慧鱼机器人教学课件

慧鱼机器人教学课件第一章慧鱼机器人是什么？领先品牌教育定位慧鱼（fischertechnik）作为德国知慧鱼机器人特别适合中小学及青少年名的教育技术品牌，在中国市场已经机器人教育，其设计理念充分考虑了建立了强大的影响力该品牌专注于学生的认知发展特点和学习需求产为中小学生提供高质量的STEM教育品既能激发学生的学习兴趣，又能培解决方案，其机器人产品线覆盖了从养他们的逻辑思维和动手能力，是现入门级到高级竞赛级别的各种需求代STEM教育的理想工具综合平台这是一个集机械、电子、编程于一体的综合学习平台，学生可以通过实际操作深入理解机械结构、电子电路和编程逻辑之间的内在联系这种跨学科的学习方式有助于培养学生的系统性思维和创新能力慧鱼机器人的核心特点模块化设计慧鱼机器人采用独特的模块化设计理念，所有部件都可以轻松组装与拆卸这种设计不仅降低了学习门槛，还允许学生根据不同的项目需求灵活配置机器人结构模块化设计还意味着易于维护和升级，大大提高了产品的使用寿命和性价比双重编程支持系统同时支持图形化编程与Python编程两种模式图形化编程基于Scratch架构，通过拖拽代码块的方式实现编程，特别适合初学者；Python编程模式则为有一定基础的学生提供了更强大的功能和更大的自由度，满足不同水平学生的学习需求丰富接口支持机器人配备了丰富的传感器和执行器接口，包括超声波传感器、红外传感器、光线传感器、温湿度传感器、舵机接口、直流电机接口等这些接口为学生提供了广阔的创作空间，可以开发出功能丰富、应用广泛的机器人项目慧鱼机器人应用场景教育课程STEM在正规的STEM教育课程中，慧鱼机器人作为核心教学工具，帮助学生理解科学、技术、工程和数学的基本概念通过项目式学习，学生可以在实践中掌握跨学科知识，培养解决实际问题的能力许多学校已将慧鱼机器人纳入常规课程体系机器人竞赛训练慧鱼机器人是各级机器人竞赛的重要平台，包括WRO世界机器人奥林匹克竞赛、FLL机器人挑战赛等国际知名赛事其标准化的硬件平台和开放的编程环境为竞赛训练提供了理想条件，帮助参赛队伍快速提升技术水平创客实验室项目在各类创客空间和实验室中，慧鱼机器人被广泛用于原型开发和创新项目其丰富的扩展性和兼容性使得创客们可以快速实现创意，从概念验证到产品原型，慧鱼机器人都能提供强有力的技术支持慧鱼机器人的多样化应用场景体现了其作为教育工具的强大适应性无论是课堂教学、竞赛训练还是创新实践，它都能为不同需求的用户提供优质的解决方案，真正实现了一平台多用途的设计理念第二章主要硬件组成控制主板作为机器人的大脑，控制主板集成了高性能微控制器，支持多种编程接口包括USB、蓝牙和WiFi连接主板采用ARMCortex架构，运行频率达到168MHz，内置丰富的I/O接口，可同时连接多达16个传感器和8个执行器电机驱动模块电机驱动系统支持多路舵机和直流电机的精确控制驱动模块采用PWM调速技术，可实现0-100%的无级调速，扭矩输出稳定可靠同时支持编码器反馈，实现闭环控制，确保运动精度和稳定性传感器模块系统电源与通讯模块组装演示慧鱼机器人底盘搭建关键零件介绍组装步骤图解底盘框架采用高强度工程塑料制造，重量准备工作清点所有零件，准备必要的组装工具，确保工作区域整洁轻且结构坚固，提供稳定的机械基础底盘安装将主框架平稳放置，按照标记位置安装支撑梁和连接板万向轮高品质滚动轴承设计，转动灵活，大大提高机器人运动的灵活性轮系安装先安装万向轮，确保其能自由转动，再安装驱动轮并检查驱动轮橡胶材质提供良好抓地力，轮径经对齐过精心设计以平衡速度和扭矩电机固定将电机牢固安装在指定位置，连接传动机构连接件标准化接口设计，确保各部件之间检查调试检查所有连接点的紧固程度，测试轮系转动是否顺畅的可靠连接注意事项与常见问题力度控制组装时用力要适中，过紧可能损坏塑料件，过松则影响结构稳定性方向检查安装前仔细核对零件方向，避免装反导致的返工线缆管理及时整理电缆走向，避免缠绕影响机器人运动常见问题如果机器人行走不稳，首先检查轮系是否水平；如果转向困难，检查万向轮是否卡滞正确的底盘搭建是后续所有功能实现的基础一个稳固、平衡的底盘不仅能提高机器人的运动性能，还能为传感器和其他功能模块提供可靠的安装平台第三章慧鱼机器人软件平台介绍图形化编程环境基于的拖拽式编程快速上手特性Scratch慧鱼机器人的图形化编程环境采用了国际流行的Scratch编界面设计遵循直觉化原则，新手用户通常在程架构，将复杂的代码逻辑转化为直观的图形化积木块学10-15分钟内就能掌握基本操作系统内置生只需通过简单的拖拽操作，就能构建出功能完整的机器人了丰富的示例程序和教学模板，为初学者提控制程序这种设计大大降低了编程学习的门槛，让没有编供了良好的学习起点程基础的学生也能快速上手实时调试功能编程环境提供了丰富的功能模块，包括运动控制、传感器读取、逻辑判断、循环结构、变量操作等每个模块都用不同支持程序实时运行和调试，学生可以即时看的颜色进行区分，形成清晰的视觉层次，帮助学生更好地理到代码修改的效果调试过程中，系统会高解程序结构和逻辑关系亮显示当前执行的代码块，帮助学生理解程序执行流程仿真测试环境内置3D仿真器，允许学生在没有实体机器人的情况下测试程序逻辑仿真环境提供了多种预设场景，包括迷宫、循迹道路、障碍场地等图形化编程环境的设计理念是让编程变得简单有趣通过视觉化的程序构建方式，学生能够更直观地理解编程逻辑，培养计算思维，为后续学习更高级的编程语言打下坚实基础编程支持Python进阶编程能力对于有一定编程基础或希望深入学习的用户，慧鱼机器人提供了完整的Python编程支持Python作为当前最流行的编程语言之一，在人工智能、数据科学、Web开发等领域都有广泛应用通过Python编程，学生可以实现更复杂的功能，开发更具创造性的项目系统提供了专门的Python API库，封装了所有硬件接口的调用方法这些API设计简洁明了，即使是Python初学者也能快速掌握同时，完整的API文档和代码示例为学习者提供了详细的技术参考代码示例解析#控制舵机旋转示例import fischertechnikas ftrobot=ft.Robot#将舵机旋转到90度位置robot.servo

1.set_angle90time.sleep1#读取超声波传感器数据distance=robot.ultrasonic

1.readprintf检测到的距离:{distance}cm#根据距离控制LED灯if distance20:robot.led

1.onelse:robot.led

1.off开发环境配置安装环境Python1推荐使用Python

3.8或更高版本，可从官网下载安装包或使用Anaconda发行版安装慧鱼库2通过pip命令安装pip installfischertechnik-python配置IDE3软件安装与连接下载官方通信测试验证IDE访问慧鱼官方网站www.fischertechnik.cn，下载最新版本的集成开发环境软件支持Windows、macOS和Linux连接成功后，运行内置的通信测试程序测试内容包括硬件识别、传感器状态检查、执行器响应测试如果所有系统，安装包大小约200MB安装过程中会自动配置必要的驱动程序和库文件测试项目都显示正常，说明软硬件连接已经建立，可以开始编程工作123设备连接配置支持三种连接方式USB有线连接推荐用于编程和调试、蓝牙无线连接适合演示和测试、WiFi网络连接支持远程控制首次连接需要进行设备配对，系统会自动搜索并识别可用的机器人设备常见连接故障排查硬件问题软件问题USB连接失败检查数据线是否损坏，尝试更换USB端口驱动程序问题卸载后重新安装最新驱动程序蓝牙配对失败确认蓝牙功能已开启，清除已配对设备后重新配对防火墙阻止将IDE添加到防火墙白名单WiFi连接不稳定检查网络信号强度，确认路由器设置正确端口冲突关闭其他可能占用串口的软件正确的软件安装和设备连接是后续所有编程工作的基础建议在正式开始项目开发前，花一些时间熟悉开发环境的各项功能，这将大大提高后续的开发效率第四章基础编程实操实操案例让机器人前进与转弯1图形化编程步骤详解启动程序块从事件类别中拖拽当绿旗被点击积木块作为程序入口点，这是所有程序的起始标志前进运动设置添加运动类别中的前进积木块，设置速度为50%，持续时间3秒速度参数可根据实际需要调整转弯动作配置插入右转积木块，设置转弯角度为90度系统会自动计算所需的转弯时间和电机转速差再次前进重复添加前进积木块，设置持续时间为2秒，保持相同的运动速度确保动作连贯性停止指令最后添加停止所有运动积木块，确保机器人在完成预定动作后完全停止运行效果展示完成编程后，机器人将按照预设路径运动首先直线前进3秒，然后向右转弯90度，再次前进2秒，最后停止整个过程中，机器人运动平稳，转弯精确，充分展现了程序控制的精确性实操案例超声波避障演示2传感器数据采集判断距离并控制运动1循环检测超声波传感器通过发射高频声波并接收回声来测量距离慧鱼机器人的超声波传感器工作频率为40kHz，测量范围2-400cm，精度可达±1cm传感器每秒可进行10-20次测量，为实时避障提供了充足的数据更新频率使用重复执行积木块创建主循环，确保机器人持续监测前方环境在循环中首先读取超声波传感器的距离值在编程时，需要注意传感器的安装位置和角度建议将传感器安装在机器人前方中央，高度略高于底盘，确保能够有效检测前方障碍物传感器的检测角度约为15度，覆盖范围足以满足基本避2条件判断障需求使用如果...否则积木块进行条件判断当检测距离大于20cm时，机器人继续前进；当距离小于等于20cm时，执行避障动作3避障策略检测到障碍物时，机器人首先停止前进，然后向右转弯90度，接着前进一小段距离，最后再次转向继续前进，形成绕障路径代码示例与调试技巧#Python代码示例import fischertechnikas ftimporttimerobot=ft.Robotwhile True:#读取超声波传感器数据distance=robot.ultrasonic

1.readprintf当前检测距离:{distance}cm ifdistance20:#距离足够，继续前进robot.motor

1.set_speed40robot.motor

2.set_speed40else:#检测到障碍物，执行避障robot.motor

1.stop robot.motor

2.stop time.sleep

0.5#右转避障robot.motor

1.set_speed40robot.motor

2.set_speed-40time.sleep1time.sleep

0.1#短暂延时，避免过频繁检测实操案例灯光与声音控制3控制灯闪烁LED慧鱼机器人配备了多彩LED灯组，支持红、绿、蓝三基色混合，可以产生超过1600万种颜色组合通过PWM脉宽调制技术，可以精确控制LED的亮度和颜色变化基础闪烁模式颜色渐变效果设置LED灯在

0.5秒间隔内开关切换，形成规律的闪烁效果可以通过调整时间间隔创造不同利用循环结构和变量控制，实现LED颜色的平滑过渡从红色渐变到绿色，再到蓝色，最后回的闪烁节奏到红色，形成连续的色彩变化呼吸灯效果通过控制LED亮度的渐增和渐减，模拟人的呼吸节奏，创造柔和自然的视觉效果视听效果展示通过精心编程，机器人能够呈现丰富的视听效果LED灯按照设定节奏闪烁，颜色在红、绿、蓝之间循环变换；同时蜂鸣器播放不同音调的声音，与灯光效果形成完美配合，创造出引人注目的表演效果播放蜂鸣器音调蜂鸣器可以播放不同频率的声音，频率范围从100Hz到8000Hz，涵盖了人耳能够清晰感知的大部分音域通过编程控制，可以播放单音、和弦，甚至简单的旋律第五章进阶项目开发项目循迹小车设计1传感器布局与线路设计控制算法优化PID循迹小车的核心在于传感器的合理布局推荐使用3-5个红外传感器组成传感基础的开关控制虽然简单，但容易造成小车摆动引入PID控器阵列，安装在机器人前方底部，距离地面约5-10mm传感器间距应根据循制算法可以显著改善循迹的平稳性迹线宽度确定，一般为2-3cm中央传感器用于检测直线行驶状态，两侧传感比例P控制根据偏离程度调整转向力度，偏离越大，修正器用于检测偏离和转弯越强线路设计采用差分驱动方式，通过控制左右两侧电机的转速差来实现转向积分I控制消除系统稳态误差，确保长期稳定性当检测到向左偏离时，增加右电机转速或减少左电机转速；反之亦然这种微分D控制预测偏离趋势，提前进行修正，减少振荡控制方式简单有效，响应迅速编程实现循迹逻辑#PID控制示例代码def pid_controlerror,last_error,integral:kp,ki,kd=

0.8,

0.1,

0.2#PID参数integral+=error传感器读取derivative=error-last_error output=kp*error+ki*integral+kd*derivative持续读取所有红外传感器的状态，将模拟信号转换为数字信return output,integral号白色表面反射率高，传感器读数大；黑线反射率低，读数小状态判断根据传感器组合状态判断当前位置中央传感器检测到黑线表示正轨；左侧传感器检测到表示左偏；右侧传感器检测到表示调试与优化建议右偏运动控制环境光补偿在不同光照条件下测试，调整传感器阈值根据判断结果调整电机转速直线时两电机同速；左偏时右电速度优化直线段可适当提高速度，弯道处降低速机加速或左电机减速；右偏时相反操作度传感器标定定期校准传感器，确保检测精度机械调整检查轮子对齐，消除机械误差对循迹的影响项目智能避障机器人2状态机设计思路探索状态机器人以正常速度前进，持续扫描前方环境在此状态下，所有传感器保持活跃监测检测状态发现障碍物时进入此状态，停止前进并分析障碍物的位置、大小和距离传感器融合技术规划状态智能避障机器人需要结合多种传感器来获得全面的环境信息超声波传感器提供精确的距离测量，红外传感器用于近距离障碍物检测，光线传感器可以识别环境明根据障碍物信息计算最优绕行路径，选择左绕、右绕或后退重新规划暗变化通过传感器融合技术，系统能够在复杂环境中做出更准确的判断项目远程控制机器人3蓝牙通信原理/WiFi连接建立1慧鱼机器人支持多种无线通信协议，其中蓝牙

4.0和WiFi是最常用的两种方式蓝牙通信功耗低，连接稳定，适合近距离控制；WiFi通信速度快，传输距离远，支持多设备同时连接，适合远程监控扫描可用设备，建立通信连接，进行身份验证和参数协商和数据传输蓝牙通信采用经典的主从架构，机器人作为从设备等待连接，控制端作为主设备发起连接通信协议基于UART串口，数据包格式简单明了，包含设备地址、命令类型、参数数据和校验位WiFi通命令发送信则采用TCP/IP协议栈，支持更复杂的数据交换和网络服务2数据传输协议设计将用户操作转换为标准命令格式，通过无线信道发送给机器人#蓝牙命令协议示例{type:motor_control,left_speed:50,right_speed:-30,duration:2000,timestamp:1634567890}#WiFi JSON数据格式状态反馈3{device_id:robot_001,command:move_forward,parameters:{speed:60,distance:100},callback:true}机器人实时返回状态信息，包括位置、传感器数据、电量等异常处理4处理连接中断、数据丢失等异常情况，确保系统稳定运行安全性考虑身份认证使用密钥验证确保只有授权设备能够控制机器人数据加密敏感数据传输采用AES加密算法保护访问控制实现分级权限管理，不同用户具有不同操作权限防重放攻击使用时间戳和随机数防范指令重放手机控制示范App手机App作为机器人的主要控制界面，需要提供直观友好的用户体验界面设计应该考虑不同年龄段用户的使用习惯，采用大按钮、清晰图标和简洁布局虚拟摇杆控制功能参数调节提供类似游戏手柄的虚拟摇杆，支持360度方向控制和无级调速摇杆的触觉反馈和视觉效果帮助用户精确操控机器人运动通过滑动条和数值输入框调节机器人的各项参数，如运动速度、传感器灵敏度、LED亮度等支持参数预设保存和快速切换实时数据监控视频图传功能以图表形式实时显示机器人的传感器数据、电池电量、运动状态等信息支持历史数据查看和数据导出功能如果机器人配备摄像头，App可以实时显示第一人称视角画面支持拍照、录像和图像处理功能，增强操控体验远程控制功能不仅扩展了机器人的应用场景，更重要的是让学生理解物联网和远程通信的基本原理通过开发控制App，学生能够学习移动应用开发、网络编程、用户界面设计等多项技能第六章机器人竞赛与实践。