南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 玩转人工智能之虚拟与现实 ——诚诚、真真走进虚拟世界 模块一：诚诚带你花式玩灯 第 1 课 搭建一盏灯····································1 第 2 课 点亮一盏灯····································6 第 3 课 灯如流水······································9 第 4 课 交通灯·······································13 第 5 课 求救灯·······································17 第 6 课 聪明灯·······································21 第 7 课 随机灯·······································25 第 8 课 定时灯·······································29 模块二：真真带你学驾驶 第 1 课 直线移动·····································33 第 2 课 转向技巧·····································37 第 3 课 遇线即停·····································42 第 4 课 测量距离·····································46 第 5 课 碰撞避障·····································50 第 6 课 超声避障·····································55 第 7 课 多档变速·····································59 第 8 课 沿线行走·····································64

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 在 21 世纪的今天，越来越多的机器人应用 于生活中的方方面面，比如快递机器人、扫地 机器人、无人车等。为了减少机器人的开发成 本，科学家们开发出虚拟仿真系统，通过计算 机对实际的机器人进行模拟。通过系统仿真， 可以在制造单机与生产线之前模拟出实物，缩 短生产工期，可以避免不必要的返工。 模块学习 彩灯： 彩灯是发光部件，通过编程可以控制彩灯显示 红、绿、蓝、青、黄、紫、白多种颜色灯光。 1

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 彩灯模块内部有三个单色灯泡，分别是红色（R）、绿 色（G）和蓝色（B）。内部灯泡的亮灭组合就可以混合成 7 种不同的颜色的灯光。 搭建与编程 1.准备工作： 第一步，运行软件。打开 RoboSim 文件夹，双击 RoBoSim 图标打开软件首页， 登录账号，进入软件主页。 第二步，选择场地。进入主页点击选择最近的比赛或练习场地，进入虚拟场地。 2

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 2.虚拟环境： 进入虚拟场地后，点击右上角选择基础车体图标，可选择自由搭建以及选择车 体。选择后即可进行搭建、编程等操作。 搭建机 传感器数 开始 据面板 返回 编写写程 调试试程序 首页页 程序序 场地地 3.积木零件： 格梁：条状，多用于受力支撑的零件。上 面有孔位，多少孔代表多少格，如图，读作： 7 格梁。 销：用于连接不同部分器材的零件，分 实销跟虚销。 3

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 4.搭建仿真： 工作区 菜单栏 零件 点击虚拟环境中的按钮，进入搭建环境。 点击传感器，鼠标左键选择控制器 鼠标左键点击选择销（红色方 （红色方框），在搭建环境中放置控制 框），将销搭建到图示孔位。 器。 选择 13 格梁（红色方框），利 选择彩灯模块（红色方框），利用 用销将梁与控制器连接。 。销将彩灯模块搭建到图示孔位 4

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 鼠标移至彩灯模块，点击右键，右下角处 可设置模块连接 1-8 端口。点击 按钮，返回虚拟环境。 课后与思考 诚诚说： 今天我们认识虚拟机器人和学习平台的基础操作，接下来我们一 起尝试自由搭建模型，做出专属于我们自己的的虚拟机器人吧！ 5

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 灯在人类的历史上出现的时间非常的长， 出现过煤油灯或者煤气灯。因使用煤油或煤气 等作为燃料，容易产生有毒气体，并且容易因 操作不当而引发火灾。直到美国发明家爱迪生 发明了电灯，才使人们用上了安全的、经久耐 用的灯具。 6

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.准备工作： 第一步，点击虚拟环境中的 按钮，进入编程界面。 第二步，点击模块区，鼠标左键将编程指令拖入编程区中，进行编程。编程完 毕后，点击 按钮，即可加载程序到模型中,并返回场地。 2.编程思路： 当程序开始时，控制器会控制彩灯模块亮灯。 7

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 3.程序编写： 程序开始，进入 “设置彩灯”模块， 设置彩灯模块端口为 P1，亮红色。 4.程序演示： 编辑完成后，返回场地。点击 按钮，开始运行程序。 8

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 坐落在广州市的广州塔，每天晚上都会闪 烁着闪耀的灯光，变换着多种多样的灯光效果。 其中一种灯光效果，叫做流水灯。流水灯是一 种能够依据程序设定，控制多个 RGB 灯依次亮 灭的灯光效果。 9

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 积木零件： 轴：配合轮件使用用于传动的零件。以格 梁为尺子，量出多少孔数，就是多少格轴。 双角梁：根据两端平直部分孔数，读作 m*n 双角梁。如图读作 3*7 双角梁。 1.设计组装： 四个彩灯模块分别连 接 P1、P2、P3、P4 端 口。 10

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 2.编程思路： 在程序设计中，最简单的程序结构是顺序结 构。只需按照解决问题的顺序写出相应的语句即 可构成顺序结构。其执行顺序是从上到下，依次 执行。当所有的程序指令执行完毕，程序结束。 在程序设计中，最简单的程序结构是顺序结 构。只需按照解决问题的顺序写出相应的语句即 可构成顺序结构。其执行顺序是从上到下，依次 执行。当所有的程序指令执行完毕，程序结束。 3.程序编辑： 程序开始，进入 “设置彩灯”模块，设 置彩灯模块端口为 P1，亮红色。 等待一秒后，P1 灯关闭，P2 灯亮红色； 等待一秒后，P2 灯关闭，P3 灯亮红色； 等待一秒后，P3 灯关闭，P4 灯亮红色； 等待一秒后，P4 灯关闭，程序结束。 11

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 4.程序演示： 12

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。那 时的交通灯只有红、绿两色，经改良后，再增加一 盏黄色的灯，红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯 则表示通行。中国最早的马路红绿灯，是于 1928 年 出现在上海的英租界。 13

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.设计组装： 选择三个彩灯模块 分别连接 P1、P2、P3 端口。 2.编程思路： 循环结构是一种在程序中需要多次运行某个功能而设置的程序结 构。当程序进入循环结构时，循环结构内的模块将按照顺序执行，执行 完后程序将重头执行，继续按照顺序执行。如下图所示。注意，循环结 构所编写的程序将会一直运行，不会停止。 14

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.当程序开始时，进入循环结构，执行循 环结构内的指令。 2.三个彩灯模块依次亮灭红黄绿色灯光。 3.重复循环步骤 2 中的模块。 3.程序编辑： 15

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 程序开始，进入 “设置彩灯”模块， 设置彩灯模块端口为 P1，亮红色。 等待 6 秒后，P1 灯关闭，P2 灯亮黄色； 等待 3 秒后，P2 灯关闭，P3 灯亮绿色； 等待 10 秒后，P3 灯关闭。 等待 1 秒后，重复循环程序。 4.程序演示： 16

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 S.O.S 是国际摩尔斯电码救难信号,于 1908 年 由国际无线电报公约组织确定。主要用于海难事件 求救。灯光信号发射方法为三短-三长-三短。由于 便于理解和使用，得到了国际社会的推广，并沿用 至今。 模块 模块说明 应用举例 让半包围框里面的程序重复执行一 定次数，次数可更改。 17

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.设计组装： 彩灯模块连接 P1 端口。 2.编程思路： 1.当程序开始时，有限次数的执行循环结构内 的指令。 2.彩灯模块按照三短-三长-三短的规律闪烁。 3.结束程序。 18

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 3.程序编辑： 程序开始时，先重复执行 3 次彩灯快闪； 然后重复执行 3 次彩灯慢闪。 最后重复执行 3 次彩灯快闪。 4.程序演示： 19

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南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 市面上出现了许多非常智能的灯具，有的能 够播报时间，有的能够自动调节灯光亮度等。这 些灯具的功能看似复杂，但其运行机制却非常简 单，都是通过条件判断的方式，去实现不同的功 能。 模块 模块说明 应用举例 比较两边的数值大小。如果符合比较 的关系，则条件成立。 21

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 比较两边的数值大小。如果符合比较 的关系，则条件成立。 可用于判断传感器读取数值是否为 某一固定数值。 条件语句。如果（）内条件成立，则 执行半包围框内程序。 1.设计组装： 22

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 彩 灯 模 块 连 接 P1 端 口。 2.编程思路： 顺序结构的程序虽然能解决计算、输出等问 题，但不能做判断再选择。选择结构就是一种先 做判断再进行选择的程序结构。选择结构的执行 是依据一定的条件选择所要执行的程序，而不会 严格按照顺序依次执行程序。 1.当程序开始时，开始判定条件是否成立。 2.如果条件成立，那么红灯亮。 3.不成立，那么不亮灯。 23

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 3.程序编辑： 程序开始时，判定 30>20 是否成立； 如果成立那么亮红灯。 4.程序演示： 24

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 随机事件在生活中并不少见，最典型的有抽 奖转盘、抛硬币等。当我们转动转盘、抛硬币的 时候，永远不知道会转到哪一块、抛到哪一面。 由于随机事件的不确定性，因此被广泛应用于统 计学、密码学以及编程语言中。 模块 模块说明 应用举例 在数值范围内随机选择一个数字（不 包括右边输入框里面数值），数值范 围可以修改。 25

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.设计组装： 2.编程思路： 选择彩灯模块连接 P1 端口。 26

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.当程序开始时，进入重复执行模块。 2.执行绿灯闪烁的指令。 3.如果随机数>8,那么红灯亮；一秒过后，继续 重复执行整体程序。 3.程序编辑： 程序开始时，彩灯模块先闪烁绿灯； 如 果 在 8-10 随 机 数 的 范 围 内 数 值>8，那么彩灯模块亮红灯，等待 1 秒。1 秒后，重复执行程序。 4.程序演示： 27

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南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 定时灯是基于钟表技术而形成的。近代以 来，随着电子技术的不断发展，定时灯的应用范 围越来越广泛。在道路交通，楼道照明、还用于 舞台装饰、广告宣传、节日花灯等方面，定时灯 都发挥了重大作用。 模块 模块说明 应用举例 读取控制器内置系统时间的数值，单位为 毫秒。1000 毫秒=1 秒。控制器在程序开始 运行时就会自动从零开始计时。 29

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 将控制器内置系统时间的数值设 置为 0。 1.设计组装： 选择彩灯模块连接 P1 端口。 30

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 2.编程思路： 1.当程序开始时，开始判定条件是否成立。 2.如果控制器时间>5 秒的条件成立，那么红灯 闪烁一次，控制器时间归零，重复执行程序。 3.如果条件不成立，那么不亮灯。 3.程序编辑： 程序开始时，进入重复执行模块。 4.程序演示： 当控制器时间大于 5000 毫秒（即 5 秒）时， 那么彩灯模块亮红色；一秒后关闭彩灯，控制 器时间归零。然后重复执行程序。 31

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南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 轮式移动机器人主要通过轮子滚动来实现移动， 适用于较为平坦的路面。 随着智能移动机器人技术的快速发展,轮式移动 机器人在科考、排险、救援、作战、智能交通等领域 的应用需求日益增长,已经在各种场合辅助或替代人 类以完成特定的任务。 模块 模块说明 应用举例 设置对应接口的马达转速。转速设置范围： 0~100，数值越大，转速越快。转速设为负 数则让马达反向转动。 33

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 马达： 输出端 马达是一种电动部件，可以为机械装置提供动 力，也就是可以用作机器人的动力来源。启动时输 出端会顺时针或逆时针旋转。 1.设计搭建： 选择软件内置机器人模型，可以 增加积木件，自主设计外观，然后通 右马达 M2 过编程控制机器人前进和后退。 2.编程思路： 机器人的左马达和右马达默认分 别连接在控制器的 M1 和 M2 端口。 左马达 M1 程序开始，机器人先前进 1 秒，接着 后退 1 秒，如此循环。 34

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 3.程序编辑： 程序开始，马达 M1 和 M2 都 机器人以速度 50 前进，等待 1 以速度 50 正转，机器人前进。 秒后，马达 M1 和 M2 以速度 50 反转，机器人后退。 增加“等待 1 秒”和“重复执行”模 块，让机器人不断地重复前进和后退 各 1 秒。 4.程序演示： 35

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南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 假设汽车不会转向，会发生什么事情？ 转弯这一功能对于汽车来说非常重要，如果汽车 不会转向，就不能变换方向，灵活地在道路上行驶。 不仅是汽车，机器人也要学会转向，才能更好地 服务我们。 模块 模块说明 应用举例 使对应接口的马达以设定转速转动。转速 度设置范围：0~100，数值越大，转速越快。 转速设为负数则让马达反向转动。 37

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 3.程序编辑： 两轮差速转向原理： 当小车的左右两个轮子以相同的速度前进 （后退），小车就会直走（倒退）； 左右两个轮子以不同的速度前进，小车就会 向慢一点的那一边慢慢转向。 一个轮子向前转， 另一个轮子向后转，那 么小车就会以自己为圆心，可以原地 360 度的转 过来。 多种转向： 原 单 弧 地 轮 线 转 转 转 向 向 向 38

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.设计搭建： 选择软件内置小车模型，可以增 加积木件，自主设计外观，然后通过 编程控制小车做出不同的转向动作。 2.编程思路： 小车的左马达和右马达默认分别 右马达 M2 连接到 M1 和 M2 端口。 左马达 M1 2.编程思路： 程序开始，小车原地转向 2 秒，然后单轮转向 2 秒，最后弧线转向 2 秒后停止。 3.程序编辑： 马达 M1 和 M2 转动方向相反，速度值一样。 39

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 马达 M1 和 M2 的中一个马达不转，另外一个马达转动。 马达 M1 和 M2 转动方向一样，速度值不一样。 程序开始，小车执行“原地转向”，等待 2 秒后，执行 “单轮转向”，等待 2 秒后，执行“弧线转向”，等待 2 秒后，小车停止。 40

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 4.程序演示： 41

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 斑马线是在车道上标线指定需停车或减速让行的 地方人行横道。 当红灯亮或有人在斑马线上时，汽车应当即时停 车让行，以免撞上行人。 模块 模块说明 应用举例 读取对应接口上的光电传感器检测数值 （数字型）。如果检测到黑色则条件成立， 检测到白色则条件不成立。 42

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 如果六边形框里面的条件成立，就执行下 方的编程模块，条件不成立就会一直等待， 直到条件成立 发射端 光电传感器： 接收端 光电传感器是一个让机器人可以区分颜色 深浅的传感器。根据颜色的深浅，会返回 0-4095 的数值。 检测物体颜色越深（越接近黑色）数值就越 小；反之，检测物体颜色越浅（越接近白色）数 值就越大。 简单来说，它可以分辨黑色和白色。 前进 停止 43

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.设计搭建： 右马达 M2 光电传感器 选择软件内置小车模型，增加光电传感器和 积木件，然后通过编程实现小车行驶到黑线处就 自动停止。 小车的左马达和右马达默认分别连接在 M1 和 M2 端口，光电传感器连接在 P1 端口。 左马达 M1 2.编程思路： 程序开始，小车前进，如果光电传感器检测到黑 线就自动停止。 3.程序编辑： 1.程序开始，马达 M1 和 M2 以速度 50 正转，小车直行。 2.如果光电传感器的检测检测到黑线，就将马达 M1 和 M2 的速度设置为 0， 使小车停止。 44

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南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 手持测距仪是一种利用光学原理且具有小巧机 身，用于距离测量的仪器，相当于一把“空气尺子”。 它不需要接触物体就能测量出与物体之间的距离，还 能测量出角度，计算出面积等参数。 模块 模块说明 应用举例 读取超声波传感器的检测数值。根据距离 的大小，返回 0-50 的数值。 46

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 接收器 超声波传感器： 超声波传感器是一个用于距离测量的模块， 也相当于一把“空气尺子”。 根据与物体的距离大小，返回 0-50（cm）的 数值。 发射器 超声波传感器的工作原理是发射器向某一方向发射超声波，同时开始计时。 超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会反射回来，接收器接收到反射波就 立即停止计时，最后将声音传播速度（空气中为 340m/s）乘以来回时间的一半， 就可计算出距离。 前进 停止 墙壁 10cm 47

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 1.设计搭建： 选择软件内置小车模型，增加超声波传感器 和积木件，然后通过编程实现小车行驶直到与物 右马达 M2 体的距离小于设定数值时停止。 小车的左马达和右马达默认分别连接在 M1 和 M2 端口，超声波传感器连接在 P1 端口。 超声波传感器 左马达 M1 2.获取数值： 1.单击“显示窗口” 2.勾选“传感器” 3.拖动小车，查看数值 3.编程思路： 变化规律 程序开始，小车前进，如果小车 与物体的距离小于 10cm 就自动停止。 48

南京市金陵中学龙湖分校小学部创新教育系列教材 玩转人工智能之虚拟与现实 4.程序编辑： 1.程序开始，马达 M1 和 M2 以速度 50 正转，小车直行。 2.如果超声波传感器的检测数值小于 10，就将马达 M1 和 M2 的速度设置 为 0，使小车停止。 5.程序演示： 49