高中数理方法在AI机器人社团中的应用

胡 坤 余有双 (江苏省苏州外国语学校 215104)

AI机器人社团活动课是目前高中阶段普遍开展的一门社团课程，该课程因其具备创新性和趣味性等特点，现已成为极具代表性的校本课程之一．[1]该社团活动的开展不仅能提高学生的综合素养，而且对学生的学业成就有较大影响．[2]在AI机器人社团竞赛项目中，应用高中数理方法[3]能发挥较大作用． 笔者以2019年WER(World Educational Robot，世界教育机器人)世界锦标赛为例，从以下三个方面谈一谈高中数理方法在该社团中的应用与实践．

1 基于程序流程图的可视化编程

2019年WER世锦赛中的智能机器人是一辆智能小车． 参赛选手要根据地图和任务模型完成智能小车的路径和动作编程． 由于高中生没有接触到C、C++等编程语言，因此WER官方提供了基于高中数学程序流程图的可视化编程软件． 下图将程序流程图和实际的编程思路作了对比．

图1实现的功能是：输出智能小车巡迹行驶时，遇到左侧路口做出“左转”动作所需的总时间．当灰度传感器采集值为800、小车速度为20 cm/s时开始计时，经运算得出的结果是t=3 s． 计算过程为f=800,v=20,t=0→v=30,t=1→f=1 100→f<2 000→v=40,t=2→f=1 900→f<2 000→v= 50,t=3→f=3 400→f<2 000→t=3．

图1 图2

真实比赛中，智能小车每完成一个任务都需要很多个类似于图1的流程图结构，因此参赛学生需以高中数学流程图为基础，先设计流程图1再进行实际编程. 图3是某任务的真实编程结果．

图3

2 通过直线斜率求解智能小车的行驶仰角

2019年WER世锦赛中任务2：小车出基地(图4中点A)，巡线行驶至点B上方的任务模型位置，施展动作，完成任务后返回基地． 由于比赛时间是有限的，若小车沿黑线行驶至点B，不仅很耗时间，而且会面临“Y”字路口难题：图4中点C右侧的“Y”字路口并非标准的左转和右转路口，这对小车在路口转弯有干扰． 为了解决该问题，可以让小车在点A与水平线成某个角度匀速直线行驶，直接向点B附近行驶过去． 当小车的灰度传感器检测到B,C两点之间的黑线时停车，然后小幅巡线向任务模型靠近并完成任务．

图4

图5

3 运用类平抛与二次函数讨论智能小车的速度

2019年WER世锦赛中任务4：智能小车行驶至如图6所示的模型右侧，通过撞击点M的推杆使得物块N被水平抛出，掉落至点P下方的分拣篮中． 物块N在初始状态下是被放置在倾斜角为60°的背板上，在受到推杆施加的推力后，它的运动过程可看成斜坡上的类平抛运动． 如图7，假设斜坡是光滑的，斜面长为l、宽为b、倾角为θ，物块N沿斜面右上方顶点水平射入，若物块N成功落分拣篮，则须在点P右侧离开斜面，讨论这时物块N的初速度v0(也可近似看成小车的速度)． 重力加速度g≈9.8 m/s2，忽略空气阻力．

图6 图7

4 结语

综上所述，在AI机器人社团活动中，高中数理方法的应用能帮助学生将所学化为所用，理论与实际相结合，以更科学、更有效的方式解决竞赛中遇到的难题，不仅锻炼了学生的数理思维，更提高了学生的综合素养．