3.3. Гироскопиялық датчик

Информатика, 5 сынып. Оқулық: Қадырқұлов Р. А., Нұрмұханбетова Г. К. (Алматыкітап баспасы, 2023). 3 бөлім: Роботтехника. 70–74-беттер.

Нені үйренесің

• Гироскоп деген не екенін және EV3 гироскопиялық датчигі нені өлшейтінін түсіндіруді.
• Датчиктің көрсеткіштері қашан оң, қашан теріс болатынын түсінуді.
• Датчик блогының режимдерін ажыратуды: Измерение (Өлшеу), Сравнение (Салыстыру), Сброс (Қалпына келтіру).
• Роботты 90°-қа бұратын программа құрастыруды және оны басқа бұрышқа өзгертуді.

Ой қозғау

• Телефон экраны бүйіріне қойғанда неге өздігінен аударылады? Ішінде бұрылу мен көлбеуді сезетін датчиктер бар.
• Тік бұрышта неше градус бар? 90°. Толық айналымда — 360°.
• Роботты бұрын қалай бұруға болатын? Моторларды қажетті уақытқа немесе дөңгелектің қажетті айналым санына қосып, мәнді «көзбен» таңдау арқылы.
• Мұндай тәсіл неге дәл емес? Тайғақ еденде дөңгелектер тайып кетеді, батареялар отырады — сондықтан робот кейде көбірек, кейде азырақ бұрылады.

Тақырыпты талдаймыз

EV3 жиынтығының датчиктері

Lego Mindstorms EV3 жиынтығында бірнеше датчик бар. Оқулықтағы 1-суретте олар бесеу:

Гироскоп деген не

Гироскоп сөзі грек тілінен келген: gyros — шеңбер, skopein — қарау. «Айналуды бақылаушы» болып шығады. Бұл құрылғы өзі орнатылған дененің көлбеу немесе бұрылу бұрышы қалай өзгеретінін сезеді.

EV3 гироскопиялық датчигі өлшейді:

• роботтың айналу бұрышын — градуспен (°);
• айналу жылдамдығын — градус/секундпен (°/с). Ол байқайтын ең үлкен мән — секундына 440°.

Датчикті қалай орнатамыз

Датчик корпусының жоғарғы жағында екі бағыттауыш көрсеткі бар. Олар датчиктің бұрылысты қай жазықтықта өлшейтінін көрсетеді. Сондықтан:

1. Көрсеткілер робот бұрылатын жазықтықта жататындай етіп орнат.
2. Оны берік бекіт: датчик қалтырап тұрса, көрсеткіштер секіреді.
3. Өлшемес бұрын көрсеткіштерді нөлге келтіру керек — робот түзу тұрғанда 0 ету.

Плюс па, минус па?

• Сағат тілі бойынша бұрылыс — мәндер оң: 30, 90, 180.
• Сағат тіліне қарсы бұрылыс — мәндер теріс: −30, −90.

⚠️ Жиі кететін қате. Робот сағат тіліне қарсы бұрылғанда бұрыш «90-нан үлкен» болады деп күту. Бұрыш азая береді: −10, −50, −90… «90-нан үлкен» ешқашан болмайды, робот тоқтамай айнала береді. Мұндай бұрылыс үшін «−90-нан кем» деп салыстыр.

Гироскопиялық датчиктің блогы

EV3 программасындағы датчик блогында төрт бөлік бар (3-сурет):

1. Порт — датчик жалғанған EV3 блогындағы ұяның нөмірі (суретте — 2-порт).
2. Жұмыс режимі — датчиктің не істейтіні.
3. Енгізу деректері — өзің беретін сандар.
4. Шығару — блок әрі қарай беретін нәтиже.

Режимдер:

• Измерение (Өлшеу) — Угол (Бұрыш): нөлге келтіргеннен бері робот неше градусқа бұрылғанын көрсетеді.
• Измерение (Өлшеу) — Скорость (Жылдамдық): робот қаншалықты тез айналатынын °/с-пен көрсетеді.
• Сравнение (Салыстыру) — Угол (Бұрыш) және Сравнение (Салыстыру) — Скорость (Жылдамдық): мәнді берілген шекпен салыстырып, «Ақиқат» немесе «Жалған» деп жауап береді.
• Сброс (Қалпына келтіру): ағымдағы бұрышты 0-ге теңейді.

📕 Оқулықта гироскоп «робот дөңгелегінің айналу жылдамдығын» өлшейді деп жазылған. Шын мәнінде ол дөңгелектің емес, бүкіл роботтың қаншалықты тез бұрылатынын өлшейді.

«Салыстыру» режиміндегі сандар

Салыстыру түрін санмен береді:

Тағы бір енгізу — шекті мән (шек). «2, 90» жазбасы былай оқылады: «бұрыш 90-нан артық па?». Блоктың жауабы — логикалық мән: Ақиқат немесе Жалған.

Гироскоптар тағы қайда бар

Гироскоптар ұшақтарға, тікұшақтарға және радиобасқарылатын модельдерге бағытын ұстауға көмектеседі. Олар навигацияда, автокөліктерде (апат болғанын қауіпсіздік жүйесіне түсінуге және жастықшаларды ашуға көмектеседі), әскери роботтарда және сүңгуір қайықтарда жұмыс істейді. Әрине, сенің телефоныңда және ойын контроллерлерінде де бар.

💡 Үйде EV3 роботы болмаса, ұқсас программаны тегін онлайн-орта Open Roberta Lab-та құрастыруға болады: онда виртуалды робот бар.

Түсінгеніңді тексер

Өзіңді тексер

• «Гироскоп» сөзі нені білдіреді? «Шеңбер» + «қарау»: бұрылысты бақылайтын құрылғы.
• Датчик бұрыш пен жылдамдықты қандай бірліктермен өлшейді? Бұрышты — градуспен, жылдамдықты — градус/секундпен.
• EV3 датчигі байқайтын ең үлкен айналу жылдамдығы қандай? Секундына 440°.
• Датчикті не үшін нөлге келтіреміз? Бұрыш бұрынғы күйден емес, қажетті орыннан есептелуі үшін.
• Салыстыру режимінде блок не береді? Логикалық мәнді: Ақиқат немесе Жалған.

Жаттығуларды шығарамыз

№ 1

(оқулықта нөмірсіз тапсырма: «Ойлан», 1-сұрақ) Lego Mindstorms EV3 жиынтығындағы қандай датчиктер жұмысымен таныссың? (1-сурет)

Қалай ойлаймыз. Роботқа қандай датчиктерді жалғағаныңды және не үшін екенін еске түсір.

Жауабы: суретте: 1 — ультрадыбыстық, 2 — түс датчигі, 3 — гироскопиялық, 4 — жанасу датчигі, 5 — инфрақызыл. Өзің жұмыс істегендерін ата.

№ 2

(оқулықта нөмірсіз тапсырма: «Ойлан», 2-сұрақ) Роботты белгілі бір бұрышқа бұру үшін осы уақытқа дейін қандай әдістерді қолдандың?

Қалай ойлаймыз. Гироскопсыз робот өз бұрышын «білмейді». Демек, бұрылысты басқа нәрсемен береді.

Жауап үлгісі.

1. Уақыт бойынша: моторларды әр жаққа 1 секундқа қосып, уақытты байқап көріп таңдау.
2. Дөңгелектің айналым саны немесе градусы бойынша: дөңгелекті қажетті градусқа бұру. Оны тәжірибемен таңдайды немесе роботтың өлшемдері бойынша есептейді.

Екі тәсіл де дәл емес: тайғақ еденде дөңгелектер тайып кетеді, батарея әлсіз болса, моторлар баяу айналады. Гироскоп роботтың өзінің бұрылысын өлшейді, сондықтан дәлірек.

Жауабы: бұрын уақыт бойынша немесе дөңгелектің айналымы бойынша бұратын; гироскоп дәлірек бұрылыс береді.

№ 3

«Практикада қолдану». Роботты тұрған орнынан 90°-қа бұратын программа блоктарын құрастыр.

Қалай ойлаймыз. Робот: айнала бастауы → бұрыш 90°-тан артық болғанша күтуі → тоқтауы керек.

📕 Оқулықта «10 см/сек және −10 см/сек жылдамдық» деп жазылған, бірақ «Независимое управление моторами» блогында бұл сандар сантиметр/секунд емес, −100-ден 100-ге дейінгі мотор қуатын білдіреді.

💡 Бұрылыстың алдында гироскоп блогын Сброс (Қалпына келтіру) режимінде қойған пайдалы. Сонда робот бұрын қозғалған болса да, бұрыш нақты 0-ден басталады.

⚠️ Робот инерциямен 90°-тан сәл әрі асып кетеді. Мотордың мәні неғұрлым үлкен болса, «асып кету» соғұрлым көп. Сондықтан дәл бұрылыс үшін кішкентай мән алады, мысалы 10.

Жауабы: Басы → B+C моторлары (10 және −10) → Күту: гироскоп, Салыстыру — Бұрыш, 2-порт, «>», 90 → B+C моторларын өшіру.

№ 4

(«Талдау», жұппен жұмыс) «Роботты 90°-қа бұру программасындағы» блоктардың қызметіне талдау жасаңдар. Блоктардағы сандық параметрлерге ерекше назар аударыңдар. Бұл сандық параметрлерді өзгерту арқылы қандай өзгерістер жасауға болады? Ойланыңдар!

Қалай ойлаймыз. Бір-бірден санды өзгертіп, робот не істейтінін елестет.

Шешуі.

Жауабы: шек бұрышты береді, мотор сандары бұрылыстың жылдамдығы мен бағытын, салыстыру түрі қашан тоқтау керегін, порт деректі қайдан алуды анықтайды.

№ 5

(«Жинақтау», топпен жұмыс) Роботты 90°-қа бұру программасын пайдаланып, роботты 360°-қа бұр. Бір орнында тұрып толық бір айналым, екі айналым жасау программасын құрастырып, ұсыныңдар.

Қалай ойлаймыз. Қажет нәрсе — тек шекті өзгерту. Бірақ бастамас бұрын датчикті нөлге келтіру жақсы.

Шешуі.

Бір айналым.

1. Басы.
2. Гироскопиялық датчик — Сброс (Қалпына келтіру) (2-порт).
3. B+C моторлары: 10 және −10, «Включить (Қосу)».
4. Күту: гироскоп, Салыстыру — Бұрыш, 2-порт, 2-тип («>»), шек 360.
5. B+C моторлары: «Выключить (Өшіру)».

Екі айналым. Программа дәл сондай, тек 4-қадамда шек 720 (2 · 360°).

Жауабы: сол программа, тек басында датчикті қалпына келтіру қосылады; бір айналымға шек 360, екі айналымға — 720; робот толық айналып, тоқтайды.

№ 6

(«Ойлануға берілген сұрақтар», № 1) Гироскопиялық датчик жайлы не білдің?

Жауабы: гироскопсыз робот неше градусқа бұрылғанын білмейді. Гироскоп дәл бұрылыс жасауға, түзу жүргенде бағытты ұстауға және құламауға (тепе-теңдік сақтайтын роботтар) мүмкіндік береді. Сондықтан ол оқу роботтарына да, ұшақтарға да, сүңгуір қайықтарға да керек.

№ 7

(«Ойлануға берілген сұрақтар», № 2) Роботтың қозғалысына гироскопиялық датчиктер қандай ықпал етеді?

Жауабы: робот уақыт бойынша «көзбен» емес, датчик қажетті бұрышты көрсеткенше бұрылады. Қозғалыс дәл болады және тайғақ еденге немесе батареяның зарядына байланысты болмайды.

№ 8

(«Ойлануға берілген сұрақтар», № 3) Гироскопиялық датчиктің басқа датчиктерден айырмашылығы қандай?

Жауабы: басқа датчиктер сыртқа қарайды: ультрадыбыстық және инфрақызыл датчиктер заттарға дейінгі қашықтықты, түс датчигі — түсті, жанасу датчигі — басуды өлшейді. Гироскоп роботтың өзін бақылайды: ол неше градусқа және қаншалықты тез бұрылды.

№ 9

(«Үй тапсырмасы») «Геометриялық фигуралардың ерекшеліктері» зерттеу жобасы: тең қабырғалы үшбұрыштың, шаршының, алтыбұрыштың қасиеттері; шеңберді градуспен өрнектеу; шеңбердің ұзындығын есептеу.

Қалай ойлаймыз. Фигураны айналып өтетін робот фигураның бұрышына емес, 180°-қа дейінгі толықтауышқа бұрылады: 180° минус фигураның бұрышы. Барлық бұрылыстарды қоссаң, әрқашан 360° шығады — толық айналым.

Шешуі.

Шеңбердің ұзындығы: $C = \pi \cdot d$, мұндағы $d$ — диаметр, $\pi \approx 3{,}14$. Мысалы, диаметрі 5,6 см дөңгелек бір айналымда $3{,}14 \cdot 5{,}6 \approx 17{,}6$ см жүреді.

👨‍👩‍👧 Ата-анаға. Баланы «робот болып көруге» шақырыңыз: бөлмеде 90°-қа бұрылып шаршыны, содан кейін үшбұрышты жүріп өтсін. Үшбұрышта бұрылыс «тік» — 120° екенін өзі сезеді.

Жауабы: үшбұрышта бұрылыс 120°, шаршыда — 90°, алтыбұрышта — 60°; шеңбер — 360°; шеңбердің ұзындығы $C = \pi d$.

Жадынама

• Гироскоп бұрылу бұрышын (°) және айналу жылдамдығын (°/с) өлшейді.
• Сағат тілі бойынша бұрыш плюске өседі, қарсы бағытта — минусқа.
• Бұрылар алдында датчикті Сброс режимімен нөлге келтір.
• Салыстыру түрлері: 0 =, 1 ≠, 2 >, 3 ≥, 4 <, 5 ≤.
• 90°-қа бұрылу: моторлар әр жаққа → «бұрыш > 90» болғанша күту → тоқта.

Шағын тест