動控制）技術，就很難有新的產品。
機器人活動是讓學生站在了巨人的肩上，如果不將機器人活動局限於比賽，我們會更多地了解機器人，發掘學生潛力。從小學到大學，在不同階段，都可以使用樂高機器人進行比賽、學習和研究。使用這一工具，學生可以避開一些專業上的困難，體驗到成功的快樂。因為簡單，學生不會操作失誤，不會損壞設備，而且安全、可靠，其教學內容的拓展性極為廣泛，對學生的潛能可以有深度地開發，適合各年齡段學生使用。
EV3的出現讓設計更為簡潔。它有大量搭建與程序的參考案例，適合學生自學；其簡潔的模塊設置，可以準確地對機器人進行控制；它提供了項目文檔的功能，讓教師與學生更好地分享教學中的經驗。這一切讓學生更容易掌握這一平臺，並在此基礎上啟發靈感，實現創新。

在線試讀

第1章樂高機器人的結構
雖然人工智能機器人的種類千差萬別，但其繫統組成是一樣的，通常都是由控制器、傳感器、能源動力以及反饋繫統等部分構成。通過傳感器感知環境信息的變化，由中央處理器運算、處理，最後由輸出裝置完成特定的任務。本書僅以樂高機器人為例，說明各部分的功能。
1.1控制器
控制器是機器人的核心部分，它通過連接各種傳感器獲得信息，然後分析、處理，再發出指令，控制機器人的各種運動行為。新一代的樂高機器人控制器——EV3的按鈕可以發光,根據光的顏色可判斷EV3的狀態；它有更高分辨率的黑白顯示器,內置揚聲器、USB端口；還有一個迷你SD讀卡器、四個輸入端口和四個輸出端口。它支持USB 2.0,有藍牙和WiFi與計算機通信；還有一個編程接口，用於編程和數據日志上傳、下載。它兼容移動設備。樂高EV3機器人控制器及其內部結構如圖11和圖12所示。
圖11 樂高EV3機器人控制器
圖12 EV3內部結構
1.2電源部分
電源部分是機器人的能量來源，主要由電池盒與鋰電池組成。在學生科技創新活動中，可以采用太陽能電池作為機器人能源。樂高太陽能電池與EV3充電電池如圖13所示。
圖13 兩種電池
1.3樂高機器人常用傳感器
人們為了從外界獲取信息，必須借助於感覺器官。在研究自然現像和規律以及生產活動中，人們單靠自身的感覺器官是遠遠不夠的。為此，需要傳感器。可以說，傳感器是人類五官的擴展，也是機器人和現實世界之間聯繫的紐帶。傳感器是機器人接收環境信息的感覺器官，在接收了外界信息的基礎上，纔能通過中心處理器處理信息，借助不同的傳感器，機器人感覺到環境中力、熱、聲、光等信息的變化，為人工智能化處理提供可靠保障。根據不同的工作特征，傳感器分為光學傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器、力傳感器和位置傳感器等。
對於樂高機器人來說，不僅可以使用樂高專用傳感器，而且可以使用很多第三方傳感器，使得學生應用這一平臺開展的科技開發和創新活動更加方便、靈活。第1章樂高機器人的結構
雖然人工智能機器人的種類千差萬別，但其繫統組成是一樣的，通常都是由控制器、傳感器、能源動力以及反饋繫統等部分構成。通過傳感器感知環境信息的變化，由中央處理器運算、處理，最後由輸出裝置完成特定的任務。本書僅以樂高機器人為例，說明各部分的功能。
1.1控制器
控制器是機器人的核心部分，它通過連接各種傳感器獲得信息，然後分析、處理，再發出指令，控制機器人的各種運動行為。新一代的樂高機器人控制器——EV3的按鈕可以發光,根據光的顏色可判斷EV3的狀態；它有更高分辨率的黑白顯示器,內置揚聲器、USB端口；還有一個迷你SD讀卡器、四個輸入端口和四個輸出端口。它支持USB 2.0,有藍牙和WiFi與計算機通信；還有一個編程接口，用於編程和數據日志上傳、下載。它兼容移動設備。樂高EV3機器人控制器及其內部結構如圖11和圖12所示。
圖11 樂高EV3機器人控制器
圖12 EV3內部結構
1.2電源部分
電源部分是機器人的能量來源，主要由電池盒與鋰電池組成。在學生科技創新活動中，可以采用太陽能電池作為機器人能源。樂高太陽能電池與EV3充電電池如圖13所示。
圖13 兩種電池
1.3樂高機器人常用傳感器
人們為了從外界獲取信息，必須借助於感覺器官。在研究自然現像和規律以及生產活動中，人們單靠自身的感覺器官是遠遠不夠的。為此，需要傳感器。可以說，傳感器是人類五官的擴展，也是機器人和現實世界之間聯繫的紐帶。傳感器是機器人接收環境信息的感覺器官，在接收了外界信息的基礎上，纔能通過中心處理器處理信息，借助不同的傳感器，機器人感覺到環境中力、熱、聲、光等信息的變化，為人工智能化處理提供可靠保障。根據不同的工作特征，傳感器分為光學傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器、力傳感器和位置傳感器等。
對於樂高機器人來說，不僅可以使用樂高專用傳感器，而且可以使用很多第三方傳感器，使得學生應用這一平臺開展的科技開發和創新活動更加方便、靈活。
傳感器作為機器人感官繫統，通過“看”、“聽”、“觸”、“嗅”等采集各種信息。常用的有光電傳感器、角度傳感器、超聲波傳感器、觸踫傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器等。
1.3.1光電傳感器
光電傳感器的範圍很廣，有最簡單的光敏電阻，即光強度的大小改變電阻的阻值，實現對光強度的感知；也有目前最復雜的攝像頭(Camera)。傳感器將接收到的光值返回給機器人，通過光電傳感器提供的信息，進行顏色、距離等條件的估算。光電傳感器是機器人在運動過程中必不可少的傳感器，通過它，可以獲得機器人在移動過程中與障礙物之間的距離。EV3顏色傳感器測量光的反射值（就像光電傳感器那樣），也可以檢測顏色。EV3兼容NXT光電傳感器。EV3顏色傳感器和NXT光電傳感器如圖14所示。
圖14兩種傳感器
1.3.2力傳感器
力傳感器是用來檢測觸踫或者接觸信號的，比如機械手的應用。當你將一個東西放到機械手中的時候，機械手自動抓住它，這時需要力傳感器檢測東西抓得緊不緊。典型的力傳感器是微動開關和壓敏傳感器。微動開關其實就是一個小開關，通過調節開關上的杠杆長短來調節觸踫開關力的大小。用來做觸踫檢測，這是最好不過的了。但是使用這種傳感器時，必須事先確定好力的閾值，也就是說，隻能實現硬件控制。壓敏傳感器能根據受力大小，自動調節輸出電壓或者電流，實現軟件控制。樂高中用到的力傳感器隻能檢測到觸踫與沒觸踫兩種狀態，並不能檢測力的大小。EV3兼容NXT觸踫傳感器。EV3觸踫傳感器與NXT觸踫傳感器如圖15所示。
圖15兩種觸踫傳感器
圖16NXT聲音傳感器
1.3.3聲音傳感器
目前使用最多的聲音傳感器就是麥克風。對於處理聲音信號，目前有一些比較好的解決方案，可以實現對中文語音的識別。人們可以通過對機器人發出語音指令，來控制機器人。EV3沒有提供新的聲音傳感器，但兼容NXT聲音傳感器。NXT聲音傳感器如圖16所示。
1.3.4超聲波傳感器
超聲波傳感器和紅外接近傳感器很像，都屬於距離探測傳感器，但是它能提供比紅外傳感器更遠的探測範圍，還能提供一個範圍的探測，而不是一條線的探測。超聲波傳感器是目前使用最多的距離傳感器之一。
EV3提供了標配的超聲波傳感器，同時兼容NXT超聲波傳感器，它通過間斷地發射超聲波並檢測反射回來的超聲波，獲知前方物體的距離，測距範圍3～250cm，測量精度1cm。EV3超聲波傳感器與NXT超聲波傳感器如圖17所示。
圖17兩種超聲波傳感器
1.3.5紅外傳感器
紅外傳感器是一種數字傳感器，用於檢測從固體物體反射回來的紅外光，也可以檢測從遠程紅外信標發送來的紅外光信號。該紅外傳感器可用於三種模式：近程模式、信標模式和遠程模式。紅外傳感器和遠程紅外信標如表11所示。表11紅外傳感器和遠程紅外信標
紅外傳感器遠程紅外信標續表
遠程模式信標模式1. 近程模式
在近程模式下，紅外傳感器利用物體表面反射回來的光波來估計該物體與傳感器之間的距離。它使用0（很近）～100（很遠）之間的數值來報告距離，而不是具體的釐米數或英寸數。傳感器可以檢測出遠至70cm的物體，測量精度取決於物體的尺寸和形狀。
2. 信標模式
從紅色頻道選擇器中遠程紅外信標的四個頻道裡選擇一個頻道。紅外傳感器會檢測出與程序裡指定的頻道相匹配的信標信號，在其面對的方向，最遠距離可達200cm。一旦檢測到信標信號，傳感器就可以估計大致方向（標頭）及與信標的距離（近程）。據此，可以對機器人編程來玩“捉迷藏”的遊戲，使用遠程紅外信標作為搜索目標。標頭值在-25～25之間，0表示信標在紅外傳感器正前方，近程值在0～100之間。
遠程紅外信標是一個獨立設備，可以手持或拼砌到另一個 LEGO模型裡。需要兩節7號電池。開啟遠程紅外信標，需要按壓設備頂部的“信標模式”大按鈕。綠色 LED 指示器將打開，指示設備在運行，並連續傳輸。再按一下“信標模式”按鈕，信標將關閉(靜止1小時後，信標自動關閉)。遠程紅外信標的按鍵組合共11種，如表12所示。表12遠程紅外信標的按鍵組合

書摘插畫

商品搜索

商品分类

【醫學】

【各大出版社】