姓名：______________________________
日期：____________________
第 4 周
让机器人学会感知
读取真实的传感器数值，找出阈值，并给机器人做校准，好让它感知到的东西靠得住。
70 至 85 分钟
要点
机器人可以拥有的四种感官
机器人靠传感器感知世界。常见的有四种：触碰传感器（有没有被按下？）、距离传感器（最近的东西有多远？）、光线传感器（有多亮？）和颜色传感器（这个表面是什么颜色？）。
读数是一个数字，不是「是」或「否」
大多数传感器不会只说「是」或「否」，它们给出的是一个数字，叫作传感器读数。距离传感器可能读出 12 厘米；光线传感器可能读出亮度 47。
阈值把数字变成判断
阈值是你自己挑的一个分界数字，用来区分两种情况。如果你挑 15 厘米，那么小于 15 的读数就算「近」，大于 15 的就算「远」。
探测极限：每个传感器都有量程
没有哪个传感器什么都能感知。距离传感器超过一定量程就不管用了：它也许在 2 米以内读得挺准，再远就是一堆废数。它还能感知到的那个最远的点，就是它的探测极限。
噪声：为什么只测一次不够
把距离传感器对准一堵不动的墙，连着读几次。你可能会得到 30、31、30、29、31：明明什么都没变，数字却在小幅跳动。这种跳动就叫噪声。
校准与可靠性
校准的意思是核对或调整传感器，让它的读数在这个房间、这台机器人上是准确的。光线传感器在阳光充足的房间和在昏暗的房间读数不一样，所以同一个阈值不可能到处都好使：你得针对身处的这个房间去校准。
要认识的词
- 触碰传感器:
- 一种能判断自己有没有被按下的传感器，就像按钮或者保险杠。
- 距离传感器:
- 一种测量最近的物体有多远的传感器，通常以厘米为单位。
- 光线传感器:
- 一种测量环境有多亮或多暗的传感器，光越亮，给出的数字越大。
- 颜色传感器:
- 一种读取正前方表面颜色的传感器，比如红色、蓝色或白色。
- 传感器读数:
- 传感器在某一刻给出的数字，比如 20 厘米，或者亮度 47。
- 阈值:
- 你自己挑的一个分界数字，用来区分两种情况，比如「比 15 厘米还近就算近」。
- 探测极限:
- 超过这一点传感器就感知不到了，比如距离传感器读不出大约 2 米以外的东西。
- 校准:
- 调整或核对传感器，让它的读数在这个房间、这台机器人上是准确的。
- 噪声:
- 什么都没变，读数却还是会小幅跳动，正因如此才要多测几次。
- 可靠性:
- 你能有多信得过一个传感器每次都给出同样、正确的读数。
- 一次测量:
- 一场测试里的单独一次测量；通常要做好几次，然后互相比较。
- 基准读数:
- 在一个已知、稳定的条件下先测出来的读数，用来和其他读数作比较。
你的活动
传感器考察实验
目标：测量条件变化时传感器读数如何随之变化，并找出一个能干净利落分开两种情况的阈值。
- 挑一个条件一步一步地改（到墙的距离、亮度，或者表面的颜色），每改一步就读一次传感器。
- 把每个读数都记在记录表上。然后看着这些数字挑一个阈值：一个能把「近和远」或者「亮和暗」分开的分界值。
- 记住：这一周机器人只负责读数和报告。这些数字是什么意思，由你来判断。
写下发生了什么：
校准与阈值挑战
目标：靠多测几次来对付噪声，然后校准出一个在这个房间里可靠好用的亮暗（或远近）阈值。
- 挑一个稳定的条件，什么都别动，对着同一样东西连读几次；留意数字跳动了多少。这个跳动就是噪声。
- 在一个明显「低」的条件和一个明显「高」的条件下各测一次（暗对亮，或者近对远）。把阈值定在中间，好把两者干净利落地分开。
- 检验你的阈值：确认低条件的读数都落在一边、高条件的读数都落在另一边。如果不是，就调一调，这就是校准。
写下发生了什么：
预测
动手测试之前，先写下你的猜测。
测量之前先想想：墙在 20 厘米处时距离传感器读出 20 厘米，那你预测把墙挪到 40 厘米时它会读出什么？是更大还是更小的数字，大概是多少？
预测一下：对着同一堵不动的墙连读五次，每次会得到一模一样的数字吗？
测试并记录
距离与读数对照表
把墙（或者把条件）设到表上列出的每个距离，读取传感器并记下数字。要是数字在跳，就读三次取中间那个。
记录：每个设定距离下的传感器读数，以及你会把它算作近还是远
| 设定距离（厘米） | 传感器读数 | 算近还是算远？ |
|---|---|---|
三次测量的噪声检查
挑一个条件，之后不要再改动它。连着读三次传感器，把每次读数都记下来，看看它跳动了多少。
记录：什么都没变的情况下，几次测量之间读数变化了多少（也就是噪声）
| 第几次测量 | 传感器读数 | 与第 1 次的差值 |
|---|---|---|
知识检测
逐题作答。选择题请把最合适的答案圈出来。
把每种传感器和它测量的东西连起来。
距离传感器
光线传感器
触碰传感器
颜色传感器
某样东西有多远
环境有多亮
有没有东西被按下
一个表面是什么颜色
(Draw a line from each item on the left to its match on the right.)
用你自己的话说说，什么是传感器阈值？
什么是传感器读数？
- A.传感器在某一刻给出的数字
- B.传感器的名字
- C.机器人的颜色
- D.一条让机器人动起来的指令
距离传感器对着一堵墙读出 30 厘米，对着一堵更近的墙读出 12 厘米。这说明读数是怎么回事？
- A.东西越近，读数越大
- B.东西越近，读数越小
- C.读数是随机的，没什么意义
- D.传感器坏了
你想让机器人把 15 厘米以内的一切都当作「近」。这个数字 15 叫什么？
- A.探测极限
- B.噪声
- C.阈值
- D.执行器
你对着同一堵不动的墙读了五次，得到 30、31、30、29、31。这些数字为什么会跳？
- A.墙一直在动
- B.因为有噪声，所以要多测几次
- C.阈值定错了
- D.传感器没电了
你的亮暗阈值在教室里好用，到了阳光充足的房间却失灵了。你该怎么办？
- A.放弃算了，光线传感器在外面就是不管用
- B.为新房间校准传感器，并定一个新的阈值
- C.让机器人跑得更快
- D.多装几个轮子
反思
你的传感器什么时候给出过出乎意料的读数？可能是什么造成的？
你对着一个不动的物体读了好几次，得到的数字却略有不同。这是为什么？你又是怎么处理的？
为什么一台在某个房间里感知得完美无缺的机器人，换个房间还得重新校准？