Projekt – gra STRZELNICA

W czasie tej lekcji uczniowie zbudują własne urządzenie do gry oraz stworzą do niego oprogramowanie.


CELE, POJĘCIA, MATERIAŁY ▼

Cele zajęć

Cele ogólne:
• Wyrabianie umiejętności rozumienia, analizowania i rozwiązywania problemów na bazie logicznego i abstrakcyjnego myślenia.
• Doskonalenie myślenia algorytmicznego.
• Programowanie i rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem komputera oraz
innych urządzeń cyfrowych, poprzez układanie i programowanie algorytmów.
• Zgłębianie znajomość zasad działania urządzeń cyfrowych oraz wykonywania programów.
• Rozwijanie kompetencji społecznych, takich jak: komunikacja i współpraca w grupie, udział w projektach zespołowych oraz organizacja i zarządzanie projektami.

Cele szczegółowe

Uczeń potrafi:
• Zbudować urządzenie elektro-mechaniczne korzystając z instrukcji i gotowych podzespołów.
• Prawidłowo podłączyć urządzenia wejścia wyjścia (czujnik, dioda, serwomotor, wyświetlacz) do sterowania Arduino za pośrednictwem adaptera LOFI brain.
• Wyjaśnić na czym polega istota zaplanowanej gry.
• Określić cele gry, zmienne i warunki, jakie muszą znaleźć się w programie.
• Zaplanować szkic programu w Arduino IDE służący osiągnięciu konkretnego celu.
• Napisać program będący w pełni funkcjonalną grą.
• Zapisywać, weryfikować, wgrywać, testować i poprawiać program.
• Wyjaśnić zasadę działania programu, analizując poszczególne linie kodu.
• Rozbudować swoją grę o nowe funkcje.

Treści programowe (związek z podstawą programową)

Podstawa programowa z informatyki – szkoła podstawowa:
Etap II – klasy IV – VIII, w tym klasy VII – VIII: I.1.b, I.2.a, I.2.b, I.2.c, I.3, II.1.b, II.3, III.3, IV.1, IV.2, IV.3, IV.4,
Etap II – klasy VII-VIII: I.1, I.2.a, I.4, II.1, II.2, II.5, III.3, IV.1.

Pojęcia kluczowe

• projekt
• dioda
• wyświetlacz RGB 8×8
• czujnik natężenia światła
• sterownik Arduino / płytka
• adapter LOFI Brain
• funkcje (setup, loop, write, delay, read, buzzer, distance, servo, display.begin, display.show, displayClear, displayNumber, rectangle. color, rainbowColor)
• zmienna

Metody pracy

• Wykład problemowy,
• Dyskusja dydaktyczna związana z wykładem,
• Pokaz,
• Projekt.

Materiały pomocnicze

• Zestaw LOFI Robot CODEBOX Starter z rozszerzeniem CODEBOX Tv,
• Wyświetlacz LED 8×8 pikseli RGB,
• Komputery stacjonarne lub przenośne z zainstalowanym Arduino IDE,
• Komputer nauczyciela z zainstalowanym Arduino IDE, projektor, tablica projekcyjna.

ZWIŃ ▲

Czas na realizację zajęć:

2-3 godziny lekcyjne (2×45 minut lub 3×45 minut)

Przebieg zajęć

1. Wprowadzenie w tematykę i integracja grupy:

Czas na realizację tej części: ok 5 minut.

Zadajemy uczniom pytanie: Czego nauczyliśmy się na ostatniej lekcji?
• dowiedzieliśmy się czym jest serwomotor i do czego może być wykorzystany,
• nauczyliśmy się sterować serwomotorem.

Dziś skonstruujecie urządzenie elektroniczne na bazie Arduino, serwomotoru i czujnika natężenia światła oraz napiszecie program – grę na to urządzenie.

2. Część zasadnicza:

Czas na realizację tej części: ok 80 minut.

Do realizacji projektu potrzebować będziemy:
• LOFI Brain,
• wyświetlacz LED 8×8 pikseli RGB,
• serwomotor,
• diodę,
• czujnik światła,
• kabel USB,
• elementy konstrukcyjne z zestawu LOFI Robot CODEBOX,
• wskaźnik laserowy (najczęściej spotykany w formie wskaźnika do prezentacji lub zabawki dla kotów), który nie wchodzi w skład zestawu CODEBOX.

Część 1 Projektowa

Konstrukcja robota
(czas potrzebny na wykonanie tej części to około 30 minut)

Instrukcja dostępna na stronie:
http://www.lofirobot.com/codebox/strzelnica-instrukcja-montazu/

Część 2 Projektowa.

Programowanie

(czas potrzebny na wykonanie tej części to około 40 minut)

Opis działania programu:

Strzelnica to bardzo prosta ale jednocześnie dająca dużo zabawy gra. Polega na trafianiu w cel przy pomocy wskaźnika laserowego. Po trafieniu wskaźnikiem w czujnik natężenia światła, ramię robota dzięki silnikowi serwo obróci się do innej, losowo wybranej pozycji oraz zasygnalizuje trafienie poprzez zapalenie diody i włączenie buzzera. Jednocześnie na wyświetlaczu RGB 8×8 wyświetlany będzie wynik.

W Arduino IDE wczytaj pusty szablon: Plik > Przykłady > LOFI > lofi_pusty_szablon.

Zanim przystąpisz do pisania kodu zapisz plik jako “lofi_gra_strzelnica”.

Do naszej gry będziemy potrzebowali 3 zmiennych: pozycja, punkty i światło. Zmienne musimy zadeklarować na samym początku programu, zaraz po deklaracji importowania biblioteki LOFI:

• ramię robota na początku programu powinno być na środku, dla tego zmiennej “pozycja” przy deklaracji na początku programu przypisujemy wartość 50:

int pozycja = 50;

• w każdej grze, w której zdobywamy punkty, powinniśmy pamiętać, aby zmiennej “punkty” na początku po uruchomieniu programu przypisać wartość 0:

int punkty = 0;

• potrzebna też będzie zmienna, w której będzie przechowy odczyt z czujnika natężenia światła, nie musimy jej przypisywać żadnej wartości początkowej:

int swiatlo;

Do funkcji void setup() należy dodać następujące linijki kodu:

• funkcję inicjującą otwarcie portu szeregowego i ustawienie prędkości na 9600 bps

Serial.begin(9600)

• dwie funkcje odpowiedzialne za inicjalizowanie wyświetlacza LOFI RGB 8×8:

robot.displayBegin()
robot.displayShow()

• funkcję, która jeden raz po uruchomieniu programu ustawi serwomotor w konkretnej pozycji:

robot.servo(OUTPUT1, pozycja)

Uwzględniając powyższe założenia szkielet programu powinien wyglądać następująco:

#include <LOFI.h>
LOFI robot;

int pozycja = 50;
int punkty = 0;
int swiatlo;

void setup() {
robot.displayBegin();
robot.displayShow();
robot.servo(OUTPUT1, pozycja);
}

void loop() {
}

Teraz zastanówmy się nad działaniem programu. Podstawowym założeniem jest celowanie wskaźnikiem laserowym w czujnik natężenia światła przykręcony do ramienia serwomotoru. W głównej pętli programu – w pętli loop() musimy więc w pierwszej kolejności odczytać wartość z tego czujnika. Jakiej funkcji do tego użyjemy? Znanej nam read(wejście);

void loop() {
swiatlo = robot.read(INPUT1);
}

W tym momencie program odczytuje już wartość z czujnika natężenia światła podpiętego do INPUT1 i podstawia ją na bieżąco jako zmienną swiatlo.

Możemy podejrzeć, jakie wartości z czujnika uzyskujemy. Do tego celu użyjemy funkcji Serial.println(zmienna) inicjującej wyświetlanie danych odbieranych z płytki Arduino, w oknie monitora portu szeregowego:

void loop() {
swiatlo = robot.read(INPUT1);
Serial.println(swiatlo);
}

Wgrywamy tak przygotowany program na Arduino i włączamy w Arduino IDE szeregowy monitor. (Upewnij się, czy w oknie monitora włączona jest funkcja Autoscroll oraz wybrana jest szybkość 9600).

Jakie wyniki otrzymujemy? Czy wyniki przekraczają wartość 50? Prawdopodobnie nie.

A teraz spróbujcie zaświecić wskaźnikiem laserowym na czujnik. I jakie wyniki otrzymujemy w szeregowym monitorze? Powyżej 50? 75?

Możemy więc przyjąć, że jeśli wartość będzie mniejsza niż 50, to uznajemy że nie trafiono laserem w czujnik. I program nic nie musi wykonywać.

Instrukcja warunkowa: gdy wartość zmiennej swiatlo będzie wyższa od 50 (czyli gdy trafimy strumieniem światła w czujnik), to:

1. ramię serwomotoru powinno obrócić się do nowej, losowej pozycji,

Trzeba skorzystać z funkcji random(od,do) która zwraca wartość losową z żądanego zakresu i przypisać ją do zmiennej pozycja.

Następnie trzeba tą zmienną wykorzystać w funkcji servo(wyjście, wartość); jako wartość.

2. dioda OUTPUT4 powinna się zaświeć,

Do tego celu skorzystamy z funkcji write(wyjście, wartość); jako wartość wpisując 100, co oznacza pełną moc świecenia diody.

3. liczba punktów powinna się zwiększyć o 1,

Zmiennej punkty należy przypisać wartość sumy jej samej i liczby 1.

4. na wyświetlaczu powinna zostać wyświetlona liczba punktów,

Chcąc wyświetlić aktualny wynik, najpierw trzeba wymazać poprzedni za pomocą funkcji displayClear(), a następnie wysłać na wyświetlacz informację o aktualnym wyniku (wartość zmiennej punkty) za pomocą funkcji displayNumber(liczba); oraz wydać polecenie do pokazania danych na wyświetlaczu za pomocą funkcji display.show()

5. powinniśmy dać programowi chwilę oczekiwania, aby serwomotor zdążył zmienić pozycję,

Tu skorzystamy ze znanej nam funkcji delay(czas w milisekundach) dając np 1000 milisekund przerwy.

6. dioda powinna zgasnąć.

Jeśli dioda ma zgasnąć, to nie zapomnijmy o funkcji write(wyjście, wartość) jako wartość wpisując 0, co oznacza wyłączenie diody.

Po pierwsze musimy jednak dać instrukcję warunkową if(), w której zamieścimy wyżej opisane 6 czynności:

if (swiatlo > 50) { //warunek sprawdzający kiedy zmienna swiatlo będzie większa od 50, czyli kiedy gracz wycelował strumieniem lasera w czujnik
pozycja = random(0,100); //Ad. 1
robot.servo(OUTPUT1, pozycja); //Ad. 1
robot.write(OUTPUT4,100); //Ad. 2
punkty = punkty + 1; //Ad. 3
robot.displayClear(); //Ad. 4
robot.displayNumber(punkty); //Ad. 4
robot.displayShow(); //Ad. 4
delay(1000); //Ad. 5
robot.write(OUTPUT4,0); //Ad. 6
}

Po napisaniu całego programu weryfikujemy go, zapisujemy i wgrywamy na płytkę Arduino. Bawiąc się sprawdzamy czy działa. W razie potrzeby dokonujemy poprawek i ponownie wgrywamy.

Przykładowy kod gotowej gry (bez komentarzy):

#include <LOFI.h>
LOFI robot;

int pozycja = 50;
int punkty = 0;
int swiatlo;

void setup() {
Serial.begin(9600);
robot.displayBegin();
robot.servo(OUTPUT1, pozycja);
}


void loop() {
  swiatlo = robot.read(INPUT1);
  Serial.println(swiatlo);

  if (swiatlo > 50) {
  pozycja = random(0,100);
  robot.servo(OUTPUT1, pozycja);
  robot.write(OUTPUT4,100);
  punkty = punkty + 1;
  robot.displayClear();
  robot.displayNumber(punkty);
  robot.displayShow();
  delay(1000);
  robot.write(OUTPUT4,0);
  }
}

Jeśli zostanie czas możemy z uczniami zastanowić się nad tym jak rozbudować projekt? Można dodać przycisk, który będzie resetował wynik itp. Powodzenia!

3. Podsumowanie i ewaluacja:

Czas na realizację tej części: ok. 5 minut.

Prosimy aby uczniowie ostrożnie spakowali zestawy. Jeden przedstawiciel każdej grupy przynosi zestaw na wyznaczone przez nauczyciela miejsce w klasie.

Zadajemy uczniom pytania: Co najbardziej podobało się Wam w czasie dzisiejszej lekcji? Na jakie problemy napotkaliście podczas realizacji projektu? Co było najtrudniejsze? Z czym nie było problemów?

Na zakończenie mówimy uczniom, że podczas kolejnej lekcji zajmiemy się projektem innej gry. Stworzymy grę wyścigi. Będzie sprawdzała szybkość i refleks. Będzie to gra dla dwóch zawodników.

O autorze scenariusza:

Grzegorz Zawistowski

Grzegorz Zawistowski

Nauczyciel informatyki w szkole podstawowej. Miłośnik komputerów, nowinek technicznych i robotyki. Szkoleniowiec i trener m.in, w #Superkoderach i Mistrzach Kodowania.