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1、 智能机器人智能机器人 深圳市教育科学研究院深圳市教育科学研究院 杨杨 青青本教材的知识架构本教材的知识架构第一单元 走进智能机器人第二单元 智能机器人程序设计第一单元第一单元 走进智能机器人走进智能机器人知识导图知识导图模仿延伸扩展实例人工智能人类智能智能机器人工业军事医学教育娱乐应用定义系统组成智能风扇实例第二单元第二单元 智能机器人程序设计智能机器人程序设计知识导图知识导图巡逻避障机器人自动感应灯、声控灯循迹、走迷宫和灭火机器人生活中的小发明及综合应用常用模块、红外避障传感器赋值语句逻辑表达式声音传感器光感传感器多分支结构条件循环子程序轨迹识别传感器、火焰传感器超声测距、人体红外器及火焰
2、传感器,音乐模块赋值语句及子程序的综合应用顺序结构选择结构循环结构1.1 人类智能和人工智能人类智能和人工智能 所谓人类智能,最简单的解释就是智慧和能力,在这里我们把智能理解为人类所独有的属性。而人工智能,则是指人类所创造出来的“机器”所具有的智慧和能力。人类智能人类智能 人类智能,又叫自然智能,主要包含三个方面:感知能力、思维能力、行为能力。当我们动用全身的感觉器官感受到外界的信息刺激之后,能够通过大脑进行记忆、联想、分析、判断等一系列思维活动,其结果就是做出一种决策,最后再通过我们的具体行动,把这一决策体现出来。人工智能人工智能 人工智能人工智能(Artificial Intelligen
3、ce(Artificial Intelligence,简称,简称AI)AI),也称作机器智能,也称作机器智能,它是计算机科学、控制论、信息它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科互相论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科互相渗透而发展起来的一门综合性学科。从计算机应用渗透而发展起来的一门综合性学科。从计算机应用系统的角度出发,人工智能是研究如何制造出人造系统的角度出发,人工智能是研究如何制造出人造的智能机器或智能系统,来模拟人类智能活动的能的智能机器或智能系统,来模拟人类智能活动的能力,以延伸人们智能的科学。同样,人工智能也主力,以延伸人们智能的科学。同样,人工智
4、能也主要包含三个方面:感知能力、思维能力、行为能力。要包含三个方面:感知能力、思维能力、行为能力。只不过这三个方面是通过只不过这三个方面是通过“机器机器”系统,而不是系统,而不是“人人”这一系统来完成。(楼道感应灯)这一系统来完成。(楼道感应灯)1.2 人工智能的发展历史人工智能的发展历史 自查相关网站。1.3 我们为何需要人工智能 一、做人类做不到的事情一、做人类做不到的事情二、做人类做不好的事情做人类做不好的事情三、做对人类有危险的事情三、做对人类有危险的事情1.4人工智能可以为我们做什么人工智能可以为我们做什么1.模式识别模式识别 模式,是指已经界定好的,用来供模仿的一个标本或标准。模式
5、识别就是指识别出这个标本或标准。人工智能所研究的模式识别是指用“机器”代替人类或帮助人类感知模式,也就是使一个“机器”系统具有模拟人类通过感官接受外界信息、识别和理解周围环境的感知能力。模式识别主要需要建立的是语音识别和图像识别体系。语音识别语音识别 语音识别研究的目的就是让机器语音识别研究的目的就是让机器“听懂听懂”人类人类口述的语言。包括两方面的含义:其一是逐字逐口述的语言。包括两方面的含义:其一是逐字逐句听懂非转化成书面语言文字;其二是对口述语句听懂非转化成书面语言文字;其二是对口述语言中所包含的要求或询问加以理解,做出正确响言中所包含的要求或询问加以理解,做出正确响应,而不拘泥于所有词
6、的正确转换。语音识别系应,而不拘泥于所有词的正确转换。语音识别系统从讲叙方式角度可分为孤立词、连接词和连续统从讲叙方式角度可分为孤立词、连接词和连续语音三种。从服务对象的角度可分为特定人与非语音三种。从服务对象的角度可分为特定人与非特定人。即系统只针对一个用户或可用于任意用特定人。即系统只针对一个用户或可用于任意用户。户。一个完整的语音识别系统可大致分为三部分:(1)语音特征提取:其目的是从语音波形中提取出随时间变化的语音特征序列。(2)声学模型与模式匹配(识别算法):声学模型通常将获取的语音特征通过学习算法产生。在识别时将输入的语音特征同声学模型(模式)进行匹配与比较,得到最佳的识别结果。(
7、3)语言模型与语言处理:语言模型包括由识别语音命令构成的语法网络或由统计方法构成的语言模型,语言处理可以进行语法、语义分析。对小词表语音识别系统,往往不需要语言处理部分。图像识别图像识别图形刺激作用于感觉器官,人们辨图形刺激作用于感觉器官,人们辨认出它是经验过的某一图形的过程。也认出它是经验过的某一图形的过程。也称图像再认。在图像识别中,既要有当称图像再认。在图像识别中,既要有当时进入感官的信息,也要有记忆中存储时进入感官的信息,也要有记忆中存储的信息。只有通过存储的信息与当前的的信息。只有通过存储的信息与当前的信息进行比较的加工过程,才能实现对信息进行比较的加工过程,才能实现对图像的再认。图
8、像的再认。1.4.2自然语言理解自然语言理解“机器机器”要能够理解自然语言,需要达到以下三个要能够理解自然语言,需要达到以下三个标准:标准:一是能正确理解人类的自然语言输入的信息,并一是能正确理解人类的自然语言输入的信息,并能正确答复(或响应)输入的信息。能正确答复(或响应)输入的信息。二是对输入的信息能产生相应的摘要,而且复述二是对输入的信息能产生相应的摘要,而且复述输入的内容。输入的内容。三是能把输入的自然语言翻译成要求的另一种语三是能把输入的自然语言翻译成要求的另一种语言,如将汉语译成英语或将英语译成汉语等。言,如将汉语译成英语或将英语译成汉语等。机器翻译机器翻译 自然语言理解大致可分为
9、机器翻译、语义理解及人机会话技术几个方面。其中机器翻译(machine translation),又称机译(MT),就是利用“机器”把一种自然语言转变成另一种自然语言的过程。翻译机器所依赖的自动翻译技术包括语音翻译和文字翻译,主要的关键技术有四个方面:单词分析,语法分析,意义分析和文理分析。1.4.3机器学习机器学习 人的智能是通过学习来获得进步的,学习的能力是我们人类的自然属性。而人工智能研究上最突出和最重要的一个方面,就是机器学习。首先,我们要赋予“机器”一个最基本的智能基础。这一智能基础就是专家系统与问题求解系统。专家系统专家系统 专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统。它应用人
10、工智能技术,根据某个领域一个或多个专家提供的知识和经验进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,以解决那些需要专家决定的复杂问题。当前机器学习的研究成果中,专家系统是发展比较快的一个分支。专家系统与传统的计算机程序有着本质的不同,专家系统所要解决的问题一般没有算法解,并且经常要在不完全、不精确或不确定的信息基础上做出结论。所以,发展专家系统的关键是提高“机器”的自学习能力,这种能力越高,对专家知识的表达和运用就越好,专家系统的作用也就越显著。问题求解问题求解人工智能的第一个大成就是发展了能够求解难题的人工智能的第一个大成就是发展了能够求解难题的下棋程序,如国际象棋、中国象棋、围棋等,我们今天下棋
11、程序,如国际象棋、中国象棋、围棋等,我们今天在网上都可以找到各种各样的人机对弈软件。在下棋程在网上都可以找到各种各样的人机对弈软件。在下棋程序中,应用到的某些技术,如向前看几步,还有把困难序中,应用到的某些技术,如向前看几步,还有把困难的问题分成一些比较容易的子问题等,其实就是数据库的问题分成一些比较容易的子问题等,其实就是数据库搜索和问题归纳这样的人工智能基本技术。搜索和问题归纳这样的人工智能基本技术。问题求解程序不仅是能够下棋,还有一个重要的应问题求解程序不仅是能够下棋,还有一个重要的应用就是符号运算,可以把各种数学公式符号汇编在一起,用就是符号运算,可以把各种数学公式符号汇编在一起,其性
12、能达到很高的水平,这就极大地方便了科学家和工其性能达到很高的水平,这就极大地方便了科学家和工程师们的工作,帮助他们从繁重的手工计算劳动中解脱程师们的工作,帮助他们从繁重的手工计算劳动中解脱出来,集中精力做好对问题的分析和对工作整体的把握出来,集中精力做好对问题的分析和对工作整体的把握上。有些高级的问题求解程序,已经具备了一定的上。有些高级的问题求解程序,已经具备了一定的“机机器学习器学习”智能,能够利用在被使用过程中积累起来的智能,能够利用在被使用过程中积累起来的“经验经验”,自动地来改善和提高其自身性能。,自动地来改善和提高其自身性能。1.4.4智能机器人智能机器人 智能机器人是人工智能中的
13、最重要的应用,机器人是一种能模拟人的行为的机械,对它的研究经历了三代的发展过程:1.第一代(程序控制)机器人;2.第二代(自适应)机器人;3.第三代(智能)机器人;第一代(程序控制)机器人:这种机器人一般是按以下二种方式“学会”工作的。一种是由设计师预先按工作流程编写好程序,存贮在机器人的内部存储器,在程序控制下工作。另一种是被称为“示教再现”方式,这种方式是在机器人第一次执行任务之前,由技术人员引导机器人操作,机器人将整个操作过程一步一步地记录下来,每一步操作都表示为指令。示教结束后,机器人按指令顺序完成工作(即再现)。如任务或环境有了改变,就要重新进行程序设计。这种机器人能尽心尽责的在机床
14、、熔炉、焊机、生产线上工作。第二代(自适应)机器人:这种机器人配备有相应的感觉传感器(如视觉、听觉、触觉传感器等),能取得作业环境、操作对象等简单的信息,并由机器人体内的计算机进行分析、处理,控制机器人的动作。虽然第二代机器人具有一些初级的智能,但还是需要技术人员的协调工作。目前这种机器人已经有了一些商品化的产品,我们在后面所讲述的内容中,也将主要以这一类产品作为课堂学习的器材。第三代(智能)机器人:智能机器人具有类似于人的智能,它装备了高灵敏度的传感器,因而具有超过一般人的视觉、听觉、嗅觉、触觉的能力,能对感知的信息进行分析,控制自己的行为,处理环境发生的变化,完成交给的各种复杂、困难的任务
15、,而且有自我学习、归纳、总结、提高已掌握知识的能力。目前研制的智能机器人大都只具有部分的智能,和真正的意义上的智能机器人,还差得很远。学习目标:学习目标:1、掌握机器人的定义。2、了解机器人发展史。3、熟悉机器人的分类及应用。2.1 走进机器人世界走进机器人世界2.1 机器人的定义机器人的定义 目前科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。2.2 机器人的发展历程机器人的发展历程三千年前的歌者两千年张衡发明的指南车近年的弧焊机器人2.3 机器人的分类及应用
16、机器人的分类及应用 工工业业机机器器人人服务机器人服务机器人娱娱乐乐机机器器人人军军用用机机器器人人教育机器人教育机器人2.2 揭开机器人神秘的面纱揭开机器人神秘的面纱学习目标:学习目标:学习目标:学习目标:1 1、了解机器人的基本构造及其工作原理。、了解机器人的基本构造及其工作原理。2 2、掌握机器人的主控系统及各部位的作用。、掌握机器人的主控系统及各部位的作用。3 3、认识传感系统在机器人中的作用。、认识传感系统在机器人中的作用。4 4、了解常用传感器的工作原理及组成。、了解常用传感器的工作原理及组成。5 5、认识机器人各部零件作用及组装原理。、认识机器人各部零件作用及组装原理。6 6、学
17、习组装机器人。、学习组装机器人。机器人机器人本体机器人控制系统机械本体运动、动力系统主控系统感知系统2.3机器人的构成机器人的构成 机器人 机器人本体机器人控制系统机械本体运动、动力系统 主控系统感知系统 传感系统 主控系统 运动动力系统 外界信息2.4 机器人的灵魂机器人的灵魂控制系统控制系统输入:输入:该信息来自机器人的传感器;程序:程序:你想让机器人遵循的一种规则或指令;输出:输出:机器人的运动,通常包括马达(运转)、灯和声音 信息转化下达命令 机器人工作过程图教学重点,也是我们重点选课的内容。2.5机器人的大脑机器人的大脑主控系统主控系统单片机单片机开关接口电机接口USB下载接口双向输
18、入输出接口 数字单向输入接口 数字/模拟复用输入接口 4、3、2、1 8、7 6、5、4、3、2、12.6机器人的感官机器人的感官传感系统传感系统红外避障传感器红外避障传感器 红外避障传感器装置由两红外避障传感器装置由两部分组成,一个白颜色的二极部分组成,一个白颜色的二极管叫做发射器,一个由金属材管叫做发射器,一个由金属材料构成的装置叫接收器。发射料构成的装置叫接收器。发射器发射出去的红外线,遇到物器发射出去的红外线,遇到物体反射回接收器当中,接收器体反射回接收器当中,接收器会把个这信息转化为电信号传会把个这信息转化为电信号传输给机器人的微电脑,微电脑输给机器人的微电脑,微电脑就像人的大脑一样
19、,可以进行就像人的大脑一样,可以进行思考并准确的判断周围物体所思考并准确的判断周围物体所在的位置,指挥机器人在行进在的位置,指挥机器人在行进当中巧妙的避开物体。当中巧妙的避开物体。红外避障传感器(一体)4 4、红外发射管红外发射管 红外接收管红外接收管 指示灯指示灯 可调电阻可调电阻传感器连接线传感器连接线可与微电脑数字/模拟复用端口1-6连接,具体端口根据程序来定。红外避障传感器(分离)传感器连接线传感器连接线 指示灯指示灯 可调电阻可调电阻 红外发射管红外发射管 红外接收管红外接收管传感器连接线可与微电脑数字/模拟复用端口1-6连接,具体端口根据程序来定。红外避障传感器可调电阻:调节并锁定
20、红外避障传感器的 探测距离。逆时针调节,传感器探测距离 增大;顺时针调节,传感器探测距离减小。探测范围0-100CM。红外避障传感器诺宝红外避障传感器的注意事项:红外避障传感器避免强光直射使用。分离式红外避障传感器如需检测前方物体时,发射与接收探头之间间距应保持3CM以上,避免产生误信号。声音传感器声音传感器声音传感器 声音传感器是诺宝声音传感器是诺宝教育机器人中具有强大教育机器人中具有强大功能的数字传感器之一,功能的数字传感器之一,主要用来检测是否接收主要用来检测是否接收到声音。其灵敏度高,到声音。其灵敏度高,使用方法灵活多样,对使用方法灵活多样,对声音基础技术知识做了声音基础技术知识做了很
21、好的诠释,是学生们很好的诠释,是学生们学习机器人传感器知识学习机器人传感器知识良好的教学器材。良好的教学器材。声音传感器 声音传感器探头声音传感器探头 指示灯指示灯 可调电阻可调电阻 传感器连接线传感器连接线 传感器连接线可与微电脑数字/模拟复用端口1-6连接,具体端口根据程序来定。声音传感器可调电阻:可调电阻:调节声音传感器的探测灵敏度。调节声音传感器的探测灵敏度。逆时针调节,声音传感器探测灵敏度增大;逆时针调节,声音传感器探测灵敏度增大;顺时针调节,声音传感器探测灵敏度减小。顺时针调节,声音传感器探测灵敏度减小。声音传感器诺宝声音传感器的注意事项:输入声音信号时,注意噪音干扰,避免产生错误
22、判断。轨迹识别传感器 轨迹识别传感器是轨迹识别传感器是诺宝教育机器人中具有诺宝教育机器人中具有强大功能的数字传感器强大功能的数字传感器之一,灵敏度强,主要之一,灵敏度强,主要是用来检测地面轨迹颜是用来检测地面轨迹颜色的差别,识别地面轨色的差别,识别地面轨迹。它科技知识含量高,迹。它科技知识含量高,操作起来灵活多样,是操作起来灵活多样,是学生们学习机器人传感学生们学习机器人传感器知识良好的教学器材器知识良好的教学器材轨迹识别传感器 轨迹识别传感器探头轨迹识别传感器探头 可调电阻可调电阻 传感器连接线传感器连接线传感器连接线可与微电脑传感器单向输入端口7-8连接,具体根据程序来定。轨迹识别传感器轨
23、迹识别传感器的功能与原理轨迹识别传感器的功能与原理 功能及原理:检测地面轨迹颜色的差别,识别功能及原理:检测地面轨迹颜色的差别,识别 地面轨迹。它由两部分组成,一组红外发射器,一地面轨迹。它由两部分组成,一组红外发射器,一 组红外接收器。发射器不断地发射信号,当遇到不组红外接收器。发射器不断地发射信号,当遇到不 同颜色物体时,反射回接收器当中的信号强弱就会同颜色物体时,反射回接收器当中的信号强弱就会 不同,接收器就会把这些不同的信息转化为相应的不同,接收器就会把这些不同的信息转化为相应的 电信号传输给机器人的微电脑,微电脑就像人的大电信号传输给机器人的微电脑,微电脑就像人的大 脑一样,可以思考
24、和判断,指挥机器人沿着预定路脑一样,可以思考和判断,指挥机器人沿着预定路 径前进。有信号时,代表机器人检测到深色轨迹。径前进。有信号时,代表机器人检测到深色轨迹。光感传感器 光感传感器是运光感传感器是运用一个用一个光敏电阻光敏电阻来检来检测环境光线的强度的测环境光线的强度的传感器模块。它科技传感器模块。它科技知识含量高,操作起知识含量高,操作起来灵活多样,是学生来灵活多样,是学生们学习机器人传感器们学习机器人传感器知识良好的教学器材。知识良好的教学器材。光感传感器光感传感器探头 可调电阻 指示灯 传感器连接线传感器连接线可与微电脑数字/模拟复用端口1-6连接,具体端口根据程序来定。光感传感器可
25、调电阻:调节光感传感器的探测灵敏度。逆时针调节,传感器探测灵敏度增大;顺时针调节,传感器探测灵敏度减小。3.1 赋予机器人赋予机器人“智慧智慧”学习目标:学习目标:1、握算法的基本概念、基本特征。2、理解算法来源于生活的道理。3、学会并掌握用流程图表示算法。4、认识程序的三种基本结构(顺序结构、循环结构、选择结构)。5、学会编写简单程序。6、认识诺宝RC软件操作平台。3.2 机器人智慧的来源机器人智慧的来源计算机程序计算机程序 计算机程序的核心计算机程序的核心算法算法 1.什么是算法什么是算法算法包含两方面内容:算法包含两方面内容:1、数据。、数据。2、操作步骤,也就是算法。、操作步骤,也就是
26、算法。一架飞机每分钟飞行20千米,问每小时能飞行多少千米?在这道应用问题中,20千米和每小时是(数据),根据问题我们列出的乘法算式(20千米60)就是算法,得数1200千米(算法结果)。这道应用问题我们采用了乘法算法,若我们采用加法(20千米20千米20千米 )加60次,也可以得出1200千米的结果。但显然加法的算法不好。如用减法或除法那就是错误的算法了。根据这个例子,我们不难看出,算法是程序的灵魂与核心,一个算法的优劣就决定着程序的好坏及是否正确。3.4算法的表示方法算法的表示方法1、用自然语言表示算法。、用自然语言表示算法。2、用伪代码表示算法、用伪代码表示算法3、用流程图表示算法。、用流
27、程图表示算法。起止框 处理框 流程线 判断框 输入输出框步骤的安排有不同的方式,主要是以下三种:1、顺序模式、顺序模式 顺序模式就是一步一步来,做完一步再做下一步。编写程序的时候,就是表示为执行完一个步骤,再按顺序执行下一个步骤。其程序结构为顺序结构。2、选择模式、选择模式选择,就是在不同的结果里确定一个,然后执行下一步的操作。编写程序的时候,其程序结构为选择结构。3、循环模式、循环模式 循环模式,就是不断地重复一个动作,直到完成最初计划好的重复次数为止。编写程序的时候,其程序结构为循环结构。3.3算法有哪些特征算法有哪些特征1、有限性、有限性2、确定性、确定性3、输出(结果)性、输出(结果)
28、性4、有效性、有效性4.1 让机器人行动起来让机器人行动起来1、解析算法 解析算法是指用数学表达式来表示事务间的数量关系。通常就是我们日常生活中的算术。例如:多边形的外角表达式 360。N(边数)风车、巡逻兵(顺序和循环算法)4.1 让机器人行动起来让机器人行动起来2递归算法递归算法递归算法是指按规律的递增(或递减)一定数值,直到完成任务。走盘上路4.1 让机器人行动起来让机器人行动起来3、枚举算法、枚举算法在现实生活中又叫做搜索,就是列举出问题所有可能的结果,并在逐一识别的过程中,搜索到正确的答案,并保留符合要求的结果。注意:当问题的全部可能的个数不多的时候,才能用枚举。救护机器人(搜寻)3
29、、枚举算法实例 救护机器人:在机器人的前、左、右三个方向分别装有避障传感器。机器人在行进中会遇到以下情况:1、前避障传感器有信号 左边有信号,右边也有信号。左边有信号,右边没有信号。右边也有信号,左边没信号。右边没有信号,左边也有信号2、前避障传感器没有信号 左边有信号,右边也有信号。左边有信号,右边没有信号。右边也有信号,左边没信号。右边没有信号,左边也有信号 3、枚举算法实例机器人前进的时候,当前避障传感器有信号时候,机器人前进的时候,当前避障传感器有信号时候,第一组四种情况相对应的动作结果为:第一组四种情况相对应的动作结果为:1 1、左边有信号,右边也有信号的时候,动作为后退,、左边有信
30、号,右边也有信号的时候,动作为后退,返回继续判断。返回继续判断。2 2、左边有信号,右边没信号的时候,动作为右转,、左边有信号,右边没信号的时候,动作为右转,返回继续判断。返回继续判断。3 3、右边有信号,左边没信号的时候,动作为左转,、右边有信号,左边没信号的时候,动作为左转,返回继续判断。返回继续判断。4 4、右边没有信号,左边也没有信号的时候,动作为、右边没有信号,左边也没有信号的时候,动作为左转,返回继续判断。左转,返回继续判断。3、枚举算法实例机器人前进的时候,当前避障传感器没有信号时候,机器人前进的时候,当前避障传感器没有信号时候,第二组四种情况相对应的动作结果为:第二组四种情况相
31、对应的动作结果为:1 1、左边有信号,右边也有信号的时候,动作为前、左边有信号,右边也有信号的时候,动作为前进,返回继续判断。进,返回继续判断。2 2、左边有信号,右边没信号的时候,动作为右转,、左边有信号,右边没信号的时候,动作为右转,返回继续判断。返回继续判断。3 3、右边有信号,左边没信号的时候,动作为左转,、右边有信号,左边没信号的时候,动作为左转,返回继续判断。返回继续判断。4 4、右边没有信号,左边也没有信号的时候,动作、右边没有信号,左边也没有信号的时候,动作为前进,返回继续判断。为前进,返回继续判断。4.1 让机器人行动起来让机器人行动起来4、查找算法、查找算法查找法是指用比较少的步骤或比较短的时间找到所需的对象。通常,在程序中将按照查找的结果(找到或未找到)来决定下一步将如何进行。机器人灭火4.1 让机器人行动起来让机器人行动起来5、排序算法、排序算法排序算法是指将杂乱无章的数据变成有序数据。古墓探索
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