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TUTORIAL- SENSORE A ULTRASUONI PER IL KIT LEGO SPIKE

Il sensore ad ultrasuoni costituisce un elemento di fondamentale importanza nella robotica educativa, in quanto permette agli studenti di realizzare robot in grado di esplorare l'ambiente circostante e di interagire con esso, superando gli eventuali ostacoli e individuando gli oggetti presenti in spazi tridimensionali.

Andrei Calapod   by Andrei Calapod
Lego® Spike Prime

Tempo di lettura tutorialTempo di lettura/visione: 10 min

Il sensore ad ultrasuoni costituisce un elemento di fondamentale importanza nella robotica educativa, in quanto permette agli studenti di realizzare robot in grado di esplorare l'ambiente circostante e di interagire con esso, superando gli eventuali ostacoli e individuando gli oggetti presenti in spazi tridimensionali.

In questo tutorial, tratteremo in modo dettagliato l'utilizzo del sensore ad ultrasuoni, contenuto nel kit LEGO Spike. Nello specifico, saranno fornite indicazioni sulle seguenti fasi: 
  •  Caratteristiche del sensore ad ultrasuoni 
  •  Installazione del sensore ad ultrasuoni 
  •  Programmazione del sensore ad ultrasuoni con esempi 
  •  Buone pratiche di utilizzo

Tecnologia:

Caratteristiche del sensore ad ultrasuoni:


Il sensore ad ultrasuoni è un dispositivo che sfrutta gli ultrasuoni per rilevare la presenza di oggetti nell'ambiente circostante. Gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza ( vanno al di là della capacità uditiva dell'orecchio umano) che vengono emesse dal sensore e rimbalzano sugli oggetti, permettendone la rilevazione.

Il sensore a ultrasuoni, noto anche come sensore di distanza è utilizzato nella robotica per permettere ai robot di "vedere" l'ambiente circostante e di evitare ostacoli. Questo è particolarmente utile in situazioni in cui il robot deve navigare in spazi ristretti o in ambienti sconosciuti.

Ma gli inventori di questa tecnologia hanno preso spunto in primis dalla natura! Alcuni animali ad esempio (fig. 1) utilizzano gli ultrasuoni per muoversi, cacciare, comunicare:

Pipistrelli: utilizzano queste onde per la caccia e la navigazione. I loro ultrasuoni sono così precisi che possono individuare gli insetti in volo e evitarli. 
Cetacei: (balene, delfini, etc.): utilizzano gli ultrasuoni per comunicare tra loro e per localizzare il cibo e gli oggetti nell'acqua.
Cani: possono udire ultrasuoni a frequenze superiori a quelle udite dall'orecchio umano e possono utilizzarli per comunicare tra loro.
Gatti: sono in grado di percepire gli ultrasuoni e utilizzarli per cacciare.


Il sensore di distanza offre una portata massima di 200 cm e una precisione di +/- 1 cm, garantendo misurazioni piuttosto accurate. Attraverso l'utilizzo di onde sonore e l'elaborazione di dati, il sensore è in grado di fornire una misura numerica della distanza da un oggetto che si trova di fronte ad esso.

Il sensore utilizza la tecnologia Time of Flight per determinare la distanza di oggetti situati di fronte ad esso ed è in grado di emettere impulsi ad alta frequenza, che vengono riflessi dall'oggetto e tornano al sensore. La distanza viene calcolata misurando il tempo trascorso tra l'invio dell'impulso e il suo ritorno. Il sensore ad ultrasuoni fornisce un valore numerico della distanza in modalità di misura. L'unità di misura della distanza può essere selezionata tra:

Pollici: il range di misurazione sarà compreso tra 2 e 79 pollici, con una precisione di +/- 0,394 pollici.
Centimetri: il sensore restituisce una misurazione compresa tra 4 e 200 centimetri, con una precisione di +/- 1 centimetro.
Percentuale: il sensore fornisce una lettura compresa tra 0% e 100%.

 

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Installazione del sensore ad ultrasuoni:

L’installazione è immediata e semplice: per poter funzionare basta connetterlo, attraverso il cavo bianco di connessione presente sul sensore, al mattoncino SPIKE utilizzando le porte di ingresso (A, B, C, D, E o F). (fig. 2)

 

Durante la fase di programmazione, se si collega il mattoncino SPIKE al computer, il software è in grado di rilevare automaticamente la porta a cui è connesso il sensore ad ultrasuoni.
Per verificare che l'installazione sia stata eseguita correttamente, è possibile visualizzare in diretta il valore che sta leggendo il sensore.
Il valore della distanza misurata dal sensore ad ultrasuoni si trova nell'angolo superiore sinistro dell'interfaccia, vicino all'icona del sensore. 

Cliccando sul mattoncino accanto, si può accedere alla pagina hardware (fig. 3)che offre una panoramica dei componenti collegati al mattoncino e consente di selezionare l'unità di misura per il sensore ad ultrasuoni.

Programmazione del sensore ad ultrasuoni:

Il sensore ad ultrasuoni può essere utilizzato esclusivamente in modalità di misura, tuttavia, può essere programmato con differenti linguaggi di programmazione. In particolare, si può utilizzare il linguaggio di programmazione a blocchi icone o quello a blocchi parole.

Di seguito, sono presentati alcuni esempi di codice ed esperimenti che illustrano le diverse possibilità di utilizzo del sensore ad ultrasuoni, al fine di fornire una conoscenza completa ed approfondita delle sue potenzialità.

In questo tutorial utilizzeremo il linguaggio di programmazione blocchi di parole

  • Esempio 1: Arrestarsi ad una certa distanza prima di un ostacolo
Questo programma (vedi figura 4) consente al robot di muoversi in avanti finché il sensore ad ultrasuoni, rivolto in avanti, non rileva un oggetto a meno di 8 centimetri. In seguito, il robot si arresta e il pulsante centrale cambia colore in rosso, mentre viene riprodotto il suono "robot 1".

Il programma utilizza due blocchi della categoria Eventi il primo “Quando distanza minore di" per attendere che la distanza rilevata diventi inferiore a 8 centimetri e arrestare il movimento del robot.
il secondo evento chiamato “all’avvio del programma” per  impostare i motori di movimento sulle porte A+B è dare il movimento lineare a una velocità dei motori del 50%.


  • Esempio 2: Movimento lineare con evita ostacoli:
Questo programma (vedi figura 5) permette al robot di muoversi in avanti e, grazie al sensore ad ultrasuoni, è in grado di individuare gli ostacoli presenti a meno di 15 centimetri di distanza. Nel caso in cui il sensore rilevi un oggetto a distanza ravvicinata, il robot gira leggermente a destra per evitare l'ostacolo, quindi riprende il movimento in avanti.

Il programma impiega il blocco "Sensore - è distanza minore di 15 cm?", disponibile nella categoria Sensori, per rilevare la presenza di oggetti nelle vicinanze. In caso di esito positivo, il robot esegue un'azione di evasione. Per ottenere questo comportamento, il programma fa uso del blocco "Ripeti per sempre", che consente di ripetere l'azione del robot in modo continuo. Inoltre, il blocco "Se allora altrimenti" viene utilizzato per definire le azioni da compiere a seconda della distanza rilevata. Se la distanza è inferiore a 15 centimetri, il robot compie una svolta verso destra, altrimenti continua dritto.


Questo tipo di struttura viene definita “esecuzione condizionale di istruzioni”: come potete vedere in base alla verifica di una condizione, che può essere vera oppure falsa (distanza misurata dal sensore minore di 15 cm), l’algoritmo esegue istruzioni differenti.

Questo tipo di struttura (fig. 6) può essere schematizzata molto bene anche con un diagramma di flusso, ad esempio con una soluzione di questo tipo:


  • Esempio 3: Utilizzare il valore numerico del sensore ad ultrasuoni per controllare la potenza di un motore.
Questo programma consente di utilizzare il valore numerico letto dal sensore ad ultrasuoni per controllare una parte del robot, ad esempio un motore, in base alla distanza rilevata dal sensore. In questo modo, il robot può regolare la sua velocità o direzione in base alla presenza di eventuali ostacoli.

Il programma (fig. 7) utilizza il blocco ovale blu "distanza in %", disponibile nella categoria Sensori, per raccogliere i dati forniti dal sensore ad ultrasuoni. Inoltre, si utilizza il blocco "imposta velocità sul" disponibile nella categoria Motori per regolare la velocità del motore e il blocco “Avvia motore”, reperibile nella categoria Motori per dare potenza ai motori. Infine, per ripetere l'azione del robot in modo continuo, si impiega il blocco “Ripeti per sempre”.

Buone pratiche da seguire quando si utilizza il sensore ad ultrasuoni:

  1. Posizionamento del sensore: il sensore ad ultrasuoni dovrebbe essere posizionato in modo tale da avere una vista chiara dell'ambiente circostante senza ostacoli o interferenze.
  2. Angolo di rilevamento: il sensore ad ultrasuoni ha un angolo di rilevamento di circa 60 gradi, quindi assicurarsi di posizionarlo in modo che possa coprire l'intera area di interesse.
  3. Distanza minima di rilevamento: il sensore ad ultrasuoni non può rilevare oggetti che si trovano a meno di 3 cm di distanza, quindi assicurarsi di non posizionare il sensore troppo vicino ad altri oggetti.
  4. Condizioni ambientali: il sensore ad ultrasuoni potrebbe non funzionare correttamente in ambienti molto rumorosi, come in presenza di forte vento o su superfici molto riflettenti.
  5. Risoluzione: il sensore ad ultrasuoni ha una risoluzione limitata e potrebbe non essere in grado di rilevare oggetti molto piccoli o con superfici irregolari.

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