3.3 智能机器人项目实现——项目设计（教学课件）-六年级信息科技下册同步备课系列（清华版（贵州）·2024）

智能机器人项目实现 —项目设计 目 录 1.了解无人驾驶汽车的的项目思路。 2.掌握无人驾驶汽车的输入、计算和输出过程。 3.完成无人驾驶汽车的的硬件拼搭和软件编程。 要想更深入了解智能机器人的工作过程，可以自己尝试完成制作一个机器人。但是智能机器人的种类多种多样，工作过程也稍有差异，本节课，我们就以餐厅中的送餐机器人为例，通过项目的实现来加深对智能机器人的了解吧。 同学们，你们见过送餐机器人吗？它们一般长什么样子，有哪些功能？ 项目思路 制作送餐机器人之前，先来梳理一下整个项目的思路，明确送餐机器人的工作场景、功能目标及结构设计等问题，如表所示，项目场景如图所示。 项目准备 正式开始项目之前，需要将用到的材料一一备齐，从而更好地实施整个项目。材料主要包括传感器、执行器、结构件，以及其他辅助材料等，送餐机器人的材料清单如表所示。 课堂活动 请同学们根据材料清单准备好项目所需材料。 对于送餐机器人，你们还有其他想要增加的功能吗？实现这些功能需要额外添加哪些材料？请同学们将相关信息填写在中。 增加的功能 需要添加的材料 结构设计 传感器、执行器与主控板之间连接的引脚，以及这些元器件安装的方向，都影响到具体的程序编写，因此，明确硬件的接线方式很有必要，如图所示。 项目实施 结构设计 同时，对机器人的外观结构有个初步的构想，在编写程序的时候也会更加得心应手，如图所示。 项目实施 课堂活动 同学们，你们的送餐机器人初步设计的结构是怎样的？各个元器件的接线是怎样的？将你们的想法绘制在图中。 我的机器人外观结构图 硬件连接图 训练识别餐牌号的模型 送餐机器人的功能之一是能识别出餐牌号，才能将食物准确地送到对应的桌位上，所以要先训练一个能够识别出餐牌的模型。以图3.3.4所示的餐牌为例，可以将其分别打印出来，拍摄多张不同角度、不同场景、不同光照条件下的照片，作为训练的数据集。 项目实施 项目实施 加载训练数据集的过程如下。 （1）在Python模式下，单击“扩”“添加”选项，在“pythonAI扩展”中安装并加载分类训练相关的指令，如图所示。 项目实施 （2）添加数据集图片，选择数据集类型，有三个不同的餐牌号，因此选择三分类，如图所示。 项目实施 （3）依次选择三分类中的子类型，把准备好的图片选中并上传，每类至少10 张图片。例如，子类型A中加载全部餐牌号1的图片（10张以上），子类型B中加载全部餐牌号2的图片（10张以上），以此类推，如图所示。 项目实施 接下来编写训练模型的程序，如图3.3.8所示，程序的编写思路如下。 （1）加载Keras深度学习框架，然后利用MobileNet模型创建一个基础模型。MobileNet 模型是一个在大量数据集上预训练过的模型，我们可以在该模型的基础上训练识别餐牌号的模型，这样只需较少的数据集就可以达到不错的效果。 （2）设置分类器的输出类别数及训练过程中的一些参数，餐牌号有三种，因此这里的分类数设置为3。以上全部设置好以后，对模型进行编译，配置学习过程，包括设置模型优化器等。 （3）开始训练模型，可更改训练轮数。一定范围内，训练轮数越多，识别准确率越高，们可以分别设置不同的训练轮数，查看准确率的变化，从中选择一个较好的模型。 （4）将模型保存下来，并且将模型的格式转化为kmode格式，这样才能在后面的项目中使用。 项目实施 项目实施 单击菜单栏中的“运行”按钮，即可开始训练。训练结束后，在控制台区域会出现“tflite转换为kmode模型成功!”及“执行完毕”的提示，之后单击菜单栏中的“代码”按钮，切换为代码模式，在左侧项目空间即可看到一个名 为“traffic.kmodel”的文件，这个就是我们 需要的模型，如图3.3.9所示（如果没有，在 项目空间空白处右击，在弹出的快捷菜单中 选择“刷新目录”）。 选中该文件后右击，在弹出的快捷菜单中 选择“打开文件位置”，将其复制到AI摄像头 的SD卡里，之后就可以运用它识别图像了。 课堂活动 请同学们自行设计餐牌号，或者网上查找餐牌号的图片，然后训练出能够识别餐牌号的模型。 循迹部分的程序 机器人沿着黑色轨迹行走，被称为循迹，如图3.3.10所示。循迹的程序可结合循迹传感器的检测状态和差速转向的原理来实现，如图3.3.11所示。当两个循迹传感器都检测为黑，说明机器人在轨道中间，设置两个车轮速度相同，直行即可；当左侧检测到白色，右侧检测到黑色，说明机器人向左侧偏离，此时设置左侧车轮速度快，右侧慢，由于两侧有速度差，机器人会右转回到轨道。机器人向右侧偏离也是同理。两个电机的速度，要根据机器人在轨道上实际测试的效果不断进行调整。 项目实施 项目实施 项目实施 识别餐牌部分的程序 在机器人开始送餐之前，可以通过触摸相应按键的形式告诉机器人要送往哪个餐桌，程序如图所示。 项目实施 识别餐牌部分的程序 机器人开始送餐之后，沿着黑线行走，同时不断识别摄像头拍摄到的图像，一旦识别出要送达的餐桌号，它会停下一段时间让客人自行取餐，然后继续前进，程序如图所示。 项目实施 课堂活动 请同学们按照程序编写的思路，编写送餐机器人的程序。 应用与优化 每个项目的成功实现都不是一蹴而就的，程序、机器人的宽度、长度、重量、重心等都可能会对机器人的行走情况造成影响，需要不断地实地测试并对程序和机器人的机械结构进行优化，从而使机器人的功能更加稳定。 请同学们把编写的程序刷入机器人中运行，观察机器人的表现，记录问题，分析问题成因，思考解决方案，然后不断重复这些过程，直到机器人达到较为令人满意的效果，将优化过程记录在表3.3.4中。 拓展阅读 拓展阅读 谢 谢 观 看 $