חוג רובוטיקהיחידה לנוער שוחר מדע, טכניון

פיתוח וכתיבה: דני קרייטמן, רועי בראל

8/14/2011

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

תוכן עניינים

3...........................................................................................................מטרות ורציונל

6........................................................................................................מבוא לרובוטיקה14..................................................................................................1פיזיקה ורובוטיקה 20..................................................................................................2פיזיקה ורובוטיקה

25..................................................................................................................חיישנים35...........................................................................................................מבוא לבקרה

43...................................................................................................1רובוטיקה ותכנות 54...................................................................................................2רובוטיקה ותכנות

61...........................................................................................................תחרות הגמר66...................................................................................................נספח א' - דוגמאות

67..........................................................................................נספח ב' – הוראות הרכבה68......................................................................................נספח ג' – תהליך תכנון הנדסי

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

מטרות ורציונל מטרות על

התלמידים יחשפו לעולם הרובוטיקה וירכשו בסיס ידע רחב.1בתחום תוך כדי חוויה לימודית מהנה וייחודית.

יכירו ויבצעו תהליך תכנון הנדסי וינתחו עצמאית מערכת.2מורכבת בראיה הנדסית.

יעבדו בצוות ויתמודדו עם אתגרים חשיבתיים, יצירה והמצאה.3בתחומי הטכנולוגיה וההנדסה.

ירכשו יכולות טכנולוגיות, ידע רב תחומי וגישה לפתרון בעיות.4הנדסיות דרך מפגש בין בני נוער ורובוטיקה.

יקבלו עידוד להפגין סקרנות וחשיבה מקורית, נועזת וחדשנית..5 יחתרו לנצחון בתחרות, ויתנו ביטוי לידע ויכולות שנרכשו.6

בתהליך הלימוד.

משך הדרכה כולל ופירוט פרקים ומפגשים מפגשים של שעתיים כל אחד.12החוג יכלול בכל מפגש, לצד העברת חומר פרונטלי, תשולב עבודה

מעשית בנושאים רלוונטיים. לכל הצוותים יהיה מרכב הנעה רובוטי זהה8במפגש

שיהווה בסיס לרובוט של תחרות הגמר. במפגש האחרון תיערך תחרות גמר בין הצוותים בנוכחות

קהל, הורים וחברים שיוזמנו לאירוע. קונספט התחרות,משימות והישגים נדרשים, מפורטים בתיק זה.

:פירוט פרקים ומפגשים

הערותזמן מוקצבמפגש דקות120מבוא לרובוטיקה 1דקות 1120פיזיקה ורובוטיקה 2דקות 2120פיזיקה ורובוטיקה 3דקות 1120בקרה וחיישנים 4דקות 2120בקרה וחיישנים 5

דקות 1120אלגוריטמיקה ורובוטיקה 6דקות 2120אלגוריטמיקה ורובוטיקה 7דקות 120התנעת תחרות גמר והכנות8דקות 120הכנות מודרכת לתחרות גמר 9דקות 120הכנות מודרכת לתחרות גמר10דקות 120הכנות מודרכת לתחרות גמר11 דקות )גמיש(120תחרות גמר12

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

.הכנות לתחרות גמר בליווי הדרכתי של מדריכי הקורס

אוכלוסיית יעד כולל חלוקה עקרונית לרמות.תלמידי כיתות י-י"באוכלוסיות מיוחדות ונוער מצטיין במסגרת "נוער שוחר

מדע".בתיק מדריך מובא חומר במגוון נושאים רחב כאשר לרוב

הנושאים האחרונים בכל פרק מהווים אתגר לימודי גדול יותר. על המדריך לשלוט היטב את בחומר ולהכיר את

ההנחיות והדגשים השזורים בכל פרק.,בהתאם לרמת התלמידים יועברו כלל הנושאים או חלקם

לפי ראות עיני המדריך ובהתאם לרמת התלמידים.

רציונל הדרכהכמות התלמידים בקורס ואופן חלוקה לצוותים יקבעו

לאחר סיום תהליך ההרשמה. חלוקה מומלצת היא תלמידים.4לצוותים של

לכל צוות יהיו: מחשב מותקןEasyC ערכת ,VEX,חיישנים , כלי עבודה וכלי כתיבה. דפי עזר יחולקו במקרה הצורך.

.מפתח מדריכים יקבע לפי גודל הכיתה וכמות הצוותיםבכל מפגש, לצד העברת חומר פרונטלי, תשולב עבודה

מעשית בנושאים רלוונטיים. תוצרי העבודה המעשית מקצרים את ההכנות הדרושות לתחרות הגמר ומאפשרים

.לכל הצוותים ליישר קו לכל הצוותים יהיה מרכב הנעה רובוטי זהה8במפגש

.שיהווה בסיס לרובוט של תחרות הגמרמצגות ההדרכה הצמודות לכל פרק בתיק מדריך מכילות

ראשי פרקים ומאפשרות הדרכה מודולרית והעמקה בחומר לפי ראות עיני המדריך. יש להכיר היטב את מבנה המצגות

ואופן הפעלתן בטרם הדרכה.

דגשים כלליים למדריךדף מבוא לכל פרק ממקד אותך על נושא השיעור ואופן

העברתו, פעל להשגת המטרות ושאף להעביר את הידע לונדרש התלמיד בסוף הפרק.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

הכר היטב את החומר המופיע בתיק מדריך והדגשים המיוחדים המופיעים בו. הם חיוניים להעברה שוטפת של

השיעור: .דגש או הנחיה

.הקצאת זמן טרם העברת שיעור/נושא, עבור על התיק מדריך והמצגת

יחדיו כדי לשלוט בשילוב בינהם. טרם עבודה מעשית בשיעור וודא כי מוכרת לך דרך הפתרון

ובהתאם לצורך הצג על שולחן המדריך את התוצר הסופי.התלמידים צמאים לידע, דע להרחיב עם נדרש אך אל

תסטה מנושא השיעור ושים לב לזמן..במהלך עבודה מעשית עבור בין הצוותים ועזור כשנדרש .הקפד על עבודת צוות והדגש את חשיבותה בחוג זה

1: שיעור מס'

: מבוא לרובוטיקה נושא

: מטרות .חוייה לימודית, מהנה וייחודית.יצירת תשתית ידע ביסודות עולם הרובוטיקה.הקניית יכולת לנתח מערכת בראייה הנדסית.הכרות עם תהליכי תכנון הנדסיים התנסות ראשונית בערכתVEX ו EasyC.

: בתום פרק זה התלמיד יבין מושגי היסוד מעולם הרובוטיקה.יזהה מכלולי רובוט בסיסיים .יבחין בצרכים אנושיים להם הרובוטים נותנים מענה.יוכל לבצע תהליך תכנון רובוט מכוון משימה.יגדיר דרישות לרובוט והתאמת המבנה שלו לייעוד נבחר יזהה את חלקי ערכת VEX-Starter's kit .ומכלוליה – יבצע וישלים בעבודה מעשית

o.התנסות בהליך תכנון הנדסיo.סקירת פריטים בארגז עבודהo בנייתTestbed והכרות EasyC .ראשונית

דקות: 120: משך שיעור -דקות עיוני.60כ -דקות מעשי.60כ

:פירוט נושאי הדרכה ותכנון זמנים

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

הערותזמן מוקצבנושאעיוני דקות10מושגי יסוד, רובוט וחלקיו

עיוני דקות25שימוש ברובוטיםעיוני דקות20תהליך תכנון הנדסי

התנסות בהליך תכנוןהנדסי

מעשי דקות 20-25

עיוני דקותVEX5הכרות עם ערכת והכרותTestbedבניית EasyC

מעשי דקות35-40

בהנחייה4: חלק עיוני – פרונטלי, חלק מעשי - עבודה בקבוצות של אופן הדרכהצמודה.

: תכני תיק מדריך.חומר עזר למדריך

: נספח ג' - תהליך תכנון הנדסי.חומר עזר לתלמיד

: רשימת אמצעי הדרכהחלק פרונטלי – לוח, אמצעי כתיבה, מחשב עם חיבור אינטרנט, מצגת

הדרכה ומקרן. חלק מעשי – ערכותVEXכמספר הקבוצות, מחשבי מעבדה, גבישי שליטה

וסוללות.VEXכמספר הקבוצות ,ערכות תקשורת מחשב-

מבוא לרובוטיקההנחיות למדריך – עבוד עם המצגת "מבוא לרובוטיקה" ועם דף תוכן זה, סקור את

הנושאים שנמצאים במצגת בראשי פרקים ומורחבים כאן. יש לתת דוגמאותכשעולה הצורך. רצוי להתעכב פחות על נושאים אשר מורחב עליהם בהמשך.

עירור עניין – הראה סרטון לפי המוסבר במגצת

מושגי יסוד

מתוכנתת, בעלת יכולתאלקאו-מכנית – רובוט הוא מערכת רובוטתנועה, המסוגלת לבצע פעולות מורכבות תוך כדי אינטרקציה עם הסביבה.

בקארל צ'אפקהמילה "רובוט" נזכרה לראשונה במחזה של הסופר הצ'כי שמשמעותהצ'כית, המילה עצמה לקוחה מן המילה "רובוטה" בשפה ה1921

"עבדות" או "עבודות פרך". המונח רובוטיקה הוכנס לשימוש ע"י סופר מדע בדיוני אייזק אזימוב בין היתר

באחד מספריו המפורסמים "אני, רובוט". – יכולת של מערכת לקבל החלטות להשלים משימןת ללאאוטונומיות

התערבות חיצונית ע"י סדרת פעולות המבוססות על איסוף וניתוח תנאי סביבה. - תגובה של מערכת לכניסות שונות. התנהגות הרובוט באההתנהגות

לידי ביטוי באמצעי הפלט שלו כגון נוריות, זרועות או גלגלים.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

- עמידות הרובוט בתנאי סביבה בה הוא עובד ובשחיקה לאורךקשיחותזמן כתוצאה מפעילות ופעולות חוזרות.

שליטה מקומית או שליטה מרחוק של אדם על מערכתשליטת מפעיל – רובוטית כדי להשלים פעולה או לבקר על התנהגות.

– מספר הצירים לאורכם יכול הרובוט לנוע. דרגות חופש

רובוט וחלקיו

– הצגה וניתוח סכמת מלבנים כללית בדגש זיהוירובוט כמערכתמכלולים וזרימת מידע דרך קלט, פלט ותהליכי עיבוד.

- מבנה ומעטפת הרובוט שמעוצב בהתאם לייעוד אותו ממלאגוףהרובוט. מכאן נגזרים צורה, קשיחות וחלק מהתנהגות הרובוט.

– כלל החלקים שמשמשים את הרובוט לתנוע בסביבתומכלולי הנעה)מנועים, סרוו, גלגלים, זחלים, מדחפים וסנפירים( ועוזרים להניע את זרועותיו.

- אספקת כוח חשמלי, הידראולי, פנאומטי, לכל שאר מכלולייחידת כוח הרובוט הדורשים זאת לצורך פעולתם. התמרת אנרגיה חשמלית למכנית

ולהיפך. מכילה לרוב סוללות, מצברים, גנרטורים או מנועים. - מנתרים, מווסתים , מגבילים ומגבירים את תנועותמכלולי בקרה

הרובוט כך שהתנהגותו המדוייקת תתאים לביצוע המשימה בתנאי סביבהמשתנים.

– אמצעי חקר ואיסוף מידע מהסביבה באופן אקטיבי ופאסיביחיישנים המשמשים את הרובוט לצורך בניית תמונת עולם סביבו, הנחייתו בתנועה וביצוע

משימתיו. יחידת תקשורת - קישור הרובוט למפעילו, או רובוטים אחרים וכוללת

משדר/מקלט, אנטנה ואף מצפין במרה הצורך. או מיקרו-בקר זהו המוח של הרובוט,CPU – יחידת עיבוד מרכזית

ששולט על כל שאר מכלולי המערכת, מכיל בתוכו את תוכנית הפעולה, מרכז את המידע המגיע מחיישנים, מתחשב בו לצורך מתן פקודות עתידיות ומכיל

אוסף מקרים ותגובות. סוג וסיבוכיות התוכנה יקבע את מידת האוטונומיות שלהרובוט, החל ממכונת כביסה ועד בינה-מלאכותית.

שימוש ברובוטים

.ניתן לתת סקירה היסטורית קצרה על התפתחות תחום הרובוטיקה דקות. 3 הקצב לכך בחלק זה עודד את התלמידים לציין אלו שימושים הם מכירים ורשום אותם על הלוח

במספר טורים )בסוף ניתן שם לכל טור(. שם לכל טור/קטגוריה יש לתת רק כשיגמרו הרעיונות. בנוסף לדוגמאות והסברים המובאים כאן, ניתן להביא עוד

דוגמאות מעניינות כראות עינייך. דקות. 5 הקצב לכך .עקוב אחרי המצגת והרחב לפי הרשום

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

בתעשיה -

עבודות מנוטונית החוזרות על עצמן - הזזה, הרמה, הובלה וטיפול בציוד וחלקים על פס ייצור או במחסן. הרכבה, הברגה וריתוך

בקצב גבוה ולאורך זמן רב – פעלות בעלות פוטנציאל גבוה לגרוםנזק פיזי מצטבר לאדם.

עבודות קו ייצור – תהליך רציף ומהיר עם הרבה תחנות לאורך קו נע כשבכל תחנה רובוט האחראי על פעולה אחת )או מספר

פעלות מצומצם( בלבד. מינימום טעיות ועצירות לעומת מעורבותאנושית.

עבודות דיוק – חיתוך, הלחמה, הרכבה וטיפול ברכיבים זעירים ברמת דיוק שאדם לא מסוגל להגיע אליה או רכיבים עדינים שינזקו

ממגע ידי אדם.עבודות מסוכנות – עבודה בכורים גרעיינים, מכרות, ייצוק פלדה או

עבודה בתנאים מבוקרים )חדרי ואקום, מעבדות טיפול במחלותמסוכנות ועוד(.

חקלאות ועבודות משק – חרישה, זריעה, השקיה, טיפוח ואיסוף יבולים, לול ורפת רובוטיים.

במחקר ובמדע – חקר החלל - לווינים וטלסקופים, חלליות חקר חלל עמוק)מחוץ

למערכת השמש( ורכבי שטח פלנטריים)ירח ומאדים(. אספקהותחזוקת תחנת חלל בינלאומית.

מעמקי הים – מיני-צוללות, רכבי חילוץ ואיסוף דגימות, מעקב אחר המגוון הביולוגי הימי, ארכיאלוגיה וצילום.

רפואה – סיוע לרופאים בניתוחים מסובכים ועדינים ע"י מינימום פלישה לגוף האדם, גלולות מצלמה.

ננו-טכנולוגיה וביולוגיה – יצירה וסינטזה של חומרים, תרופות ו DNA.ברמה מולקולרית

אנדרואידים – רובוטים הלובשים צורה אנושית מלאה, נעים, מגיבים ומתפקדים בהתאם. מתבצעת האנשה של רובוטים ומחקר המנסה

לחכות את הפיזיולוגיה וביולוגיה של האדם. חקר התנהגות אוטונומית ומערכות לומדות – פעילות המתבצעת

דרך תחרויות מרוץ וניווט של רכבים אוטנומיים, רובוטים משחקישחמט ומתכנני אסטרטגיה.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

בצבא ובטחון – איסוף מודיעין בשדה הקרב - מזל"טים וכש"במים הפועלים לבניית

תמונת איומים, סימון מטרות והעברת המידע לכוחות הלוחמים. פעילות חשאית לאורך זמן רב בכל שעות היממה ובכל מזג אוייר

ללא סיכון חיי אדם.תקיפת מטרות – רובוטים חמושים בנשק ייעודי שמטרתם ביצוע

משימות תקיפה מדוייקות באוייר בים וביבשה.סיוע לכוחות הלוחמים – תמיכה לוגיסטית בנשיאת אספקה בצמוד

לכוח הלוחם ואספקת מקורות אנרגיה.סילוק פצצות ומוקשים – ביצוע משימות פירוק ונטרול מטענים

ומוקשים בכל תנאי שטח, בשליטה מרחוק וללא סיכון חיי אדם.

בחינוך,באקדמיה ובתחרויות –

חינוך טכנולוגי – הקניית יכולות טכנולוגיות, ידע רב תחומי וגישה לפתרון בעיות דרך מפגש בין בני נוער ורובוטיקה כדי לאפשר

התנסות בתהליכי חשיבה ויצירה והכין את דור ההמשך שלנו בצורה.21מיטבית לאתגרי המאה ה-

,תחרויות – התמודדות בין בתי ספר ואוניברסיטאות כדי לעורר עניין ליצור אתגר בתכנון הנדסי-רובוטי ולאפשר ביטוי לידע ויכולות

שנרכשו בתהליך הלימוד. זו הדרך הטובה ביותר להפגין את החשיבה המקורית, הנועזת והחדשנית, בחתירה לנצחון בתחרות.

כל זאת באווירה מלהיבה ומהנה.

מה טומן בחובו העתיד – עבודת רובוטים בלהקות ונחילים – חיקוי התנהות של חיות

באלגוריטמי התנהגות של רובוטים. מזל"טים כלהקות ציפורים, רובוטי תקיפה ממנועים כלהקות זאבים ו,שליטה על אלפי רובוטי

עבודה כנחיל דבורים ומלכתו או ככן נמלים.ננו-רובוטיקה - תיקון תוך גופי וריפוי מחלות, פעילות זעירה בכימיה

וחקר כדור הארץ.אנדרואידים הדור הבא – ביוניקה וסייברנטיקה, התפתחות של ענפי

רובוטיקה שיאפשרו תפקוד רובוט בהתבסס על מערכת עצבים ומבנה גוף אנושיים. ייתכנו הליכים של החלפת איברים וגפיים

אנושיים ברובטיים.,תפקוד משמעותי יותר בסיוע בשדה הקרב - תדלוק אווירי וימי

סריקה לגילוי מוקשים לפני הכוח.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

תהליך תכנון הנדסי

'תרגיל מחשבתי פעיל- בקש מהתלמידים לתכנן רובוט שמכין להם בבוקר סנדוויץ לבי"ס, אילו דרישות יש להם מהרובוט, אילו שלבי תכנון הם חושבים שצריך לעשות לפני שניגשים לבנות אחד כזה? רשום על הלוח ללא סדר כלשהו ובסוף בקש מהם

למספר לפי חשיבות/קדימות. דקות. 5 הקצב לכך הצג את תרשים הזרימה ובצע השוואה קצרה עם תהליך שנרשום על הלוח, מה

נשכח? עקוב אחר התרשים ופרט על כל שלב.

הגדרת צורך/בעיה/משימה ופירוט למשימות משנה ודרישות יסוד.1 – לפעמים ניתנת למהנדס או המתכנן בעיה שיש לפתור, לפעמים

עולה הרעיון אצל המתכנן עצמו שיוזם את התהליך ולפעמים עולה הצורך מנסיבות ומציאות קיימת. יש חשיבות רבה בהגדרה מדוייקת ככל הניתן של המשימה העיקרית אותה ימלא הרובוט אך לא פחות

חשוב לשאול אלו משימות משנה חייב הרובוט לבצע בדרך להשלמתהעיקרית ומהם דרישות הייסוד בתכנון )מפרט דרישות(.

למשל רובוט שמשימתו הראשית לנקות ולשואב אבק בבית חייב בדרך להשלים משימות קטנות: לתכנן מסלול בחדר, לעבוד לפי לוח זמנים,

לזהות לכלוך, להימנע ממכשולים, להתריע על שקית אשפה מלאה ולרוקן אותה במקרה הצורך, להתחבר עצמאית לטעינה בסוף

התהליך ועוד. דרישות היסוד – נייד, קטן ונמוך כדי להיכנס מתחת לרהיטים, עמיד בפני התנגשויות, מים ואבק, חסכוני, פשוט להפעלה ותחזוקה ולא

פחות חשוב שלא יפחיד את הכלב או החתול. - תנאי סביבהניתוח תנאי סביבה והערכת ייתכנות מציאת פתרון.2

מכתיבים לרוב שלל אילוצים נוספים בהם יש להתחשב לפני שמנסחים פתרון לבעיה וקובעים מאפיינים של הרובוט כמו גודל, מבנה, עמידות,

צורת הנעה וחיישני עזר לעבודה בסביבה זו. ייתכנות מציאת הפתרון זה השלב שמבדיל בין מציאות לפנטזיה.

פנטזיה זה רובוט אנושי שנשלח להגן בכל מחיר על מנהיג המחתרת העתידית, מציאות היא רובוט שזורק לך פיחת בירה כשאתה מתישב

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

על הספה, לרוב מחטיא ושופך אותה על הרצפה.... עכשיו ברורלכולם למה דיברנו קודם על רובוט מנקה....

בשלב זה יש להתבסס על חומרים נגישים, יכולות, זמן, תקציב והישגיםמדעים קיימים.

– פעמים רבות משימה מורכבת או בעיהחלוקת הבעיה לחלקים.3 מסובכת ניתנת לפירוק לתת-משימות פשוטות או בעיות קלות יותר. אם

נמצא מענה לכל חלק הרי שהסוף כשנשלב את כולם נפתור אתהבעיה הכוללת ונשלים את המשימה.

–סיעור מוחין, הצעת מספר רעיונות אפשריים והצגת חלופות .4 דרכים רבות מובילות למטרה אחת, יש "לשים על השולחן" את הרעיונות הטובים ביותר, לדון בהם תוך בחינת חלופות, יתרונות

וחסרונות, עלות וסיבוכיות.בשלב זה סקיצה כללית או ציור קוספטיעזרו לדמיין ולהמחיש את הרעיון.

הבאת הרעיון לדיון בקבוצה, קבלת ביקורת בונה לשיפור ויכולת להגן על הרעיון מול מתנגדיו, כל אלו יידרשו אולי מהוגה הרעיון. כוחה של

הקבוצה או פורום דיון ביכולתה להוסיף ידע ייחודי מכל משתתף, לתת נקודת מבט רעננה ולספק פתרונות חלופיים. גם אם איננו מבצעים

תכנון בחברת רובוטיקה גדולה בה יש להביא את הרעיון לאישור אלא רק מתכננים רובוט קטן בבית, חשוב לבצע את השלב הזה עם חברינו

או אפילו לבד. – בסיום השלב הקודם התבהרה התמונה ועתהבחירת רעיון מוביל .5

ברור שיש רעיון מוביל אחד או שניים. יש לקחת החלטה ולבחור.האחריות מוטלת עתה על המהנדס וצוותו ליישם את הרעיון.

– פירוק הבעיה לחלקים, שביצענו קודם, יעזור לנו רבותדרכי מימוש .6 בשלב זה. אולי קיים מכלול זמין שעונה חלקית על הצורך? האם יש

לשתף אחרים בעבודה? איפה בונים ואילו כלים נצטרך? נגדיר בשלב זה איזו מכלול יבצע מה, נבנה סכמת בלוקים של הרובוט ונסמן

חלקים ומכלולים אותם למדנו ב"רובוט וחלקיו". נגדיר גם את תהליך זרימת המידע - קלט, עיבוד, פלט וכוח מחשוב דרוש. לבסוף נתווה את

גוף ומבנה הרובוט. – מכיוון שאין אנו בטוחים שהכלבניית מכלולים והרכבת אב-טיפוס.7

יעבוד כמו שצריך, רצוי לבנות את המכלולים מודולריים ככל האפשר כך שבמקרה הצורך אפשר להחליף מכלול בודד שלא עובד/מתאים ולא לחזור על התכנון מחדש. הרכבת הדגם )לפעמים כדאי לבנות

קודם גרסא מוקטנת( או אב-טיפוס וזיווד המרכב של הרובוט. – הפעלה ובדיקה של תקינות כלל הפונקציות שלהרצת ניסיון .8

הרובוט, הפעלתו בביצוע תת-משימות ובחינת יכולתו להשלים את המשימה העיקרית. בשלב זה נבצע מיפוי של כל הבעיות, התקלות

באגים שהתגלו וניגש לתיקונם.. - נבצע את בדיקה שיפור תכנון תהליך מחזורי של בדיקה .9

השלב הזה עד שנקבל ביצוע מושלם של כל המשימות. ייתכם כי נצטרך לחזור ל"שולחן השרטוטים" ולשנות את דרכי המימוש, לתכננן

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

לגמרי. שלב מכלולים מחדש ואף במקרים מסויימים לבחור רעיון אחר זה בתהליך נוטה להיות האורך ביותר, המסובך ביותר והיקר ביותר אך הצמדות לתהליך תכנון נכון והשלמת כל השלבים הקודמים יעזרו לנו

לעבור אותו בשלום. – הרובוט התמודד בהצלחה עםהצגת מוצר סופי ושילוח למשימה .10

שדה הניסויים ועתה נשאר לשלוח אותו למשימה לעיני הקהלהמתפעל. בהצלחה!

למעשה גם כאשר הרובוט פועל בשטח ומשלים את משימותיוהערה: בהצלחה, מתקיים תהליך של איסוף נתונים והפקת לקחים. המהנדס

וצוותו צוברים עוד ידע וניסיון כדי לגשת לתהליך תכנון גרסא משופרת של הרובוט או רובוט שונה אחר, בצורה חלקה ועם מירב הכלים.

התנסות בהליך תכנון הנדסי וודא לכל קבוצה כלי כתיבה ושעון.4זה הזמן לסדר את התלמידים בקבוצות של .הסבר את אופי העבודה בקבוצות קטנות המאפשר לתלמידים לחוות עבודה

משותפת, הדגש את חשיבותה של עבודה צוות וקבלת דעות ורעיונות שונים כחלקבלתי נפרד מהתהליך.

ספר את סיפור המעשה והגדר כי: על כל צוות מתכננים/מהנדסים שיקבל אחת משתי משימות, יש לתכנן רובוט ש.... או רובוט ש.... יש לבצע את תהליך התכנון

ולהציג את הרעיון שנבחר יחד עם מספר חלופות מובילות. יוצגו גם6עד סעיף ( וסכמת מבלנים הכוללת את כל המכלולים4סקיצות או ציורי קונספט )סעיף

(.6הדרושים )סעיף חלק דפי עבודה נדרשים )קבוצות שכנות יקבלו משימות שונות( והצג על הלוח את

תרשים הזרימה של תהליך תכנון לנוחות התלמידים. דקות. 15 הקצב לכך )בסוף הזמן המוקצב יש לאסוף את הדפים )מניעת ריגול תעשייתי וגניבת פטנטים

ולקרוא למתנדב מכל קבוצה להציג את הרעיון שנבחר יחד עם מספר חלופות ( וסכמת מבלנים הכוללת את4מובילות. יוצגו גם סקיצות או ציורי קונספט )סעיף

(.6כל המכלולים הדרושים )סעיף דקות. 5-10 הקצב לכך

VEX הכרות עם ערכת דקות לכל הנושא הכרות.5 הקצב לכל היותר הצג את היתרון בשימוש בערכותVEXעמוד על תהליך לימודי מסודר שהן ,

מאפשרות, לצד גמישות בתכנון הסופי. ציין כי בתהליך עבודה עם הערכה ייפתח צוהר להמון נושאים ותחומי ידע אחרים )קיים שקף במצגת(. ניתן ורצוי לגרות אתהדמיון של התלמידים ע"י אזכור קצר של תחרות הגמר בנוכחות הורים וחברים.

עירור עניין – בסוף ההכרות ניתן להציג דגם בנוי מיוחד )אם יש( או תמונה של עיצוב מעניין ומקורי. VEXרובוט

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

ערכתVEXהיא פלטרפורמת הרכבה מודולרית שמתוכננת להכיר למשתמשיה המתחילים את עולם הרובוטיקה, מדע,

טכנולוגיה ותוכנה באופן מסודר, הדרגתי ובהיר. לאתגר את משתמשיה המתקדמים לתכנן, ליצור ולבנות

רובוטים נשלטים ואוטונומיים.חלקי הערכה כוללים אבני בניין מכניים להרכבת צורות

שונות של רובוטים, מנועים, גלגלים, מקורות כוח, אוסף חיישנים ומיקרו-בקר מתוכננת. כל אלו מאפשרים גמישות

כמעט בלתי מוגבלת בתכנון ובניית רובוטים. שימוש במספר ערכותVEXבקבוצות קטנות מאפשר

לתלמידים לחוות עבודה משותפת, להבין את חשיבותה של עבודה צוות וקבלת דעות ורעיונות שונים. ניתן להכווין

במהלך העבודה למושגים כמו השגת מטרות ויעדים, לחנך לקפדנות ומצויינות ותוך כדי ליצור אתגר ותחרותיות בין

קבוצות במטרה לנצח בפרוייקט גמר.

סקור בקצרה את סוגי החלקים בארגז, המכלולים והכלים העומדים לרשות התלמידים, ציין על אלו דברים נתעכב בהמשך הקורס )מנועים ומיקרו-בקר

וחיישנים( ומאילו חלקים נראה עוד סוגים )חיישנים(. .הדגש את חשיבותם של עבודת הצוות, שיתוף פעולה וסובלנות בכיתה ובצוותים.בסוף סקירת חלקים ומכלולים זמינים, חלק לכל קבוצה את ארגז העבודה שלה

EasyC והכרות Testbed בניית פלטפורמה לניסויים

בשלב זה יעבדו התלמידים עם מחשבים, חיבור לאינטרנט, תוכנתEasyCגבישי , . וודא כי לכל הקבוצות יש אתVEXשליטה שונים לכל קבוצה וערכת חיבור מחשב-

הציוד הנדרש. פתח מראש בחלון נוסף את המצגת האינטרנטיתTest Kit ולחץ על Slide Show.

עקוב אחר המצגת והדרך את התלמידים שלב אחר שלב בעודם בונים את קבוצתיות.VEXהפלטפרומה בעזרת ערכות

/http://www.education.rec.ri.cmu.edu/roboticscurriculum/vex_online/hardware/test_the_kit כתובת תן דגש על עבודה בטיחותית, זהירה ועדינה. אין להפעיל כוח בזמן ההרכבה. וודא

כי כל הקבוצות סיימו להרכיב את הפלטפורמה. הנחה להדליק את המסכים, עקוב אחר המצגת והסבר איך להורידOnline Code

ואיך לעבוד איתו.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

שים לב כי זוהי התנסות ראשונה של התלמידים בתוכנה, התאם את הקצב לרמתהקבוצות.

עבור בין הקבוצות וודא כי כולם מבינים איך לעבוד עם מסךOnlineחזור על . לתהליך פיתוח הנדסי.Testbedחשיבות ה

הסבר איך להורידTest Codeנתק את ערכות החיבור ותן לקבוצות להתנסות , בעבודה עם שלט.

תיחול שלט ואיזון מופיע בInventor's Guide.העזר בו במקרה הצורך "אם ישנן קבוצות מתקדמות או נשאר זמן נוסף המשך לחלק "קוד שליטה בסיסי

-Arcadeבמצגת, חבר את ערכות החיבור. התעכב בקצרה על הבדל בין ניהוג - ניהוג ע"י שני ג'ויסטיקים. Tankניהוג ע"י ג'ויסטיק בודד וניהוג

סיכום

.עבור על ראשי פרקים שנלמדו בשיעור זההדגש את ההישגים והכישורים החדשים איתם יוצאים התלמידים מהשיעור )בהתאם

לדף מבוא(. .בצע חיסול וניפשג פעם הבאה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

2:שיעור מס'

: פיזיקה ורובוטיקה נושא

: מטרות .חוייה לימודית, מהנה וייחודית . חזרה על מושגים פיזיקליים.יצירת תשתית ידע ביסודות עולם הרובוטיקה.הכרות עם מאפייני מכאניקה ופיזיקה לתכנון רובוטי בניית מרכבProtobot. המשך הכרות עם תוכנתEasyC .

: בתום פרק זה התלמיד.ייזכר במושגים פיזיקליים רלוונטיים.יזהה מכלולים מכניים חדשים מעולם הרובוטיקה.יבחין בין שלושה תחומי ידע נדרשים להבנת פעולת הרובוט.יזהה את הקשרים בין כל המושגים.יפרט את המושגים ואת הדרישות בכל נושא – יבצע וישלים בעבודה מעשית

o בנייתProtobot.מרכב – o)התנסות בשיטות ניהוג שונות )אופציונלי

דקות: 120: משך שיעור -דקות עיוני.60כ -דקות מעשי.60כ

:פירוט נושאי הדרכה ותכנון זמנים

הערותזמן מוקצבנושאעיוני דקות60תנועה והנעה

– מרכבProtobotבניית ובקר

מעשי דקות 60

,Tankהתנסות בניהוג Arcade

מעשיאם נשאר זמן

בהנחייה4: חלק עיוני – פרונטלי, חלק מעשי - עבודה בקבוצות של אופן הדרכהצמודה.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

: תכני תיק מדריך.חומר עזר למדריך

: נספח ב' – הוראות הרכבה )ניתן לפתוח את הקובץ במחשב( .חומר עזר לתלמיד

: רשימת אמצעי הדרכהחלק פרונטלי – לוח, אמצעי כתיבה, מחשב עם חיבור אינטרנט, מצגת

הדרכה ומקרן. חלק מעשי – ערכותVEXכמספר הקבוצות, מחשבי מעבדה, גבישי שליטה

וסוללות.VEXכמספר הקבוצות ,ערכות תקשורת מחשב-

1פיזיקה ורובוטיקה הנחיות למדריך – עבוד עם המצגת ועם דף תוכן זה, סקור את הנושאים שנמצאים

במצגת בראשי פרקים ומורחבים כאן. יש לתת דוגמאות כשעולה הצורך. רצוילהתעכב פחות על נושאים אשר מורחב עליהם בהמשך.

.עירור עניין

תנועה והנעההראה תחילה את התרשים הראשי וציין את הנושאים העיקריים בהם נעסוק כדי

להתחיל להבין את אופן פעולת הרובוטים. המידע והמושגים בכל נושא מסודרים בצורה של שכבות כך שהתלמידים לא יאבדו את ההקשר לאורך השיעור וניתן יהיה

לבנות את הידע בצורה הדרגתית.עבור קודם על הנושאים בארבעת העמודות )מומלץ להתחיל משמאל( ורק בסוף

על מהירויות והתאוצה )שהם פועל יוצא של כל השאר(. מומלץ לחזור אל התרשים לעיתים קרובות ואף להדפיס )נספח.... ( ולחלק את

הדף כדי להקל על מעקב התלמידים אחר מהלך השיעור.

גג"ש

יחסי הילוכים

תמסורת

דיפרנציאל

מקדם חיכוך

חיכוךסטטי/דינמי

סוגי גלגלים

כוח גרר

DC זרם

DC מנוע

מגבלות סיבוב

מצמד

סוגי הנעה

מהירות זוויתית

מהירות

תאוצה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

– גלגל שיניים, הוא גלגל אשר בהיקפו מסודרות שיניים במרחקיםגג"ש לגלגל שיניים נוסף אוכוח ותנועהשווים אחת מן השנייה, אשר נועד להעביר

רעש והרטט, החיכוךלכל רכיב משונן אחר. שיני הגלגל מעוצבות כך שמידת ה תהיה מקסימלית. כוחיהיו מינימליים, בעוד שהעברת ה

,בצמד גלגלי שיניים, כאשר גלגל אחד מסתובב לכיוון מסוים הגלגל השני מסתובב בכיוון ההפוך.

בראיה של מערכת פשוטה: מנועגלגלי שיניים גלגל, גג"ש אליו מחובר ציר המנוע נקרא גג"ש כניסה וגג"ש אליו מחובר

ציר הגלגל, נקרא גג"ש יציאה.

מרחק מהציר נקרא מומנט. בגלגל או גלגלX – כוח מומנט פיתול שיניים זהו הכוח בכיוון הרדיאלי שיוצר כוח ליניארי בנקודת המגע של הגלגל עם

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

משטח או גלגל אחר. גודל המומנט תלוי בגודל הכוח מוכפל במרחק מהציר שלנק' המגע )רדיוס(.

להסבר מפורט1-9להדגמת מומנט קיים קישור במצגת. הפעל והראה שקופיות /http://www.education.rec.ri.cmu.edu/roboticscurriculum/vex_online/lessonsיותר.

mechanics/torque/mechanics_torque.html

- יחס בין גלגלי שיניים הבאים במגע )שניים או יותר(.יחסי הילוכים נקבע לפי יחסי רדיוס או היקף של גג"שים שכנים. במקרה שלנו מספר שיניים

שיניים ונחבר אותו עם36פרופורציאנלי לגדלים אלו ולכן אם ניקח גג"ש בעל . יחס ההילוכים מאפשר לנו:1:3 שיניים נקבל יחס הילוכים של 12גג"ש של

( שליטה על סל"דRPMככל שגג"ש גדול יותר כך הוא -) סיבובים3מסתובב לאט יותר. בדוגמה שלנו, הקטן משלים

ביחס ההילוכים,המהירות מחולקתבעוד הגדול רק אחד. .3כלומר ב

( שליטה על גודל המומנטTorqueככל שהגג"ש גדול יותר - ) המומנט)רדיוס בין ציר לנק' מגע( כך המומט גדול יותר.

.3 ביחס ההילוכים כלומר פי מוכפל

– מערכת של מספר גג"ש המתאמת בין "התקן מניע" )מנוע(תמסורת לבין "התקן מונע" כלשהו, ומאפשרת לשנות את היחס בין המהירויות שלהם ובין

שהם מפעילים זה על זה.מומנטעוצמת ה

בבסיס השימוש בתמסורת עומדים העקרונות אותם למדנו קודם - מהירות הסיבוב עומדת ביחס הפוך למומנט המופעל.

דוגמה פשוטה של רכב או אופני הילוכים: שילוב תיבת ההילוכים להילוך נמוך מגביר את מומנט ההתקן המניע,

ומאפשר לו להתגבר ביתר קלות על ההתנגדות שההתקן המונעמפעיל נגדו.

- מערכת של גג"ש )תמסורת( שיש לה כניסה אחת של כוחדיפרנציאל ושתי יציאות. הדיפרנציאל מאפשר לגלגלי שיניים במוצא להסתובב כל אחד

! דוגמה של רכב שם מיקומו שלבמהירות משלו אך עם מומנט זהההדיפרנציאל הוא בין זוג הגלגלים המונעים:

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

בנסיעה ישרה תפקיד הדיפרנציאל הוא פיצול הכוח בין שני הגלגלים תוך סיבוב סרני הגלגלים יחד.

כאשר מכונית פונה, הגלגל החיצוני עובר דרך ארוכה יותר בפרק זמן זהה. לכן, מהירותו תהיה גדולה יותר ממהירותו של הגלגל

הפנימי בעוד המומנט שמופעל עליהם זהה.נעילת דיפרנציאל – אופציה המופעלת על גלגלי הג'יפ )למשל( כך

המומנט עוברמלואשבמקרה ואחד הגלגלים מאבד אחיזה, לגלגלים האחרים ואינו "מתבזבז".

- קבוע מספרי ייחודי עבור כל משטח ומבטא את מקדם חיכוך יכולתו "להיאחז" במשטח אחר.

משטח חלק – מקדם חיכוך נמוך. משטח דביק – מקדם חיכוך גבוה.

– כוח הפועל על גוף ומתנגד לתנועתו. כיוונו בניגוד כח חיכוך לתנועה וגודלו יחסי למקדם החיכוך כפול כוח שמחזיק את הגוף על המשטח

f μ=μN .חיכוך סטטי – מציין את כמות הכוח הנדרשת כדי להתחיל והזיז את

הגוף ממקומו.חיכוך קינטי – כוח הפועל על גוף שכבר נע על משטח. חיכוך סטטי

לרוב יותר גדול מחיכוך קינטי ולכן יותר קשה להזיז את הגוףממקומו מאשר לשמור עליו בתנועה.

על סמך המידע שנלמד זה עתה, צייר אופניים עם גלגלים על הלוח ובקש מהתלמידים לציין את כיוון כוח החיכוך שפועל על הגלגלים. התוצאה מפתיע

במקצת? מה מניע את המכונית? למעשה כוח החיכוך הוא זה שמאפשרלאופניים. לנוע. כאשר אין חיכוך )קרח או שמן על הכביש( , תאבד היכולות לנוע

חיכוך גלגלים – או במילים אחרות "אחיזת הכביש" זהו הכוח שפועל בנק' מגע של הגלגל עם הכביש. הכביש מפעיל כוח שווה

של ניוטון( ונוצרת תנועה.3נגדי על הגלגל באותה הנקודה )חוק

כוח שמפעיל התווך הנוזלי או הגזי בו נע הגוף )בפרט האוויר(.כוח גרר – כיוון הכוח הוא בניגוד לכיוון התנועה וגודלו תלוי בצורת הגוף.

– סוגי גלגלים שונים הנבדלים בצורת פני שטח המגע עםסוגי גלגלים הקרקע, מאפשרים "אחיזת כביש" מתאימה לנסיבות )צמיגי חורף, צמיגי שטח

VEXועוד(. חריצים בתבניות שונות על הגלגל הם הדרך להשיג זאת. בערכת ישנם מספר סוגי גלגלים ולכל אחד מאפיינים משלו והם יבחרו לשמש אותנו

בהתאם לייעוד הרובוט.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

זרם ישר במוליך, תוך מגמה קבוע )כלומר בכייון אחד(. – DCזרם

)מתח ישר(, הממיר אנרגיה חשמליתDC – מנוע מוזן מתח DCמנוע לאנרגיה מכנית סיבובית.

:עקרון פעולה – מבוסס על עקרון המגנטיות ומורכב משני מגנטים האחד מלופפף בחוט נחושת )אלקטרו-מגנט( ומסתובב על צירו

)רוטור( והשני קבוע )סטטור(. השדה המגנטי ברוטור נוצר מהזרמת זרם בליפופי החוט, מכיוון שקטבים מנוגדים של המגנטים

נמשכים, נוצרת תופעה של משיכה/דחיה לסירוגין וכתוצאה מכךתנועה סיבובית.

מהירות - שליטה במהירות המנוע היא פשוטה, ככל שהמתח גבוה יותר כך המהירות גבוהה יותר.

גודלהמנוע תחת עומסמומנט פיתול וקשר לצריכת זרם – כאשר , זה הוא ביחס הפוך למהירות: ככל שהמהירות נמוכה יותר כך

מומנט הפיתול גדול יותר וזרם רב יותר נצרך.מומנט פיתול מקסימלי )וצריכת זרם מירבית( כאשר המהירות

תחת עומס יורדת לאפס.

– כמו שהוסבר בסעיפים קודמים על יחס הפוך בין מומנטמגבלות ומהירות, ברור אחד בא על חשבון השני ולא נוכל לקבל את שניהם. משקל

הרובוט למשל, יקבע את המומנט פיתול על כל מנוע )מספר מנועים מחלקים בינהם את העומס( וכך באופן עקיף את המהירות המקסימלית שבו הוא יוכל

יש הגבלה של עדVEXלנוע. מומנט פיתול גבוה = צריכת זרם גבוהה, במנועי 1A.בצירכת זרם

הוא התקן מכני המשמש להפרדת מנוע מהאביזרclutch - או מצמד שהוא מניע. למצמד שתי דיסקיות הנצמדות זו לזו )ומכאן שמו( שניתן להפרידן

ובכך לאפשר:,החלפת הילוכים – ברכב מפריד המצמד בין המנוע לגלגלים

מאפשר החלפת הילוך ואז מצמיד את שני החלקים חזרה. הגנה על המנוע – במנועיVEXכאשר מופעל עומס גבוה מאוד ,

על הציר ומהמנוע מגיע לעצירה תחת עמוס מירבי )מומנט פיתול מקס'(, המצמד דואג להפריד בין הציר למנוע וכך למנוע נזק או

שריפה של מכלולים בו.

– צורת מרכב ההנעה )כלומר כמות המנועים, גלגלי שינייםסוג הנעה והגלגלים(, ובפרט יחסי העברת הכוחות בין כל המכלולים בו, קובעים את סוגההנעה. נבחר את סוג ההנעה בהתאם למשימת הרובוט. סוגי הנעה נפוצים:

2X4שני גלגלים מתוך ארבעה מחוברים למנוע – כמו במכונית – פרטית.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

4X4.ארבעה גלגלים מתוך ארבעה מחוברים למנוע – כמו בג'יפ – למעשה כמות המנועים כאן לא חשובה, יכול להיות רק מנוע אחד

או שתיים, חשוב כמה גלגלים מחוברים ישירות למנוע.

– או מהירות סיבובית היא גודל המבטא את מהירותמהירות זוויתית הסיבוב של גוף. כאשר גוף שאינו נקודתי )כמו גלגל( מסתובב במרחב על ציר

. על מנת להגדיר את מהירותהמהירות של כל נקודה בגוף שונהסיבוב כלשהו, שעובר הקו המחבר נקודה בגוף עם צירזוויתהסיבוב של הגוף נסתכל על ה

הסיבוב ביחידת זמן, וזו המהירות הזוויתית..בפיזיקה חישובית – מהירות זוותיות נמדדת ברדיאן לשניה

מכיוון שאין לנו צורך לרדת לרזולוציה זו בתכנון ובניה של , נדבר על מושג משלים שנקרא סיבובים לדקהVEXרובוטי

(.RPM)סל"ד או סל"ד הוא כמות הסיבובים שמשלים הגלגל או הציר תוך

סל"ד בממוצע.100 מנוע מסתובב ב VEXדקה, במנועי )נשתמש בממוצע כי תחת עומס למדנו שהמהירות יורדת(.

מתוך ידיעת סל"ד, פשוט לחשב את המהירות- מוסבר בהשך.

– מרחק שעוברים בזמן נתון.מהירות .חישוב מהירות מתוך סל"ד

o ,קודם צריך לדעת את היקף הגלגלP=2 πRזהו גם , המרחק הקרקעי אותו עובר הגלגל תוך סיבוב בודד. למשל רדיוס של שני ס"מ יתן לנו היקף )וגם מרחק(

ס"מ.12.56של o סיבובים לדקה.100נשתמש בנתון הממוצע של o.נמיר ליחידות נוחות לנו, למשל לשניותo:נקבל

12 .56 cmסיבובים ¿1

X סיבוב ¿1001¿דקה

X דקה ¿1שניות ¿60

=20 .93 cmשניה ¿1

=20 . 93 cm /s ¿¿¿¿¿¿

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

– קצב שינוי במהירות של גוף כלשהו. כאשר מהירות הגוך יורדת,תאוצה ברור כי על המתכנןF=maכלמר קצב השינוי שלילי, זו תאוטה. לפי

להתחשב במסת הגוף ובתאוצה הנדרשת כדי לדעת כמה כוח עליו להפעיל כדי לעמוד בדרישה. במקרה של שיגור טיל לחלל, בידיעת המסה

שלו והתאוצה הדרושה )כדי להתגבר על כבידת כדור הארץ(, נדרשלהפעיל כוח דחף מתאים.

Protobot בניית בשלב זה יעבדו התלמידים עם ערכותVEXוכלי עבודה. וודא כי לכל הקבוצות יש

את הציוד הנדרש.חלק את דפי העבודה או הנחה להעלות אותם על מסגי המחשבים האישיים. בטרם

תחילת העבודה הסבר כי רובוט זה יהווה את פלטפורמת ההתנסות שלנו לחלקהראשון של הקורס.

רצוי כי בסוף הזמן יהיה לכל קבוצה מרכבProtobot)בסיסי. )בתמונה

3:שיעור מס'

: פיזיקה ורובוטיקה נושא

: מטרות .חוייה לימודית, מהנה וייחודית . חזרה על מושגים פיזיקליים.יצירת תשתית ידע ביסודות עולם הרובוטיקה.הכרות עם מאפייני מכאניקה ופיזיקה לתכנון רובוטי בניית מרכבProtobot. המשך הרכות עם תוכנתEasyC .

: בתום פרק זה התלמיד.ייזכר במושגים פיזיקליים רלוונטיים.יזהה מכלולים מכניים חדשים מעולם הרובוטיקה.יבחין בין שלושה תחומי ידע נדרשים להבנת פעולת הרובוט.יזהה את הקשרים בין כל המושגים.יפרט את המושגים ואת הדרישות בכל נושא – יבצע וישלים בעבודה מעשית

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

o עבודה עם סרוו בעזרתTestbed.o בנייתProtobot.המשך מרכב ובקר – o.התנסות בשיטות ניהוג שונות

דקות: 120: משך שיעור -דקות עיוני.60כ -דקות מעשי.60כ

:פירוט נושאי הדרכה ותכנון זמנים

הערותזמן מוקצבנושאעיוני דקות35כח ופעולה

עבודה עם סרוו בעזרתTestbed

עיוני דקות20

עיוני דקות15מבנה ושרידות – מרכבProtobotבניית ובקר

מעשי דקות 15

מעשי דקות35 - התנסות4X4 ו 4X2הנעה

בהנחייה4: חלק עיוני – פרונטלי, חלק מעשי - עבודה בקבוצות של אופן הדרכהצמודה.

: תכני תיק מדריך.חומר עזר למדריך

: נספח ב'- הוראות הרכבה.חומר עזר לתלמיד

: רשימת אמצעי הדרכהחלק פרונטלי – לוח, אמצעי כתיבה, מחשב עם חיבור אינטרנט, מצגת

הדרכה ומקרן. חלק מעשי – ערכותVEXכמספר הקבוצות, מחשבי מעבדה, גבישי שליטה

וסוללות.VEXכמספר הקבוצות ,ערכות תקשורת מחשב-

2פיזיקה ורובוטיקה הנחיות למדריך – עבוד עם המצגת ועם דף תוכן זה, סקור את הנושאים שנמצאים

במצגת בראשי פרקים ומורחבים כאן. יש לתת דוגמאות כשעולה הצורך. רצוילהתעכב פחות על נושאים אשר מורחב עליהם בהמשך.

... עירור עניין

כוח ופעולההראה תחילה את התרשים הראשי וציין את הנושאים העיקריים בהם נעסוק כדי

להתחיל להבין את אופן פעולת הרובוטים. המידע והמושגים בכל נושא מסודרים בצורה של שכבות כך שהתלמידים לא יאבדו את ההקשר לאורך השיעור וניתן יהיה

לבנות את הידע בצורה הדרגתית.

מרכז הכובד ויציבות

זרוע

מנוף

המרה ביןתנועות

סרוו

רגישות ומגע

סוגי זרועות

יכולת מניפולציה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

עבור קודם על הנושאים בשלושת העמודות )מומלץ להתחיל משמאל( ורק בסוף על יכולות המניפולציה )שהם פועל יוצא של כל השאר(.

מומלץ לחזור אל התרשים לעיתים קרובות ואף להדפיס )נספח.... ( ולחלק את הדףכדי להקל על מעקב התלמידים אחר מהלך השיעור.

מרכז המסה של אוסף מכלולים. זו נקודה במרחב שמסתמרכז הכובד – המערכת כולה מתנהגת כאילו היא מרוכזת בה. מקומו של מרכז המסה הוא

פונקציה של המיקום והמסה של כל המכלולים המרכיבים את המערכת. פרמטרחשוב הוא גובהו שלמרכז כובד וזהו פרמטר שקשור מאוד ליציבות.

– משטח הנוצר מחיבור כל נקודות המגע של הרובוט עםמשטח תמיכההקרקע.

– מיקום מרכז הכובד ביחס למשטח תמיכה. כלל פשוט ליציבותיציבות הרובוט: יש לדאוג כי מרכז הכובד יהיה בתוך גבולות משטח התמיכה, כמה

שיותר נמוך. כך נמנע אי-יציבות ונקטין את הנטיה דל הרובוט להתהפך. במציאות, תנועת המערכת/רובוט ופני השטח המשתנים יוצרים מצבים מורכבים

יותר שיש להתחשב בהם. – מאפיין קשיחות הזרוע מדבר על תכנון נכון שלה, בהתאםזרוע

לעומסים הצפויים עליה והרכבת תומכות בקרה הצורך.

- מנוף הוא גוף קשיח שאורכו מקל על הפעלת כוח על עצם,מנוף באמצעות הגדלת המומנט. המנוף הוא אחת מן המכונות הפשוטות הקלאסיות,

ומסייע לבצע עבודה, דרך הקטנת הכוח הנדרש, על חשבון הארכת ההעתק

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

שהכוח פועל לאורכו. זרוע ארוכה במנוף תקטין את הכוח הנדרש לביצועהעבודה.

להסבר10-15להדגמת זרוע ומנוף קיים קישור במצגת. הפעל והראה שקופיות

/http://www.education.rec.ri.cmu.edu/roboticscurriculum/vex_onlineמפורט יותר. lessons/mechanics/torque/mechanics_torque.html

– לעיתים קרובות נדרשת המרה של תנועה סיבוביתהמרה בין תנועות מעלות(.90לתנועה קווית או שינוי כיוון ציר הסיבוב )למשל סיבוב ציר הסיבוב ב

המרות אלו מאפשרות גמישות רבה בתנועות הרובוט ומגבירות את יכלותיוהמוטוריות.

, ממיר אנרגיה חשמליתDC – התקן הדומה באופן פעולתו למנוע סרוו

מעלות באופן360לאנרגיה סיבובית. הבדל מהותי הוא שהציר אינו מסתובב טווח זהVEXמחזורי אלא הסיבוב מוגבל לטווח זויות שנקבעו מראש. בערכת

מעלות.120הוא כ 0שליטה על זווית מדוייקת – רמת המתח ביןv 5 לv

) תקבע את הזווית255 ל0)שמתורגמת לערכים בין מעלות.120 מעלות ל 0המדוייקת אליה יגיע הסרוו בין

התקני סרוו יעילית ביותר בתפעולים עדינים בהם יש מהלך תנוע קצר, דו-כיווני ולא מחזורי. למשל תנועת זרועה או

סגירת דלת.

–נדרש כי הרכבת קצה הזרוע )מניפולטור( תהיה בהתאםרגישות ומגע למשימה. ברור שקצה זרוע רובוט שאוסף כוסות זכוכית תהיה מורכבת מחומרים

שונים מאשר זרוע רובוט מפרק פצצות אף כי שניהם נדרשים לרגישות. עוצמתהמגע או האחיזה, גם היא פרמטר חשוב שיש לאפיין אותו בהתאם למשימה.

- קיימים המון סוגים וכל זרוע ייחודית במאפיינים שלה.סוגי זרועותנראה בקצרה מספר דוגמאות מעניינות.

– היכולת של הרובוט לפעול במרחב, לבוא במגע עםיכולת מניפולציה חפצים, להשתמש בהם, לפרק ולהרכיב אותם. יכולת זו היא פועל יוצא של כל

האמור לעיל.

משקל ומיגון

עמידותופגיעות

צריכתאנרגיה

שרידות

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

Testbed עבודה עם סרוו בעזרת בשלב זה יעבדו התלמידים עם מחשבים, תוכנתEasyCגבישי שליטה שונים לכל ,

. וודא כי לכל הקבוצות יש את הציוד הנדרש.VEXקבוצה וערכת חיבור מחשב-מטרת התרגיל להדגים את פעולת הסרוו, את חשיבות השימוש בו ולתרגל שליטה

EasyCבו בעזרת היעזר מצגת והצג את טווח ערכי הסרוו, מבנה פקודות שליטה בEasyCוהישג

נדרש. תן דגש על עבודה בטיחותית, זהירה ועדינה. אין להפעיל כוח בזמן ההרכבה. וודא

כי כל הקבוצות סיימו להרכיב את הפלטפורמה.

מבנה ושרידותהראה תחילה את התרשים הראשי וציין את הנושאים העיקריים בהם נעסוק כדי

להתחיל להבין את אופן פעולת הרובוטים. המידע והמושגים בכל נושא מסודרים בצורה של שכבות כך שהתלמידים לא יאבדו את ההקשר לאורך השיעור וניתן יהיה

לבנות את הידע בצורה הדרגתית.עבור על הנושאים בעמודה ורק בסוף על מושג השרידות )שהוא פועל יוצא של כל

השאר(.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

– בחירת חומרים מהם מורכב תקבע את משקל הרובוט.משקל ומיגון למאפיין זה השפעה ניכרת על קלות תנועה,מהירות, אוטונומיות ועבירות )היכולת לעבור או להיחלץ מתנאי שטח קשים(. בחלל ובמים חומרים אלו

אמורים בנוסף להגן על הרובוט בפני סביבתו. – היכולת של הרובוט לתפקד לאורך זמן ללא בלאיעמידות ופגיעות

למרכיבים ולספוג מכות, טלוטלים, לכלוך או מים. לפעמים בכלי לחימה זוהיכולת לספוג אחוזי נזק ועדיין לתפקד.

– אוטונומיות של הרובוט, לרוב משמעותה שהוא נושאצריכת אנרגיה את מקור האנרגיה כל גבו ובמקרים מסויימים גם את המכשיר להפקה של

אנרגיה זו. )פנל סולארי(. ( בין זמן פעולה ארוך ככל הניתן –tradeoffבצריכת אנגיה יש שקלול תמורות )

צריכה נמוכה, לבין עוצמה וכוח נדרשים – צריכה גבוהה.

– מונח שמאחד את כל המושגים לעיל ובעצם קובע את זמן חייושרידות של הרובוט, את סיכוייו להשלים את המשימה ואת יכולתו לשוב חזרה שלם אם

נדרש.

Protobot בניית .קבוצות זהו המשך בנייה של המרכב לקבוצות שלא הספיקו בשיעור קודם

מתקדמות ימשיכו להתנסות הבאה. בשלב זה יעבדו התלמידים עם ערכותVEXוכלי עבודה. וודא כי לכל הקבוצות יש

את הציוד הנדרש.חלק את דפי העבודה או הנחה להעלות אותם על מסגי המחשבים האישיים. בטרם

תחילת העבודה הסבר כי רובוט זה יהווה את פלטפורמת ההתנסות שלנו לחלקהראשון של הקורס.

בסוף הזמן יהיה לכל קבוצה מרכבProtobot .בסיסי דקות. 15 הקצב לכך

התנסות בשיטות ניהוג שונות

בשלב זה יעבדו התלמידים עם ערכותVEXוכלי עבודה. וודא כי לכל הקבוצות יש את הציוד הנדרש.

שיטת הנעה בProtobot 2 הקיים היאX4הנחה את התלמידים לפתוח את התוכנה . שהוכנה בפרק מבוא לרובוטיקה, וודא כי התלמידים זוכרים את המבנה ואת הקוד

וחזור בקצרה במקרה הצורך. הנחה לצרוב את התוכנה.:לאחר התנסות קצרה בניהוג הרובוטים בכיתה, הגדר לתלמידים עבודה עצמאית

לכל גלגל(, לשנות את התוכנה בהתאם )סה"כ בלוק אחד1 מנועים )4לחבר שמשתנה(, לצרוב ולהפעיל.

דקות. 35 הקצב לכך

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

סיכום

.החזר את התלמידים למקומות.עבור על ראשי פרקים שנלמדו בשיעור זההדגש את ההישגים והכישורים החדשים איתם יוצאים התלמידים מהשיעור )בהתאם

לדף מבוא(..בצע חיסול וניפגש בשיעור הבא

4: שיעור מס'

: חיישנים נושא

: מטרות .חוויה לימודית, מהנה וייחודית.היכרות עם עולם החיישנים.הקניית יכולת לזהות צרכי חישה במערכת.הכרות עם סוגים שונים של חיישנים עבודה עם ערכתVEX ו EasyC.שילוב חיישנים ,

: בתום פרק זה התלמיד .יבין מושגי היסוד מעולם החיישנים.יזהה מערכות חישה בסיסיות .יבחין בצרכים מערכתיים לשימוש בחיישנים.יגדיר דרישות חישה ויתאימן לייעוד הנבחר – יבצע וישלים בעבודה מעשית

o.התנסות בקוד לקריאת מידע מחיישניםo.התנסות בכתיבת קודo .תחילת בניית פלטפורמת רובוט לתחרות

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

דקות: 120: משך שיעור -דקות עיוני.60כ -דקות מעשי.60כ

:פירוט נושאי הדרכה ותכנון זמנים

הערותזמן מוקצבנושאעיוני דקות5מושגי יסוד - חיישנים

עיוני דקות10אותותעיוני דקותVEX5אנלוגי ודיגיטלי ב

עיוני דקותVEX30-40סוגי חיישנים עיוני דקות10חיישנים נוספיםמעשי דקות30-40קוד לכל חיישן

מעשייתר הזמןעבודה על הפלטפורמה

בהנחיה4: חלק עיוני – פרונטאלי, חלק מעשי - עבודה בקבוצות של אופן הדרכהצמודה.

: תכני תיק מדריך.חומר עזר למדריך: חומר עזר לתלמיד

: רשימת אמצעי הדרכהחלק פרונטאלי – לוח, אמצעי כתיבה, מחשב עם חיבור אינטרנט, מצגת

הדרכה ומקרן. חלק מעשי – ערכותVEXכמספר הקבוצות, מחשבי מעבדה, גבישי שליטה

וסוללות.VEXכמספר הקבוצות ,ערכות תקשורת מחשב-

חיישניםהנחיות למדריך – עבוד עם המצגת ועם דף תוכן זה, סקור את הנושאים שנמצאים

במצגת בראשי פרקים ומורחבים כאן. יש לתת דוגמאות כשעולה הצורך. רצוילהתעכב פחות על נושאים אשר מורחב עליהם בהמשך.

ערור עניין – שאל את התלמידים מהם החיישנים הראשונים שהיו? הכוונה כמובן לחושים הבסיסיים של כל אדם: ראייה, מישוש, טעם, ריח, שמיעה. שאל מה מטרת

החיישנים הללו )עיניים, אוזניים, אף, לשון ואצבעות(. מה היינו עושים בלעדיהם? פתח דיון קצר בנושא. לסיום, שאל אילו חיישנים היו רוצים התלמידים שיתווספו

להם בתור חוש שישי... שים דגש על הבדל בין חוש לבין יכולת מסוימת, שלא יבקשוחוש תעופה שמקנה היכולת לעוף...

חיישנים – מושגי יסוד

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

היכולת לקלוט מידע תחושתי מהסביבה או מהגוף ולהמירו- חישה.יוכל לעבד אותו כדי שהבקר - לקוד מכאנית או לתנועה פיסיקליים הממיר ערכים מתמר   -חיישן

למערכות אחרות )לעתים מידע או העברת מדידה, בקרה לשם לאותות מכונה גלאי או מד(. בעבר רוב החיישנים היו מכאניים. היום בדרך כלל

הכוונה היא למכשיר שחש תכונה בעולם הפיזי-מוחשי וממיר אותה לאותחשמלי או אלקטרוני.

- חיישן המכיל רכיב משתנה. למשל ברומטר )מד לחץ(, שםחיישן מכני משתנה מפלס הכספית כתלות בלחץ. דוגמא נוספת ומוכרת יותר הינה

כפתור מסתובב )לקביעת עצמת שמע( המורכב מפוטנציומטר )נגדמשתנה(.

– חיישן אשר מודד אנרגיה/ערך פיסיקלי קיים. לדוגמא:חיישן פאסיביחיישן טמפרטורה.

– חיישן אשר פולט אנרגיה וקולט את ההחזר שלה.חיישן אקטיבילדוגמא: מכ"ם, גלאי על-קולי.

אותות

- זהו אות רציף )ללא הגבלת הכלליות, עד כמה שניתן לדבראות אנלוגי על רציפות בטבע(. למשל: טמפרטורה, זמן, אור, קול, מהירות, תאוצה,

מיקום. למעשה, כל ערך פיסיקלי הינו אות אנלוגי. אות אנלוגי מכיל כמותאינסופית של ערכים.

– זהו אות בדיד, המורכב מכמות סופית שלאות דיגיטלי )ספרתי( ערכים. עבור אות דיגיטלי תמיד קיים מרווח ידוע בין שני ערכים. למשל:שעון דיגיטלי – המרווח הכי קטן שנמדד בין שני ערכים הינו שנייה אחת.

- כאמור, האותות בטבע הינם אנלוגיים. באמצעות חיישנים, אנוהרחבה יכולים למדוד ולהציג אותות אלו בשני אופנים, אנלוגי ודיגיטלי. במעבר

מאנלוגי לדיגיטלי אנו מפסידים רזולוציה, ועוברים לכמות ערכים סופית. לכל חיישן יש מנגנון מדידה, אשר מודד את הערך הפיסיקלי בצורה

אנלוגית או דיגיטלית, ומנגנון תצוגה, אשר מציג את הערך באחת משתיהאפשרויות.

דוגמאות: זמן: ניתן להציג זמן בעזרת שעון אנלוגי, אשר המחוג נע באופן רציף,-

ולא ניתן למדוד את המרווח המינימלי בין הזמנים שהוא מייצג.שעון שכזה מציג את כל טווח הזמנים הקיים. לעומת זאת, בשעון דיגיטלי,

אנו יכולים לדעת את הזמן בדיוק של שניות )ניתן גם בדיוק קטן יותר(, אך יש גבול לרמת הדיוק והמרווח בין ערכים אותו אנו יכולים להציג.

מבחינת מדידת הזמן, קיימים שני סוגי המנגנונים. 100 קמ"ש לנסיעה ב 10מהירות: רכב אינו יכול לעבור מנסיעה ב -

)אות רציף,10-100קמ"ש, בלי לעבור בדרך על כל הסקאלה שבין אנלוגי(. באשר לתצוגת המהירות, קיימים רכבים בהם ישנו מחוג רציף,

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

העובר על כל טווח המהירויות הקיימות בסקאלה, אך גם כאלו שם יש ,77.7תצוגה דיגיטלית המראה ערכים שלמים בלבד. את הערך

למשל, לא נוכל לראות בתצוגה הדיגיטלית. כיוון עצמת שמע – ניתן לבצע באופן אנלוגי, ע"י סיבוב הכפתור-

העגול. זהו למעשה פוטנציומטר, רציף. לעומת זאת, ניתן במערכותאחרות לקבוע ערך מדויק ע"י כפתורי עוצמה.

באותו אופן, כיוון תדר קליטה ברדיו.- דוגמאות רבות נוספות קיימות בכל תחומי החיים, כגון מד-חום, מד-

תאוצה ועוד. נשאלת השאלה, מתי כדאי לבצע את המעבר מאנלוגי לדיגיטלי? כיצד יותר קל

למדוד? מה נעדיף בתור תצוגה? מהם הפרמטרים החשובים לנו )נוחות, דיוק(?האם הם באים זה על חשבון זה? בצע דיון בכיתה.

- ממירים:הרחבה

– דגימת האות הרציף במרווח קבוע. ככלממיר אנלוגי לדיגיטלי שדוגמים יותר פעמים במרווחים יותר קטנים, האות הדגום הדיגיטלי יהיה

דומה יותר לאות המקורי האנלוגי. – השלמת הרווחים בין הערכים הבדידים בצורהממיר דיגיטלי לאנלוגי

מוגדרת מראש לקבלת גרף/ערכים רציפים של האות..יש להיכנס לנושא זה בדחילו. ניתן להרחבה

VEX אנלוגי ודיגיטלי ב- בחלק זה להציג גרפים מתוךPDF.מקושר

שפות אלקטרוניות עיקריות: אנלוגי2כפי שכבר ראינו,עבור חיישנים, ישנן ודיגיטלי. חיישנים אנלוגיים מתקשרים עם המיקרו-בקר ע"י שליחת מתח חשמלי

באמצעות כבל. ע"י מדידת ערך המתח, ומיקומו בין אפס למתח מקסימאלי אפשרי, המיקרו-בקר מסוגל לפענח את המתח לערך מספרי, לצורך ביצוע

תהליך כלשהו. יכולים לזהות ולשדר כל ערך בטווח מסוים שלחיישנים אנלוגיים

ומתח מקסימאלי(. חיישן אור,0מספרים )הטווח נקבע, כאמור, ע"י מתח ' עבור0למשל, יכול לשדר עד כמה בהיר האור הנמדד ע"י שליחת מתח '

חושך מוחלט, שליחת מתח מקסימום עבור אור מאוד בהיר, וכל ערך ביניים אחר עבור עוצמת בהירות אור כלשהי, כתלות בבהירות. אחד

החסרונות הבולטים של חישן אנלוגי הוא הקושי לשמר ולשדר ערך קבוע של מתח על גבי חוט במעגל חשמלי "חי". חיישנים דיגיטליים,לעומת זאת, יכולים לשלוח אותות באמינות גבוהה, אפילו בתנאי רעש המפריע למעגל.

החיסרון של החיישנים הדיגיטליים הינו שהם עושים זאת בהקריבם את

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

היכולת לאבחן את כלל טווח הערכים. לאות דיגיטלי שני ערכים בלבד:'.0' או '1גבוה או נמוך, '

שולחים מתח, כמו האנלוגיים, אך בניגוד אליהם,חיישנים דיגיטליים במקום לשלוח מתח בין אפס למקסימום, ישלחו רק אפס או מקסימום.

אם המיקרו בקר מזהה ערך שנמצא מעל ערך נמוך מוגדר, או מתחת לערך גבוה מוגדר, אזי התוצאה לא תהיה מוגדרת, יכולה להתפרש כגבוה או נמוך. במחשבה ראשונה, נראה כי זהו הפסד גדול, להתייחס רק לשני

ערכים, גבוה או נמוך. אף על פי כן, במחשבה שנייה, ניתן לגלות שבמצבים מסוימים זו האופציה העדיפה. למשל: חיישן המודד מגע.

מספיקים לו שני ערכים, האחד יסמל מגע, והשני אין מגע.

- התחום האנלוגי מציג ערכי שחור, לבן ואפור. התחום הדיגיטלי,דוגמא לעומת זאת, מציג שחור או לבן בלבד. אין תחום אפור. ניתן לתאר זאת

כבית הלל ובית שמאי...

VEX חיישנים בערכת .בחלק זה הצג תמונות וגרפים המסבירים פעולת כל חיישן.עבור כל חיישן שאל – מהם שימושיו? ואח"כ הסבר

– משדר אות דיגיטלי. המפסק הינו רכיב פיסיקלי. מסוגלמפסק גבול לומר לרובוט אם הזרוע של החיישן נלחצת כלפי מטה או לא. כאשר

'1 נלחצת כלפי מטה, נשמר ערך דיגיטלי גבוה 'לאהזרוע של החיישן ביציאה המתאימה לחיישן. ערך זה מגיע מהמיקרו בקר. כאשר כוח חיצוני)כמו התנגשות בקיר( מפעיל לחץ על הזרוע, האות משתנה לערך נמוך, '

' דיגיטלי. שינוי האות נעשה ע"י הלחיצה, שמקצרת את החוט0 ל"אדמה", וכך נוצר מתח נמוך. האות יישאר נמוך כל עוד הזרוע לחוצה.

שימושים: הגבלת טווח פעולה של זרוע ועוד.

– משדר אות דיגיטלי. המפסק הינו רכיב פיסיקלי.מפסק גבול פגוש מסוגל לומר לרובוט אם המפסק בקדמת הרובוט נלחץ או לא. כאשר

' ביציאה המתאימה1 נלחץ, נשמר ערך דיגיטלי גבוה 'לאהמפסק לחיישן. ערך זה מגיע מהמיקרו בקר. כאשר כוח חיצוני )כמו התנגשות

' דיגיטלי.0בקיר( מפעיל לחץ על הזרוע, האות משתנה לערך נמוך, ' שינוי האות נעשה ע"י הלחיצה, שמקצרת את החוט ל"אדמה", וכך נוצר

מתח נמוך. האות יישאר נמוך כל עוד הזרוע לחוצה.שימושים: עצירה במקרה של פגיעה באובייקט ועוד.

אינפראLED – חיישן מעקב קו מורכב מחיישן אינפרא אדום ו מעקב קו אדום. החיישן עובד על בסיס הארת משטח באור אינפרא אדום, וקליטת

הקרינה החוזרת מהמשטח. בהתחשב בעוצמת הקרינה המוחזרת, נמדדת

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

מידת הרפלקטיביות )החזרת אור ממשטח(. משטח מואר/בהיר יחזיר יותר אור ממשטח כהה/חשוך, ולכן יופיע כבהיר יותר עבור החיישן. החיישן

מאפשר לרובוט לגלות פס כהה על משטח בהיר ולהיפך. שימושים: הרובוט יכול לנווט בתוך דרך מסומנת, או בכל דרך אחרת

המתאפיינת ע"י ניגודיות צבעים. וולט(,0-5זהו חיישן אנלוגי, משמע מכסה טווח ערכים רציף ונרחב )

וולט5 ל0 וולט בלבד(. טווח הערכים בין 5 או 0בניגוד לחיישן דיגיטלי ) . במקרה255 ל 0נשלח למיקרו בקר, אשר קורא אותו כערך מספרי בין

0הספציפי של חיישן זה, הערך אותו יקרא המיקרו-בקר יהיה בסביבות עבור משטח255עבור משטח בהיר מאוד שמחזיר הרבה אור, ובסביבות

כהה שלא מחזיר הרבה אור. אינץ'.0.25רוחב פס מינימאלי:

שימוש מתקדם אפשרי: ניווט על מסלול בהיר בתוך משטח כהה. ניתן חיישנים בקדמת הרובוט. החיישן האמצעי צריך לזהות תמיד3למקם

"בהיר", והשניים הקיצוניים יזהו תמיד "כהה". אם אחד החיישנים הקיצוניים מזהה "בהיר", אזי הרובוט יסטה לכיוון הזיהוי, עד להשבת

המצב הרצוי.

– חיישן אנלוגי. הפוטנציומטר משמשחיישן סיבוב )פוטנציומטר( למדידת זווית של ציר או מוט העובר במרכזו. מרכז הפוטנציומטר יכול

למיקרו0-1023 מעלות, ומציג ערכי יציאה בין 265להסתובב בערך בקר. כשמונח על זרוע, למשל, הפוטנציומטר יכול לספק מידע מדויק

לגבי המיקום הזוויתי של הזרוע. כידוע משיעור פיסיקה , אופן הפעולה של הנגד המשתנה הינו מדידת הזרם והתאמתו לערך יציאה כלשהו, לפי

טווח מוגדר מראש. במקרה זה, טווח הזווית.

– מקודד זה משמש בד"כ לחישת מיקום ותנועה.מקודד אופטי לציר LEDבבסיסו, דיסק עם תבנית מחוררת בהיקפה, אשר ממוקמת בין נורת

נחסם בתבניתLEDובין גלאי אור. כאשר הדיסק מסתובב, האור מה קבועה. דפוס זה משמש לקביעת המרחק עבורו הסתובב הדיסק. לכן, במידה והדיסק מחובר לגלגל של רובוט, ניתן לחשב את המרחק שעבר

הגלגל, בהסתמך עם היקפו של הדיסק ומספר הסיבובים )הקפות מלאות( שהוא עשה. החיישן הנ"ל משתמש בחיישן אינפרא אדום ונורת

LEDאינפרא אדומה, לזהות הארה דרך החתכים בדיסק. מגיאומטריה 2 פעמים הקוטר, דהיינו πפשוטה אנו יודעים כי היקף המעגל הינו πR.

מכאן, שהמרחק אותו עבר הגלגל הינו היקף הגלגל כפול מספר ההקפות. ע"י ידיעת כמות החורים בדיסק, אנו יכולים לדעת כמה הקפות

עשה הגלגל, בהתבסס על כמות הפעמים שגלאי האור זיהה הארהמהנורה.

' )גבוה(. עבור אור1' )נמוך( או '0זהו חיישן דיגיטלי, כלומר מניב ערכי ' ', ועבור זיהוי של הארה יתקבל1אינפרא אדום חסום יתקבל מתח גבוה, '

'.0מתח נמוך, '

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

– זהו שדרוג משופר של המקודד הקודם. לא נרחיבמקודד ריבועי לציר יתר על המידה, אך נציין כי יתרונו העיקרי הינו יכולתו להבחין בכיוון

הסיבוב ולהחזיר ערך דיגיטלי זה למיקרו-בקר.

– באמצעות חיישן אור, ניתן להוסיף תחום שלם שלחיישן אור/אופטי יכולות לרובוט. ניתן לתכנן רובוט שעוקב אחרי אלומה של פנס, או

לאפשר לרובוט להימנע מלהיתקע תחת רהיטים )שם חשוך(, חסכון בחשמל וסוללות ע"י תכנונו להיכבות בחשיכה ואפילו לאפשר לרובוט זיהוי צבעים ע"י שימוש במסנני צבע שונים עבור חיישני אור שונים. חיישן האור

משתמש בעין אלקטרונית מוליכה הבנויה מהיסוד הכימי קדמיום סולפוסולניד. העין הזו הינה בעצם נגד-אור, פוטורסיסטור, אשר ערכו

משתנה בהתאם לכמות האור שהוא מקבל. וולט, אשר0-5זהו חיישן אנלוגי, לכן יציאותיו מכסות ערכים בין

. במקרה זה, ערך נמוך0-255מתורגמות למיקרו בקר כטווח ערכים בין מעיד על אור בהיר מאוד, לעומת ערך גבוה שמעיד על אור כהה וחושך.

מטרים. חיישן זה שימושי0-1.83טווח זיהוי אפקטיבי של חיישן זה הינו לאור נראה בלבד, ולא יגיב לאור אינפרא אדום או אולטרא סגול.

שימוש אפשרי: בעזרת שני חיישנים בקדמת הרובוט, ניתן לעקוב אחרי אור בהיר ע"י מתן פקודות להתקדם לכיוון האור הבהיר )לצד שבו החיישן

מזהה ערך נמוך( ולהתרחק מהאור הכהה )מהצד שבו יש זיהוי של ערךגבוה(.

– הכוונה באולטרא סוני היאחיישן מרחק )"אולטרה סוני", על-קולי( לקול בעל תדר גבוה, מעבר לתדר השמיעה האנושי. "סונאר", טכנולוגיה

לניווט וגילוי, היא יישום של צליל על-קולי, אשר משתמשת בהתפשטות של הצלילים בעלי התדר הגבוה להבחין ולזהות מכשולים. לסונאר

שימושים רבים, מצוללות המתחמקות ממכשולים תת-מימיים ועד עטלפיםהמחפשים מזון.

החיישן העל-קולי מגדיר את המרחק למשטח משתקף ע"י פליטת צליל על-קולי בתדר גבוה ומדידת הזמן שלוקח לגלאי לזהות את ההד שחוזר

מטרים.0.03-3מאותו משטח. טווח הפעולה: למעשה, החיישן העל-קולי מכיל שני חלקים: פולט, אשר מייצר גל קול

, וגלאי, שמזהה באותו תדר ושולח אות חשמלי40KHZבתדר למיקרו-בקר. בכדי להגדיר מרחק מאובייקט, ישנו הכרח להגדיר מונה זמן בקוד המיקרו-בקר, למדידת הזמן בו מוחזר ההד. מדידת המרחק:

בטמפרטורת החדר ובגובה פני הים, יחושב המרחק ע"י הזמן הנמדד מטר לשנייה.172.1מוכפל ב

)לגילוי להבה( – חיישן אינפרא אדום מגלה פליטתחיישן אינפרא אדום חום. חום זה עשוי להיפלט מנר, שמש או מקור אור זוהר. החיישן הינו

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

למיקרו-בקר אשר מציין את מידת0-1023אנלוגי, שולח ערך מספרי בין החום הנפלט.

– אינפרא אדום הינה קרינה בלתי נראית,}קצת על אינפרא אדום בחלק של הספקטרום האלקטרומגנטי המאופיין ע"י אורכי גל ארוכים

מאלה של אור אדום נראה, וקצרים מגלי מיקרו וגלי רדיו. החום שנו מרגישים ממקור אור לוהט )נורה, גחל לוהט( מגיע מקרני אינפרא אדום.

משמעות השם היא "מתחת לאדום", מלטינית, וזאת מכיוון שאדום הוא אורך הגל הארוך ביותר של תחום האור הנראה. טווח האורכים של

{מילימטר. 1 ננו-מטר ל- 750אינפרא אדום הינו בין ננו מטר.940 מגיע לשיא רגישות עבור VEXחיישן אינפרא אדום של

– חיישן הצלילים מזהה את התדר הדומיננטי בצלילחיישן טון צליל

ומחזיר ערך מספרי המייצג תדר זה. חיישן זה מגיב טוב במיוחד לטוניםטהורים, כגון שריקה. – קול הוא תנודה באוויר. תנודה זו נעה כגל של}קצת על טון צליל

לחץ באוויר. אמפליטודת הגל הינה עוצמת הקול. תדר התנודה הינו טון הצליל. רוב הצלילים הינם שילוב של תדרים רבים בעוצמות שונות. החיישן שלנו אינו יכול למיין את הצליל לתדרים מהם הוא מורכב, ולכן הוא מגיב

לתדר הממוצע. מכאן שיגיב טוב יותר לצליל טהור, כגון צליל של חליל או קילוהרץ{.5 הרץ ל 100שריקה. תגובת התדר של החיישן נעה בין

– תאוצה הינה שינוי של המהירות. כשלוחצים עלחיישן שיפוע ותאוצה דוושת הגז ברכב, והרכב מגביר מהירות, זוהי תאוצה. חיישן זה מודד

תאוצה ע"י בחינת השפעתה על מסה קטנה. המסה מושפעת גם מכוח הכבידה, לכן ניתן לחשב גם שיפוע. מדידת השיפוע: כוח הכובד הינו

קבוע, וכיוונו כלפי מטה. החיישן רגיש מאוד לשיפועים, ועבור שיפוע אפסי . הערך יגדל או יפחת בהתאם לנטייה.500יישלח לבקר ערך בסביבות

מדידת תאוצה: רוב הרובוטים נעים במהירות קבועה. משתמע מכך שקיימת התפרצות של תאוצה, בתחילת תנועת הרובוט, ולאחר מכן אין

תאוצה כאשר הרובוט נע במהירות קבועה. החיישן מבצע אינטגרציה )מיצוע( על התאוצה המיידית לאורך הזמן. החיישן מבוסס על אלמנט

קיבולי.

– חיישן זה מזהה סטייה מהקוטב הצפוני.חיישן מצפן

, תיתכן הקבלה( VEX חיישנים כלליים נוספים )לא בערכת .בחלק זה ישנה סקירה שטחית יותר של סוגי חיישנים נפוצים ושימושם

- במקומות ציבוריים רבים קיימת דלת אוטומטיתחיישן גילוי אור הנפתחת ברגע שמתקרבים אליה בני אדם ונסגרת מיד אחרי שעוברים.

החיישן המגלה את התקרבות האדם והתרחקותו הוא חיישן אור המסוגל

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

לגלות שינויים בעוצמת האור המגיעה אליו. חיישנים אלו כוללים בדרך כלל את המערכת החשמלית / אלקטרונית המפיקה את המידע "אדם

בסמוך לדלת" או "אין אדם בסמוך לדלת". מערכת הבקרה האלקטרונית של הדלת מפעילה את מנגנון פתיחת הדלת כאשר יש אדם בכניסה

וסוגרת אותה זמן מה לאחר שהאדם אינו "נראה" על ידי החיישן. חיישן זה מפיק אות אנלוגי התלוי בעוצמת האור המגיעה אליו. על ידי שימוש בחיישן זה אנו יכולים לקבל, בעזרת מחשב כמובן, גרף המראה את השינויים בעוצמת האור. חיישנים מסוג דומה יכולים לשמש במנורה

הנדלקת ברדת החשכה )שימוש אפשרי אך לא כל כך מקובל בגלל מחירהחיישן(.

- זה סוג דומה של חיישן המבוסס על שבירת קרן אור.חיישן שבירת קרן החיישן שולח קרן אור, זו מוחזרת ממראה המותקנת ממול. אי החזרת

חיישן כזה יכול להיות מצד אור, או הופעת אור משנה את מוצא היחידה. אחד של סרט נע ואילו המראה מצדו השני. הופעת הקרן החוזרת יכולה,

למשל להפעיל את המסוע. הפסקת ההחזרה תעצור אותו. תהליך כזה כשהמוצרים מונחים על המסוע וזה נע  בדיוק מתבצע ליד קופה במרכול תהליך הפוך קורה במעלית. החיישן כאשר ליד הקופאית אין מוצרים.

נמצא בצד אחד של הדלת ואילו הראי נמצא בצדו השני. אי החזרת האור מראה שמשהוא נמצא בפתח ולכן דלת המעלית לא תיסגר. שימוש נוסף

למערכת כזאת היא לספירת מוצרים. המוצרים מועברים על סרט נע, בשורה אחת. כל אי החזרה מראה שמוצר אחד עבר ומתבצעת ספירה

על ידי קידום מונה.

- החיישן הוא למעשה נגד שהתנגדותו משתנת בהתאםחיישן עצמת אור לעוצמת האור הנופל עליו. אנו חייבים לשלב נגד זה במערכת אלקטרונית

כדי לזהות את המצבים השונים. דוגמא אופיינית לשימוש בחיישן זה היא בתאורה הנדלקת ברדת החשכה. בשימוש כזה המערכת פועלת בצורת

ON / OFFהפעלה וכיבוי(. מערכת משוכללת יותר תאפשר לנו להשתמש( בחיישן כזה לקבלת מידע מספרי על עוצמת התאורה לצורך כיוון נתוני

צילום במצלמה. בכל המצלמות האוטומטיות וכמובן בדיגיטאליות החיישן מובנה במצלמה. חיבור חיישן כזה למחשב עם תוכנה מתאימה ייתן לנו

גרף של עוצמת התאורה לאורך זמן. דיוק הגרף תלוי כמובן במספר הדגימות )קריאות( שניקח ביחידת זמן. ככל שניקח יותר דגימות הדיוק

יהיה גדול יותר. חיישן מאוד דומה משמש לגילוי קרניים אינפרא אדומות )IRחיישן כזה נמצא במערכות רבות לקליטת אות משלט רחוק. השלט .)

שולח אות אינפרא-אדום מקודד. החיישן קולט את האות ומערכת הבקרהמתרגמת אותו לאות אלקטרוני המוכר על ידי המכשיר.

- בשימוש יום יומי אנו משתמשים רבות בחישניחיישן טמפרטורה טמפרטורה לסוגיהם. למעשה כמעט כל מכשיר שמחמם או מקרר חייב

להיות בו חיישן טמפרטורה. ישנם מספר סוגים עקרוניים של חישני

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

-Biטמפרטורה. חלקם מבוססים על שיטה של שימוש בצמד תרמי )Metalאחרים מבוססים על רכיבים אלקטרוניים שמשנים את התנגדותם .)

בתלות בטמפרטורה, או מתח/זרם המוצא שלהם משתנה בתלות בטמפרטורה. סוג אחר מבוסס על צינור אטום הממולא בגז. התפשטות

או התכווצות הגז מפעילה חיישן לחץ כך שהמוצא יחסי לטמפרטורה. כמוכן ישנם חיישנים שניתנים לכיוון וחיישנים שאינם ניתנים לכיוון.

דוגמאות: במקררים, תנורי אפיה ובמכונות כביסה משתמשים בשיטת הצמד התרמי. שיטה זו מבוססת על כך שלכל מתכת יש מקדם התארכות שונה בתוצאה

משינוי בטמפרטורה. כאשר מחברים שתי מתכות בעלות מקדם שונה כתוצאה משינוי בטמפרטורה קצה הצמד זז ומשנה את מצבו של מפסק

חשמלי. בצורת פעולה זו ניתן לרוב לכוון את טמפרטורות ההפעלה והכיבוי הרצויות. שימושים נוספים בשיטה זו הם במגהץ ובהפעלת אורות

האיתות ברכב. שיטה של צינור ממולא בגז שימושית לרוב בטמפרטורה גבוהה.

משתמשים בה בעיקר בתנורי בישול ובדודים חשמליים לחימום מים. גםבשיטה זו ניתן לכוון את טמפרטורת ההפעלה והכיבוי.

חישני טמפרטורה האלקטרוניים דומים בעיקרון הפעולה לחישני עוצמת האור. אלה רכיבים שתכונותיהם החשמליות – התנגדות או מתח / זרם

מוצא - משתנות בתלות בטמפרטורה. המערכת האלקטרונית מזהה אתהשינוי ופועלת בהתאם.

החיישנים האלה שימושיים בהרבה מאוד מערכות ומחליפות למעשה חלק מהשיטות הישנות. נציין במיוחד רכיב מסוים. זה משמש כמפסק להגנה על מערכות. מרכיבים אותו על רכיב שמתחמם ובמידה והטמפרטורה

עולה על ערך מסוים הוא יכול לנתק את הרכיב )ולמנוע נזק( או שהוא יכול להפעיל אמצעי קירור. לדוגמא, רכיב כזה יכול להיות מותקן במכונית

וכאשר טמפרטורת המים במצנן גבוהה מידי הוא מפעיל את מנועהמאוורר.

השיטה של צמד תרמי מבוססת על תכונה פיסיקלית שבמתכות מסוימות בנקודת החיבור שלהם נוצר מתח שתלוי בטמפרטורה. שיטה זו מקובלת בעיקר בתנורים אך כיום היא נכנסת יותר ויותר לשימוש בתחומים שונים

של מדידת הטמפרטורה. זו שיטה מאוד נוחה וזולה יחסית אף שדרוש מתאם מיוחד. ניתן להשתמש במוליכים עצמם או לחברם לאביזרים שניתן

להצמידם למקום הרצוי.

- חיישן כזה משמש למדידת לחצים למיניהם, כמו למשל לחץחיישן לחץ / ONמים, שמן, גז דחוס וכדומה. חיישן הלחץ יכול משמש או כמפסק

OFFדיגיטלי( או להוציא מתח יחסי ללחץ )אנלוגי(. שימושיו של חיישן זה( הם כמובן בכל הקשור בנושאי לחץ. לדוגמא במכונית חיישן זה מחובר למערכת השמן וכאשר לחץ השמן יורד מתחת לרמה מסוימת החיישן

מפעיל נורת אזהרה.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

שימוש יום יומי נוסף בחיישן מסוג זה הוא במכונת כביסה. בשלבי הכביסה המסוימים נפתח ברז החשמלי ומאפשר למים להיכנס. בהתאם למפלס

המים החיישן מורה על סגירת הברז והמשך ביצוע הכביסה.

המודד את מכשיר מדידה הוא : ברומטרברומטרמימוש מפורסם הינו ה סטנדרטי מורכב כספית .ברומטר )בעברית: מד לחץ(לחץ האטמוספריה

ס"מ, שבצידו האחד הוא סגור ובסיסו76באורך של כ- זכוכית  מגליל מוביל למכל כספית פתוח. כשהלחץ האטמוספרי גבוה הוא מפעיל כוח

כלפי מטה על הכספית במכל הפתוח וגורם לכספית בגליל להגיע לנקודה גבוהה יותר. בצורה דומה, כשהלחץ האטמוספרי נמוך, עולה מפלס

הכספית במכל ומפלס הכספית בגליל יורד. אוונגליסטה על ידי 1643 ברומטר הכספית הראשון הומצא בשנת

. טוריצ'לי ניסה ליצור מכשיר המודדגלילאו גליליי , תלמידו שלטוריצ'לי מושלם. הוא הצליח ליצור את הריק ריק את לחץ האוויר על ידי יצירת

בגליל מלא כספית, והבחין כי מפלס הנוזל בגליל משתנה מעט בכל יום. טוריצ'לי הסיק כי שינוי זה נגרם כתוצאה משינוי הלחץ באטמוספרה. על

ידי סימון שנתות על גבי הגליל, ניתן למדוד את הלחץ האטמוספרי.מילימטר כספית ביחידות של

- חיישן מגנטי מגלה נוכחות של חפץ פרומגנטי או חפץחיישן מגנטי ממוגנט. החיישן מסוגל לגלות מתי רכיבים פרומגנטיים, או רכיבים לא

מתכתיים הנושאים חלק מתכתי נמצאים במקום מסוים. ניתן להשתמש בעקרון זה לדוגמא כאשר רוצים למדוד מהירות סיבוב של חלק. קובעים

על החלק המסתובב מגנט קטן, או בורג מתכתי ומתקינים בסמוך אליו חיישן מגנטי. בכל פעם שהציר ישלים סיבוב אחד, יפיק החיישן אות מוצא.

ספירת האותות שמפיק החיישן ביחידת זמן יאפשרו את חישוב מהירות הסיבוב. חיישנים מסוג זה משמשים גם במערכות פניאומאטיות

והידראוליות כדי לחוש את מצב הבוכנה. שימוש ביתי בחיישן כזה הוא במערכות אזעקה. מצמידים חיישן כזה למשקוף הדלת ובדלת קובעים

מגנט קטן. כאשר הדלת נפתחת החיישן מגלה שהמגנט הוזז ומפעיל את מערכת האזעקה. חישנים נוספים מתקינים בחלונות או בכל פתח אחר

של הבית. חיישן זה זול מאד, אמין מאד וניתן להסוות אותו בצורה כזושיהיה קשה לגלות את מקומו.

- חיישן זה דומה בפעולתו לחיישן המגנטי. עיקרון הפעולהחיישן קיבולי הוא שהחיישן בודק את השדה הקיבולי שסביבו. כל חפץ הקרוב לחיישן

משנה את השדה הקיבולי ולכן החיישן ירגיש בשינוי זה ויוציא אות מתאים. שימושיו של חיישן כזה הם בעיקר בתעשייה מכוון שהוא יכול לגלות קיום

חלק שקוף או חלק לא מתכתי )כגון אבר של אדם(, דבר שחיישניםאחרים לא מסוגלים.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

- זה חיישן שמסוגל לגלות תנודה. מעל זווית מסוימתחיישן תנודות החיישן ירגיש את התנודה וישלח אות מתאים. החיישן המקובל מורכב

ממיכל המכיל כספית. במיכל מותקנות שתי אלקטרודות. - כספית היא מתכת נוזלית. במצב המתואר עבור חיישןחיישן כספית

התנודות יש קצר בין שתי האלקטרודות )דרך הכספית(. כאשר החישן מוטה לאחד מהצדדים, הכספית הנוזלית מצטברת באזור מסוים של

החיישן ונוצר נתק בין האלקטרודות. היות וכספית היא חומר רעיל ומזיק לסביבה, קיימים חיישנים שממולאים בגז ולא בכספית. העיקרון הינו

שתנועה יוצרת אות חשמלי. ישנם גם חישני תנודות המסוגלים לגלות את זווית התנועה. למשל חיישן כספית שיש בו אלקטרודה ראשית ומספר

אלקטרודות המורכבות בזוויות שונות ולפי מספר האלקטרודות המקוצרותניתן לזהות את זווית הסטייה. הדבר שימושי למשל בזרוע של רובוט.

קוד לכל חיישן בחלק זה נראה קוד המתאים לכל חיישן. לכל חיישן קיים קוד בסיסי, אשר בעזרתו

ניתן לקרוא את המידע המתקבל מהחיישנים.הצג את הקוד לכיתה , עבור עליו תוך פענוחו, הרץ והראה תוצאות. יש להריץ ללא

חיבור לפלטפורמה כלשהיא, אלא רק חיבור החיישן למוח )בקר(. יש להראות אתהערכים המתקבלים במסך הפלט. לאחר מכן, כל קבוצה תבצע ניסיון בעצמה.

בשלב הבא ניתן להראות קוד מורכב יותר עבור חיישן מסוים, ולחזור על אותו הדפוס. בתום הניסיון העצמאי של הקבוצות ניתן לתת מטלה עצמאית: כל קבוצה

תכתוב קוד משלה עבור חיישן אחר. הקוד יממש קריאה, עיבוד, ניתוח ותרגוםהלכה למעשה של האות המזוהה ע"י החיישן.

עבודה על הפלטפורמה התלמידים ימשיכוו לבנות את הבסיס של הרובוט לתחרות הגמר לפי הוראות

משיעורים קודמים.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

דקות.10-15 הקצב לכך סיכום

.עבור על ראשי פרקים שנלמדו בשיעור זההדגש את ההישגים והכישורים החדשים איתם יוצאים התלמידים מהשיעור )בהתאם

לדף מבוא(. .בצע חיסול וניפגש פעם הבאה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

5: שיעור מס'

: בקרה נושא

: מטרות .חוויה לימודית, מהנה וייחודית.יצירת תשתית ידע ביסודות עולם הבקרה.הקניית יכולת לתאר מערכת ע"י הצורך לשלוט ולבקר אותה.הכרות עם סוגים שונים של בקרה עבודה עם ערכתVEX ו EasyC.שילוב חיישנים ,

: בתום פרק זה התלמיד .יבין מושגי היסוד מעולם הבקרה.יזהה מערכות בקרה בסיסיות .יבחין בצרכים אנושיים להם מערכות הבקרה נותנות מענה.יוכל לבצע תהליך תכנון בקרה מכוון משימה.יגדיר דרישות בקרה ויתאימה לייעוד הנבחר – יבצע וישלים בעבודה מעשית

o.הכרת כניסות ויציאות הבקרo.חיבור חיישנים לבקרo .משיכת מידע מחיישנים

דקות: 120: משך שיעור -דקות עיוני.60כ -דקות מעשי.60כ

:פירוט נושאי הדרכה ותכנון זמנים

הערותזמן מוקצבנושאעיוני דקות10מושגי יסוד בבקרה

אופני שליטת מפעילושימושים

עיוני דקות10

יסודות, סוגים, עקיבהופרמטרים

עיוני דקות20

עיוני דקות 20-25התנסות בהליך תכנון בקרעיוני דקות5חומרת בקרה

מעשי דקותVEX 5התנסות מעשית בקר מעשי דקות30-35משיכת מידע מחיישנים

התנסות באלגוריתםהבקרה

מעשי דקות20

כתיבת תכנית בסיסיתוהרצתה

מעשי

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

בהנחיה4: חלק עיוני – פרונטלי, חלק מעשי - עבודה בקבוצות של אופן הדרכהצמודה.

: תכני תיק מדריך.חומר עזר למדריך: נספח ג' – תהליך תכנון הנדסי.חומר עזר לתלמיד

: רשימת אמצעי הדרכהחלק פרונטלי – לוח, אמצעי כתיבה, מחשב עם חיבור אינטרנט, מצגת

הדרכה ומקרן. חלק מעשי – ערכותVEXכמספר הקבוצות, מחשבי מעבדה, גבישי שליטה

וסוללות.VEXכמספר הקבוצות ,ערכות תקשורת מחשב-

מבוא לבקרההנחיות למדריך – עבוד עם המצגת ועם דף תוכן זה, סקור את הנושאים שנמצאים

במצגת בראשי פרקים ומורחבים כאן. יש לתת דוגמאות כשעולה הצורך. רצוילהתעכב פחות על נושאים אשר מורחב עליהם בהמשך.

....ערור עניין – הראה סרטון ו

בקרה – מושגי יסוד

מנגנון או מערכת של מנגנונים אשר שולט על יציבות תהליך של- בקרה מערכת אחרת, אותה ברצוננו לבקר על מנת להגיע לתוצאה הרצויה. לדוגמא: מזגן - כאשר נגדיר טמפרטורה רצויה, המזגן ימשיך לקרר כל

עוד לא התקבלה התוצאה הרצויה ויפסיק את עבודתו בעת קבלת התוצאה הקרובה לתוצאה הרצויה.

הגודל או התוצאה הנשלטים ע"י מערכת הבקרה. -המשתנה המבוקר במערכת בקרה טכנולוגית המשתנה המבוקר הוא גודל פיזיקלי שאפשר

למדוד אותו ולבטא את כמותו. בדוגמת המזגן שלעיל, המשתנה המבוקרהינו הטמפרטורה. – מציין את הערך הרצוי של המשתנה המבוקר אואות מבוא/כניסה

קבוצת ערכים אשר נכנסים למערכת. – מציין את הערך המצוי בפועל.אות מוצא

– הפרש בין הערך המצוי לרצוי.שגיאהשלב סכימה ראשונית

המשתנה המבוקר ע"י מערכת הבקרה -הפרעות למשתנה המבוקר מושפע כמעט תמיד מחיישנים בתנאי הפעולה של המערכת. לפעמים

משתנות התכונות של המערכת עצמה. דבר המשפיע גם כן על המשתנה המבוקר. התרחשות שאין עליה שליטה ומשפיעה על המשתנה המבוקר

אחד מתפקידי הבקרה הינו להקטין במידת האפשר את.נקראת הפרעההשפעת ההפרעה.

.שלב סכימה שנייה הכוללת את ההפרעה – במערכת שלמה, לכל חלק קיימת בקרה נפרדת.בקרה מבוזרת

לדוגמא: פס ייצור במפעל, לכל מכונה יש מערכת בקרה משלה.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

– במערכת שלמה, קיים מנגנון בקרה אחד השולטבקרה מרכזית ומבקר את כל המערכת. לדוגמא: מיזוג אויר בבניין, אשר הטמפרטורה

בכל חדרי הבניין נקבעת אחידות ע"י בקר אחד.

ניתן לתת מטלה לתלמידים – כל קבוצה תחשוב על דוגמה למערכת מבוקרת תוך שימוש במושגי היסוד.

בקרה ברובוטיקה.חזרה על הבסיס עם חיבור וקישור לבקרה

– יכולתו של הרובוט לבקר את עצמו ללא התערבות חיצוניתאוטונומיותע"י פעולות המבוססות על איסוף וניתוח תנאי סביבה.

- עמידות הרובוט בתנאי סביבה בה הוא עובד ובשחיקה לאורךקשיחותזמן כתוצאה מפעילות ופעולות חוזרות.

שליטה מקומית או שליטה מרחוק של אדם על מערכתשליטת מפעיל – רובוטית כדי לבקר את התנהגותה.

אופני שליטת מפעיל

– המפעיל מתקשר עם המערכת דרך גלי רדיו. המפעיל שולח מידערדיו באמצעות משדר והמידע נקלט במקלט רדיו שנמצא במערכת. לדוגמא:

שליטת אדם בטיסן באמצעות רדיו. - קיים חיבור פיזי של כבל תקשורת להעברת נתונים ביןכבל תקשורת

המפעיל למערכת. לדוגמא: טיל אשר לבסיסו מחובר כבל תקשורת ארוךמאוד. מאפשר למפעיל לשלוט על תנועתו וכיוונו.

– הקשר בין המפעיל למערכת מתקיים באמצעות לווין.תקשורת לוויינית – כיום קיימות מערכות המפענחות את גלי המוח ומתרגמותגלי מוח

אותם לאותות דיגיטליים. לדוגמא: קסדת טייס המכוונת את טילי המטוסלפי רצון הטייס.

שימושים בבקרה .ניתן לתת סקירה היסטורית קצרה על התפתחות תחום הבקרה

דקות. 3 הקצב לכך בחלק זה עודד את התלמידים לציין אלו שימושים הם מכירים ורשום אותם על הלוח

במספר טורים )בסוף ניתן שם לכל טור(. שם לכל טור/קטגוריה יש לתת רק כשיגמרו הרעיונות. בנוסף לדוגמאות והסברים המובאים כאן, ניתן להביא עוד

דוגמאות מעניינות כראות עינייך. דקות. 5 הקצב לכך

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

.עקוב אחרי המצגת והרחב לפי הרשום

למעשה,כמעט בכל תחום בחיים, אשר יש שימוש במכונה, רובוט, מכשיר חשמלי- קיימת מערכת בקרה. להלן מספר מצומצם של דוגמאות:

בתעשייה - בכל מפעל, לכל מכונה, יש מערכת בקרה. למשל: בקרת פס

ייצור: מערכת שמבקרת על מהירות עבודת הפס, עוצמת העבודהוכן הלאה.

מכונה לרדיית דבש )על בסיס צנטריפוגה(: מכילה בקר שיבקר את עוצמת הסיבוב.

במחקר ובמדע – חקר החלל - לוויינים מכילים בקר שישלוט על הגעה למסלול

והישארות במסלול..רפואה – קיימים בקרים במכשור רפואי, למשל מכונת הנשמה

בצבא ובטחון – בקרת כלי טיס- לשמור על יציבות המטוס/מסוק, תנועתו ומכלול

פעולותיו. נשק – ייצוב עמדות נשק המצויות על כלים כבדים כגון תת-מקלע

על נגמ"ש.

יסודות מערכת הבקרה

– מדידת המשתנה המבוקר.מדידה – השוואה בין הערך הרצוי למצוי, שליחת אות תיקוןבקר/השוואהלמערכת ההפעלה.

– מנגנון המבצע את פעולת התיקון הלכה למעשה, על מנת לבטלתיקוןאו למזער את השגיאה.

סוגי בקרה

את מערכות הבקרה מסווגים לשני סוגים עיקריים:

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

– מערכת בה לא מועבר מידע מיחידת המדידה אלבקרה בחוג פתוח מנגנון ההפעלה. זאת מערכת בקרה עם כיוון ראשוני בלבד להשגת היעד.

המשתנה המבוקר מושפע במהלך פעולת המערכת מגורמים חיצוניים, אם במהלך התהליך יהיו הפרעות אשר יגרמו לסטיות מהערך הרצוי,

מערכת הבקרה לא תוכל לתקן אותן. לדוגמא: כיוון עוצמת השמע ברדיו.דוגמאות נוספות:

מערכת תאורה בחדר.המשתנה המבוקר: עוצמת האור בחדר.

הפרעות אפשריות: תנאי סביבה משתנים כגון עננים, יום, לילה...

מערכת רמזורים רגילה..בצומת השונים בנתיבים התנועה המשתנה המבוקר: עומס.מסוים בנתיב צפויה בלתי רכב כלי הפרעות אפשריות: כמות

– במערכת המבוקרת בחוג סגור, יחידת המדידהבקרה בחוג סגור מעבירה את תוצאותיה דרך הבקר למנגנון ההפעלה, שמגיב בהתאם

לתוצאות. זהו תהליך של משוב, קבלת מידע לצורך תיקון. בבקרת חוג סגור ניתן להשוות את הערך הרצוי והמצוי, דהיינו למדוד השגיאה,

ובהתאם למדידה להפעיל את מנגנון התיקון כך שהשגיאה תמוזער. :דוגמאות

סגירת חוג בקרה ע"י מפעיל: עכבר המחשב משמש לבקרה בחוג פתוח.-כאשר האדם נכנס לתמונה, הוא סוגר את החוג בעצמו.

בקרת שיוט בכלי רכב.- בקרה במכונת הנשמה: ניתן להפעיל מכונת הנשמה במצב של חוג פתוח-

ובמצב של חוג סגור.במצב של חוג פתוח, המטפל קובע את הפרמטרים להנשמת החולה ולפיהם המכונה מנשימה את החולה, ללא התחשבות

במצבו.במצב הנשמה אחר, המכונה פועלת בחוג סגור, המטפל קובע את פרמטרי ההנשמה, אבל המכונה מנשימה את החולה בהתחשב במצבו. כל נשימה של החולה מסונכרנת עם ההנשמות המכאניות של המכונה.

אם החולה מצליח לנשום בכוחות עצמו, המכונה לא מסייעת לו בנשימה.אם הוא לא מצליח לנשום בכוחות עצמו, המכונה מנשימה אותו.

שאל את הכיתה: האם מזגן ביתי מבוקר בחוג סגור או פתוח? התשובה: חוג סגור כמובן, מודד את הטמפרטורה החיצונית )מצויה( וקובע את עוצמת הפעולה לשם

הגעה לטמפרטורה הרצויה.

סוגי עקיבה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

מערכות בקרה שונות מסוגלות לשלוט ולבקר על כניסות שונות, בהתאם למימושם. במימוש מערכת בקרה מתייחסים למספר קריטריונים, כאשר

המרכזיים שבהם הם דרישות הבקרה )מה עליי לבקר?( ומחיר המימוש. – מנגנון בקרה המודד את מיקום המערכת המבוקרת.מיקום )מדרגה(

לדוגמא: רכבת ריחוף מגנטית, אשר על הבקר למדוד את מרחקהמהמסילה.

– מנגנון בקרה המודד את מהירות המערכת המבוקרת.)ריצה( מהירות לדוגמא: קורא תקליטורים במחשב. על הבקר לדאוג לכך שהדיסק

יסתובב במהירות קבועה. – מנגנון בקרה המודד את תאוצת המערכת המבוקרת. לדוגמא:תאוצה

לווין.

לרוב אין צורך להתאים את הבקר לשלושת סוגי העקיבות הבסיסיותהנ"ל, אלא לייעודו המקורי בלבד, ובכך לחסוך בעלות המימוש.

פרמטרים עיקריים בבעיית הבקרה

.בשלב זה יש לשלב גרפים המסבירים את המושגים החשובים

– כאשר אות חורג ממטרתו. לפי הגדרה: הערך המכסימליתגובת יתר של עקום התגובה, אשר נמדד מהערך הרצוי של המערכת. עבור כניסה

מסוימת נצפה ליציאה זהה. לעיתים, בתלות בפרמטרי המערכת ישנה תגובת יתר, כלומר המערכת מגיבה "חזק" מדי לכניסה, בעוצמה גדולה

מדי, ולאחר זמן מסוים מגיעה לערך הרצוי. למשל, עבור הרחפת ס"מ ונכניס כניסה10המגנטית, נרצה שהרחפת תימצא בגובה של

ס"מ10בהתאם. תגובת יתר תהיה אם הרכבת תקפות לגובה גבוה מ ברגע הפעלת המערכת, ולאחר מכן תחזור לגובה הרצוי. דוגמא נוספת:

נרצה שזרוע של רובוט תתפוס כוס פלסטיק. לשם כך נכניס כניסה בדיוק בגודל הדרוש לאחוז בכוס. אם תהיה תגובת יתר, אזי הכוס תילחץ ע"י

הזרוע יתר על המידה ותישבר. ככל שתגובת היתר קטנה יותר, המערכת מגיבה טוב יותר.

ישנם אלמנטים שונים בבקרים, המשמשים להקטנת תגובת היתר. העיקריהינו פרמטר הנקרא מקדם הריסון.

- נדנוד של הגל סביב הערך הסופי הרצוי )כפי שנראה בגרףתנודתיות התגובה למדרגה(. בד"כ מלווה תגובת יתר. בעזרת תכנון נכון של הבקר

ניתן להקטין את התנודתיות.

– הזמן בו לוקח למערכת להגיע מערך נמוך כלשהו )לרובזמן תגובה מהערך הסופי90% מהערך הסופי( עד לערך גבוה כלשהו )לרוב 10%

הרצוי(. למשל, עבור הרחפת המגנטית: נניח במצב התחלתי המערכת לא

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

פועלת, הרכבת מונחת על המסילה. בעת הפעלה נצפה שהרחפת תגיע ס"מ מהמסילה. אזי יש למדוד את הזמן שלוקח לרחפת10למיקום של

ס"מ מהמסילה. מערכת תגיב9 ס"מ ועד לגובה של 1להגיע מגובה של טוב יותר אם ככל שזמן התגובה קצר יותר. ישנם פרמטרים בתכנון בקרים

המאפשרים לשלוט על זמן זה.

– הזמן שלוקח לעקום התגובה להתייצב סביב הערךזמן התייצבות הסופי בטווח שגיאה המוגדר מראש. אם ערך השגיאה קטן מספיק, אזי ניתן לומר שלאחר זמן ההתייצבות הגענו לערך הסופי והמערכת פועלת

כראוי. גם על פרמטר זה ניתן לשלוט באמצעות תכנון בקר.

– הפרש בין ערך מצוי לערך רצוי. ככל שהשגיאה קטנה יותר, כךשגיאה המערכת מגיבה טוב יותר ומדויק יותר. בתכנון בקר נכון, ניתן להקטין את

השגיאה ולעיתים )אך לא תמיד, עקב אילוצי מערכת( להעלימה.באמצעות המשוב וסגירת חוג הבקרה ניתן לקבל מידע על השגיאה.

התנסות בהליך תכנון הנדסי – תכנון בקר בסיסי וודא לכל קבוצה כלי כתיבה ושעון.4זה הזמן לסדר את התלמידים בקבוצות של .הסבר את אופי העבודה בקבוצות קטנות המאפשר לתלמידים לחוות עבודה

משותפת, הדגש את חשיבותה של עבודה צוות וקבלת דעות ורעיונות שונים כחלקבלתי נפרד מהתהליך.

ספר את סיפור המעשה והגדר כי: על כל צוות מתכננים/מהנדסים שיקבל אחת משתי משימות, לתכנן מערכת בקרה ש.... או מערכת בקרה ש.... יש לבצע את

. ולהציג את הרעיון שנבחר יחד עם מספר חלופות6תהליך התכנון עד סעיף ( וסכמת מבלנים הכוללת את4מובילות. יוצגו גם סקיצות או ציורי קונספט )סעיף

(.6כל המכלולים הדרושים )סעיף חלק דפי עבודה נדרשים )קבוצות שכנות יקבלו משימות שונות( והצג על הלוח את

תרשים הזרימה של תהליך תכנון לנוחות התלמידים. דקות. 15 הקצב לכך )בסוף הזמן המוקצב יש לאסוף את הדפים )מניעת ריגול תעשייתי וגניבת פטנטים

ולקרוא למתנדב מכל קבוצה להציג את הרעיון שנבחר יחד עם מספר חלופות ( וסכמת מבלנים הכוללת את4מובילות. יוצגו גם סקיצות או ציורי קונספט )סעיף

(.6כל המכלולים הדרושים )סעיף דקות. 5-10 הקצב לכך

חומרת בקרה,חלק זה הינו בעל אפשרות להרחבה למתקדמים. לאחר שחשת את אופי הכיתה

והאם התלמידים ברמה גבוהה, ניתן להרחיב בהתחשב במגבלות הזמן לגבי נושאזה. אחרת, הצג את המיקרו בקרים בצורה בסיסית.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

עבור בקרVEX.הצג תמונה ועבור על אפשרויות החיבור, לקראת החלק המעשי ,

– הינו רכיב מתוכנת, שהוא למעשהמיקרו בקר בודד. רכיב אלקטרוניפונקציונאלית שלמה, המוכללת ב מחשב מערכת

כך ניתן למצוא בתוך הרכיב את כל המרכיבים המקובלים של מערכת . כפי ששמו מרמז, מטרתו שלזיכרוןו יחידת עיבוד מחשב, כמו

המיקרו-בקר היא לבקר על תהליכים, ולצורך כך, נמצא במיקרו-בקרים עם העולם תקשורתגם רכיבי כניסות ויציאות המשמשים לבקרה ול

החיצוני. מיקרו-בקרים מצויים כיום כמעט בכל מוצר המכיל אלמנט

, מכונות ביתיות ומשרדיותכלי-רכב אלקטרוני/חשמלי כלשהו, כגון בודד, במקום מספר מעגל משולב. השימוש במיקרו-בקר כצעצועיםו

רכיבים נפרדים )מיקרו-מעבד, זיכרונות( מאפשר להקטין בגודל ועלותהיצור של מוצרים.

– הבקר איתו נשתמש בחוג. זהו מיקרו בקר, המכיל אפשרויותVEXבקר חיבור רכיבים אנלוגיים ודיגיטליים. בקר זה הינו "המוח" של המערכת,

והוא מאפשר שליטה ובקרה על אופן פעולת הרובוט. לבקר מתחברים חיישנים מסוגים שונים. הבקר מעבד את הנתונים שהתקבלו מהחיישנים,

ובאמצעות תוכנה שנצרבה לו קודם לכן, מבצע פקודות בהתאם. רובוט הינו מערכת מאוד מורכבת של חלקים, אשר חייבים לעבוד יחדיו על מנת להשיג מטרה מסוימת. שליטה אלקטרונית, כזו המסופקת ע"י

מאפשרת ליצור שיתוף פעולה בין כל חלקי הרובוטVEXמיקרו בקר ולהשיג המטרה. לרובוט שתי יכולות עיקריות המבדילות אותו משאר

מערכות מכאניות. יכולתו לחוש )באמצעות חיישנים( את סביבתו ויכולתו לעבד מידע זה על ידי שגרה קבועה מראש. פועל יוצא הינו פעולה

כתגובה ע"י שליטה במנועים ושאר יציאות. לדוגמא, רובוט הנשלט ע"י אדם באמצעות שלט וגלי רדיו, אשר בנוסף יש לו "גלאי מצוקים". הרובוט

ייסע כפי שיגדיר לו המפעיל בשלט, אך בהגיעו למצוק ינתק שליטת מפעיל,יעצור, ייתן אות אזהרה ויחזיר שליטה למפעיל בהתאם. במטרה לבצע כל זאת, הרובוט צריך להיות מסוגל לחוש הימצאות מצוק )גלאי גבול(, ולפעול בהתאם ע"י בקר. ללא בקר, לא תהיה אפשרות לפעול

כנגד סכנת הנפילה ממצוק...

VEX חיבור חיישנים לבקר - סקור בקצרה את סוגי החיבורים )קישור לקובץPDF '104-117,77-79עמ

. עמוד על ההבדלים בין החיבורים השונים )מנועים וחיישנים(. VEXהקיימים לבקר הראה באופן פרונטאלי לתלמידים דוגמא לחיבור חיישנים ומנועים לבקר: הבדל בין

.חיבור אנלוגי לדיגיטלי. לאחר מכן ינסו התלמידים לחבר בעצמם דקות. 5 הקצב לכך

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

משיכת מידע מחיישנים ושימוש במידע המתקבל – התנסות באלגוריתםהבקרה

בשלב זה יעבדו התלמידים עם מחשבים, תוכנתEasyCגבישי שליטה שונים לכל , . וודא כי לכל הקבוצות יש את הציוד.VEXקבוצה, חיישנים וערכת חיבור מחשב-

הנדרש. פתח את הקוד המוכן מבעוד מועד עבור חיישן מסוים. צרוב אותו במחשבך והראה

להם כיצד ניתן למשוך מידע מחיישנים. יש להשתמש בקוד בסיסי שמכיל רק קבלתמידע, אך ללא שימוש במידע זה. הסבר כיצד יש לצרוב קוד.

דקות. 10 הקצב לכך

הנחה את התלמידים בכל קבוצה לצרוב הקובץ לבקר. לווה את התלמידים במהלך הצריבה. לאחר שצרבו וחוו בעצמם את קליטת המידע מהחיישנים –

בצע דיון קצרצר בשאלה: מה ניתן לעשות עם מידע זה? הכוון לאפשרות לתת פקודות בהינתן מידע מסוים...

דקות. 5 הקצב לכך

.כעת יש להוריד קוד מורכב יותר, אשר מקבל מידע ומשתמש בו לתועלת מסוימתלווה את התלמידים בהתנסותם הראשונית עם קריאת מידע מחיישנים, עיבודו

והוצאת פקודות בהתאם.,הסבר כיצד פעולתם זו הינה התנסות באלגוריתם הבקרה: פעולה רצויה, מצויה

מדידתה והקשר ביניהן. דקות. 10-15 הקצב לכך

.אופציה להרחבה: התלמידים יכתבו קוד בעצמם, יצרבו ויתנסו לבדם .תן דגש על עבודה בטיחותית זהירה ועדינה. אין להפעיל כוח בזמן ההרכבה הנחה להדליק את המסכים, עקוב אחר המצגת והסבר איך להורידOnline Code.

סיכום

.עבור על ראשי פרקים שנלמדו בשיעור זההדגש את ההישגים והכישורים החדשים איתם יוצאים התלמידים מהשיעור )בהתאם

לדף מבוא(. .בצע חיסול וניפגש פעם הבאה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

6: שיעור מס'

: רובוטיקה ותכנות נושא

: מטרות .חוייה לימודית, מהנה וייחודית . חזרה על מושגים בסיסיים בתכנות והכרת מושגים חדשים.ביסוס תשתית ידע ביסודות האלגוריתמיקה ותכנות.הכרות עם מאפייני מכאניקה ופיזיקה לתכנון רובוטי המשך הכרות עם תוכנתEasyC ..התנסות עצמאית בכתיבת קוד ייעודי לרובוט

: בתום פרק זה התלמיד.ייזכר במושגי תכנות רלוונטיים.יפרט מושגים חדשים כגון אלגוריתמיקה, פעולות לוגיות, השמה וסיבוכיות .יבנה תרשים רבלת החלטות/תרשים זרימה לפתרון בעיה ספציפית.יזהה פקודות תוכנה בסיסיות – יבצע וישלים בעבודה מעשית

o יישום פקודותEasyC.בקוד שיוגדר ע"י מדריך o.צריבת קוד לבקר הרובוט

דקות: 120: משך שיעור -דקות עיוני.60כ -דקות מעשי.60כ

:פירוט נושאי הדרכה ותכנון זמניםהערותזמן מוקצבנושא

עיוני דקות10מבוא רצף פקודות ותרשימי

זרימהעיוני דקות 10

עיונידקות 10זכרון ומשתניםעיונידקות 20פעולות מתמטיות ולוגיות

עיונידקות EasyC10פקודות בסיסיות מעשידקות 10כתיבת קוד בסיסי

עיונידקות 20לולאותעיונידקות 10השהיות וסיבוכיות

מעשי דקות20כתיבת קוד מתקדם

בהנחייה4: חלק עיוני – פרונטלי, חלק מעשי - עבודה בקבוצות של אופן הדרכהצמודה.

: תכני תיק מדריך.חומר עזר לתלמיד

: רשימת אמצעי הדרכה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

חלק פרונטלי – לוח, אמצעי כתיבה, מחשב עם חיבור אינטרנט, מצגת הדרכה ומקרן.

חלק מעשי – ערכותVEXכמספר הקבוצות, מחשבי מעבדה, גבישי שליטה וסוללות.VEXכמספר הקבוצות ,ערכות תקשורת מחשב-

בשלב זה יעבדו התלמידים עם תוכנתEasy Cוודא כי לכל קבוצה מחשב , .תקין, תוכנה פועלת וקיימת תיקיה ייעודית לשמירת קבצים

1רובוטיקה ותכנות הנחיות למדריך – עבוד עם המצגת ועם דף תוכן זה, סקור את הנושאים שנמצאים

במצגת בראשי פרקים ומורחבים כאן. יש לתת דוגמאות כשעולה הצורך. רצוילהתעכב פחות על נושאים אשר מורחב עליהם בהמשך.

מבוא- נחיצות התוכנה בשליטה על רובוט המחשב או הבקר המתוכנת הינם מוחו של הרובוט, כל תהליכי הפעלותו ואוסף תגובותיו נשלטים על-ידם. במוד שליטה ידני, מפוענחות בבקר פקודות ההפעלה

ונשלחות הלאה לרכיבים המוטוריים ולרכיבי הכוח. במוד אוטונומי, התוכנהשבבקר מגדירה את סדרי הפעולות ואת אופן התנהגות של הרובוט.

ביצוע פעולות פשוטות במוד אוטונומי דורשת הכרות בסיסית עם נושא התוכנות –פקודות שפה, כלי התכנות, אופי קשר מחשב –בקר ומגבלות שלהם.

הקניית התנהגות "חכמה" לרובוט והגדלת גיוון הפעולות שלו, דורשת הכרותמתקדמת עם עקרונות התכנות ואלגוריתמיקה:

אלגוריתם הוא דרך פתרון של בעיה כלשהי, הכולל בתוכו את כל שלבי התפרון זה אחר זה. כל שלב הוא פעולה פשוטה ככל

הניתן אותה אנו יודעים לבצע. למשל מתכון הוא האלגוריתםלהכנת עוגה.

.הרובוט יבצע אך ורק את הפעולות שהוא מתוכנן לבצע

,לרובוט מספר משימות מוגדרות מראש – בביצוע של משימה נדרש להגדיר לרובוט סדר פעולות מסויים כדי להשלימה

בהצלחה ולצייד אותו באוסף התניות, )מקרים ותגובות( לכלצרה שלא תבוא.

כל משימה היא כמו בעיה שהמתכנת צריך לחלק לחלקים קטנים ולתת לרובוט אוסף הוראות כדי לפתור את הבעיה

בהצלחה. חלוקת המשימה לחלקים קטנים יותר – תת-משימות, וחלוקה לרמה נוספת של מספר פעולות בכל תת-משימה היא

חלק ראשון מחוכמת האלגוריתמיקה.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

חלק נוסף בחוכמה זו, מחייב את המתכנת לנסות ולמפות מראש את כל המקרים והתגובות להן ייכול להידרש הרובוט בעת ביצוע המשימה ולתת הוראות מתאימות בתוכנה – אלו

תלויים בסביבה בה פועל הרובוט ובאופי משימה.

כל בעיה ניתנת לפתרון במספר דרכים, הכרות עם תורת האלגוריתמיקה תחשוף אותנו למושגים כמו ייעילת הפתרון, סיבוכיות זמן )משך ביצוע(

וסיבוכיות מקום )כמות זכרון נחוץ(.

תוכנה כרצף פקודות ליניארי קיימות שפת תכנות רבות בהן ניתן להשתמש כדי "לדבר" עם הרובוט ולתת לו

.C שהיא שפת תכנות גרפית מבוססת על שפת Easy-Cהוראות, אנו עובדים עם שפה זו אינטואטיבית ומאפשרת שימוש מיידי בה לאחר הדרכה קצרה בלבד, עם

זאת, אופציות מתקדמות של התוכנה מאפשרות גמישות רבה ע"י שימוש. Cבפונצקיות )תת-משימות( שנכתבו בשפת

תוכנה היא רצף פקודות שמבוצעות בסדר בו הן כתובות – כלומר באופן ליניארי, אחת אחרי השניה. ניתן לשלב לולואת והפניות לתת-משימות )תת-שגרות(, שלאחר השלמתן, תחזור התוכנה כברירת מחדל לבצע את הפקודה הבאה

בתור.

התוכנה כתהליך בעל כניסות ויצאות

לפעמים נוח להסתכל על התוכנה או כל תת-שגרה שלה כתהליך שיש לו כניסות ויציאות. התהליך נועד לנתח את הכניסות, להחליט על דרך פעולה הטובה ביותר

ולהוציא החוצה הנחיות לביצוע. למשל תת-שגרה בתוכנה של הרובוט הבודקת

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

כל הזמן האם יש טיפות שנופלות עליו, ניתוח כיוון ועצומת הטיפות ע"י התוכנהיוציא פקודות לרובוט לפתוח מטריה או לחילופין להתרחק מהממטרה.

לרוב האופן הייעיל ביותר הוא ריבוי תת-שגרות שכל אחת מקבלת מספר כניסות קטן ומוציאה יציאות בהתאם. היציאות ישמשו ככניסות לשגרה הראשית

שתשכלל את הנתונים ותוציא הנחיות למכלולים הנדרשים.

הראה תרשים והבהר כי יציאות של מתת-שגרות, משמשות ככניסות לשגרה

הראשית.

תרשים קבלת החלטות תרשימים אלו, הנקראים גם תרשימי זרימה, מפשטים את אופן הצגת התנהגויות

מורכבות הנדרשת מרובוט ומאפשרים ניתוח טוב יותר של מקרים ותגובות בכל שלבי הביצוע. התרשים הוא אוסף של בלוקים שונים שכל אחד מהם יכול לסמל

שורה בקוד או תת-שגרה )לפי החלטת המתכנת(. צורת הבלוק מרמזת עלאופיו: פעולה, שאלה, המתנה ועוד.

מומלץ להתחיל את תהליך התכנות מבניית תרשים הזרימה, זיהוי נקודות החלטהושרטוט מיקום הלולאות הנדרשות.

בסיומנו לבנות את תרשים הזרימה, נקבל לא רק הצגת נוחה וחזותית של לפתרון הבעיה )או חלק ממנה(.האלגוריתםהתהליך או ההתנהגות אלא את

הראה תרשים ונתח אותו יחד עם הכיתה –בקש לסמן את נקודות ההחלטה ולזהות את הלולאות.

.הסבר שזהו גם האלגוריתם שישמש את המתכנת בכתיבת קוד התוכנה

זכרון ואחסון נתונים:במהלך ההסבר שים לב כי כל התלמידים מכירים את המושגים הבסיסיים. אם לא

דקות ליישור קו בסיסי בנושא זה. .5 הקצב

התוכנה שמפעילה את הרובוט ומבקרת את התנהגותו, מאוחסנת לרוב ברכיב - גודלו של הזכרון אומנםVEXזכרון שנמצא במיקרו-בקר. במקרה של בקר

בסה"כ אך זה יותר ממספיק, נפח התוכנה בד"כ אינוbyteצנוע – כמה אלפי גדול. לצרכים מיוחדים או רובוטים מיוחדים ניתן להרחיב ולספק התקני זכרון

נוספים ככל שיידרש.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

הזכרון הנפוץ ביותר במקרו-בקרים הואElectrically Erasable Programmable Read Only Memory-EEPROM

והוא מכיל את קוד התוכה. זכרון זה המאפשר ל"צרוב" תוכנה שונה כל פעם, ( והיא אינהROMבמהלך ריצת התוכנה לא ניתן לשנות אותה )לכן האותיות

32Kbyte הוא VEXנמחקת כאשר מכבים את הרובוט. גודלו של זכרון זה בבקר .byte אלף 32– כלומר

המשמש לאחסון המידע והנתונים השוטפיםRAMלצד זכרון זה פעול זכרון שזורמים אל הרובוט תוך כדי פעולתו. אחסון זה זמני בלבד. המידע משתנה

פעמים רבות ואף נמחק כאשר מכבים את הרובוט. גודלו של זכרון זה בבקרVEX – 1Kbybe=1024byte.

משתנים וקבועים - מכיוון שהמידע והנתונים אותם קולט הרובוט אינם קבועים, הםמשתנה

מאוחסנים במיקום מסויים בזכרון ובשם מסויים אותם מגדיר המתכנת. כתיבהוקריאה למשתנים אלו שקולים במשמעותם לאחסון המידע ושימוש בו.

ערך מסויים שגם לו שם ומיקום בזכרון. הוא נקבע מראש ואינו משתנהקבוע – לכל אורך ריצת התוכנה. קבועים משמשים כייחוס )למשל לוודא שהרובוט לא

עובר את המהירות המותרת(, כמכפיל ידוע )כגון כוח משיכה או מהירות האור(והם חלק מקוד התוכנה.

בתוך משתנים וקבועים מאוחסנים ערכים, ערכים אלו יכוליםסוגי ערכים –. Booleanלהיות מספרים, מילים או

מספרים – לאחסון ערכים מספריים )נתעכב על העיקריים שבהם(:

o – מספר שלם integer 8, הסוג הנפוץ ביותר הוא-bit integer 128 או -255 עד 0 שיכול להציג מספרים מ

.127עד

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

o – שבר עשרוני ממשיdouble, 8 16 או bitמשמש , לאחסון מספרים עם נקודה עשרונית. טווח המספרים

תלוי בדיוק הנדרש אחרי הנקודה. למשל:3.14159265358979323846264338327950288...

:מילים – אחסון טקסט

o – תו או אות בודדיםchar 8, גודלו-bitויכול להציג כל אות או תו במקלדת.

o – מילה או משפטstringגודלו משתנה שכן הוא יכול , להכיל כמות טקסט רבה, מילה או משפט ארוך.

Boolean 8 – גודלו-bit :והוא מאחסן שני ערכים בלבד trueאו false" לוגי בהתאמה. סוג משתנה זה0" או "1 או לחילופין "

(a<bשימושי כאשר נדרש לבדוק תוצאות של פעולת השוואה ) או להמשיך לבצע לולאה כל עוד תנאי מסויים מתקיים )כלומר

true .)

שפת מכונה, שפה עילית ובסיסים נפוצים

מוצגות כרצף של סיביות שנקרא קוד בינארי, )כלומרהוראות שפת המכונה רצף של הספרות אפס ואחת(, שבני אדם מתקשים להבינו. למשל, הרצף

מורה למעבד לחבר את10001001110110000000000111010000המספרים המאוחסנים בשני משתנים שונים להציב את הסכום במשתנה שלישי.

,Cכתיבת קוד תוכנה מתבצע בשפה מובנת לבני אדם – שפה "עילית" כגון JAVA או במקרה שלנו Easy-C,לאחר השלמת כתיבת הקוד ובדיקת תקינותו .

מבוצע תרגום אוטומטי של התוכנה לשפת מכונה –קוד בינארי.

– הבסיסים הנפוצים הם:בסיסים

בלבד.0 ו 1, ספרות 2בינארי – בסיס

7 עד 0, הכולל ספרות 8אוקטלי – בסיס.

9 עד 0, ספרות 10עשרוני – בסיס.

עד 0, הכולל ספרות מ 16הקסדצימלי - בסיס F.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

, שפותחה על2בסיס - בסיס בינארי היא שיטת ספירה לפי הכרת בסיס בינארי . בייצוג זה קיימות רק שתי17 במאה ה-גוטפריד וילהלם לייבניץידי המתמטיקאי

. בשיטה זו, ערכה שלמספר טבעי", ובאמצעותן ניתן לבטא כל 1" ו-"0ספרות: ".0 הוא מיקום הספרה מימין, החל מ-n כאשר " הוא 1כל ספרה "

המרת מספר בינארי לעשרוני -

ורישום השארית2המרת מספר עשרוני לבינארי - חלוקה חוזרת של המספר ב "(, בשורה מימין לשמאל. 0" או "1המתקבלת בכל פעם )"

פעולות מתמטיות והשמה

אוסף פעולות והשוואות נפוצות:

השמה היא אחסון ערך במשתנה ויכולה להתבצע במספר דרכים:

:שיוך ערך מסויים למשתנהx=6

:שיוך תוצאת פעולה מסויימת למשתנהx=a*b

:שיוך ערך משתנה למשתנה אחרx=a

פעולות לוגיות

פעולות על אופרטורים או תנאים:

תוצאות הפעולות מסוכמות בטבלאות "אמת", נדגים על :bit-1אופרטורים של

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

oNOTתוצאהקלט

0110

oANDתוצאהקלטים

000100010111

oORתוצאהקלטים

000101011111

oNANDתוצאהקלטים

001101011110

oNORתוצאהקלטים

001100010110

oXORתוצאהקלטים

000101011

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

110

XOR או" היא פעולה המשקפת את המשמעות השכיחה של המילה" בלוגיקה. כאשר אדם אומר"או"בחיי היומיום, בשונה המשמעות של

לרעהו "אחזיר לך את הספר מחר או מחרתיים", הוא מתכוון שיעשה זאתבאחד משני המועדים, אך לא בשניהם.

פעולות לוגיות המיושמות על אופרטורים בעלי מספר סיביות X AND Yרב, מבוצעות באופן דומה, סיבית-סיבית. למשל

אופרטורX10011

אופרטורY10101

10001תוצאה

:פעולות לוגיות יכולות להתבצע גם על תנאים

oX<5 AND X>3" או "אמת" כאשר1 תחזיר " .5 ל 3המשתנה הוא בין

oX<5 OR X>30מספיק שאחד מהתנאים מתקיים " או "אמת".1והפעולה תחזיר "

o:בשפת תכנות רבות יש סימון מיוחד לפעולות אלו

AND&&

OR||

XOR^

ופקודות בסיסיות Easy-C ממשק

.נושא זה מכוסה במצגת

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

התלמידים ביצעו כבר התנסות ראשונית בתוכנה ולכן עבור בקצרה על הממשק של Easy-Cוהתמקד בקשר הישיר בין תרשים קבלת החלטות, האלגוריתם ותרשים ,

זרימה שבונים בתוכנה.התעכב על נושא הקצאת המשתנים ראשונית והקצאה לפי הצרכים העולים במשך

התקדמות כתיבת התוכנה. .עבור על הפקודות הבסיסיות והדגש את אופן השימוש בהן

התנסות מעשית בכתיבת קוד בסיסי משימות הבנויות אחת על השניה. 3נושא זה מכוסה במצגת וכולל לאחר כל משימה, כתלות בזמן, יצרבו התלמידים את התוכנה ויבדקו את פעילות

הרובוט.הנחה את התלמידים לרשום קוד פשוט ככל הניתן )ללא לולאות( והדגש כי קטעים

טלו יכולים לשמש אותם כ"בלוק" תוכנה מוכן, בהמשך.

משפטי תנאי ולולאות פקודות פשוטות שהכרנו, המבוצעות בזו אחר זו לפי הסדר, אינן מאפשרות

לשנות את התנהגות התוכנית בזמן ריצתה. – כמענה לצורך בשינוי התנהגות, קיימים משפטי ביצועמשפטי ביצוע מותנה

מותנה, המאפשרים התחשבות בשלל גורמים משתנים – כגון תנאי סביבה, זמן אומהירות.

תנאיifפקודה או אוסף פקודות שמבוצעות רק בתנאים – מסויימים אותם מגדיר המתכנת.

תנאיif-elseפקודה או אוסף פקודות שמבוצעות בתנאים – מסויימים ובנוסף פקודה או אוסף פקודות שמבוצעות כאשר

מבוצעים.לאתנאים אלו

לולאתwhileמנגנון המאפשר לבצע אותן פקודות שוב ושוב – כל עוד תנאי בקרה מתקיים. הלולאה מחזירה את התוכנית כל

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

ובודקת האם התנאי מתקיים. כל ביצועwhileפעם לפקודת .אינטרציהשל לולאה נקרא

לולאתforמנגנון המאפשר לבצע פקודות אשר נקבע להן – תנאי התחלה, תנאי סיום ופעולה לביצוע כל איטרציה. לרוב

נדאג לקדם משתנה השולט על מספר האינטרציות שמבצעתהלולאה.

)forלמשל לולאה מוגדרת באופן הבא: i=0 ; i <=9 ; i תבצע(++ אינטרציות. 10

שני הנושאים הבאים הינם אופציונליים ויינתנו לפי שיקול דעתו של המדריך לקבוצות מתקדמות.

השהיותבתכנון הרובוט יש להתחשב במספר סוגי השהיות:

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

השהיות בתפעול הרובוט בעזרת פקודות שלט רחוק - רובוט לווין או רובוט צוללת מחקר, נמצאים רחוק ממקור שידור

הפקודות. כך נוצרת השהיה עד לביצוע הפקודה והשהיה נוספתעד לדיווח על הצלחת הביצוע.

השהיית תוכנה – לרוב זו השהיה מזערית שיכולה להיווצר עקב מהירות מעבד מוגבלת ונפח קוד גדול אך אין לזלזל בנושא

במקרים של ביצוע חישב מסובך, מורכב וארוך )למשל חישובמסלול פלנטרי של חללית( תוך כדי תנועה מהירה.

השהיות קווים – חיישנים, בקר ומנועים, כולם מורכבים על הרובוט במרחק מסויים זה מזה. תנועת המידע לאורך הקווים

לוקחת זמן ומתקבלת השהיה. חישבו למשל על חשיבות השהיה הנובעת ממשך תנועת המידע מחיישן התנגשות למנגנון פתיחת

כרית אוויר ברכב.

השהיות יזומות – השהיות שיוצר המתכנת כדי לאפשר השלמת פעולה כלשהיא או ליצור הפרש זמן בין פקודות עוקבות. לשמל

אחרי פקודה למנוע, מקציבה אתEasy-C ב waitפקודת המרחק או זוית הסיבוב.

סיבוכיות מכיוון שאנו עוסקים בחלק של תוכנה ואלגוריתמים, נרחיב קצת על השהיות

תוכנה הנובעות מסיבוכיות זמן ריצה וניגע גם במושג סיבוכיות מקום.

של מספרסדר הגודל סיבוכיות זמן ריצה של אלגוריתם היא כפונקציה של גודלהפעולות הנחוצות לביצוע האלגוריתם

. O הסיבוכויות מסומנת באות .Nהקלט - o חיפוש ציון מקסימלי ברשימה שלNתלמידים - יש

השוואות, לכןNלעבור פעם אחת על המערך ולבצע )Oהסיבוכיות היא N ).

o חיפוש איבר זהה בשני מערכים באורךNעבור איבר – בדיקות מול המערך ב',Nראשון במערך א' מבוצעות

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

עבור איבר שני כנ"ל וכן הלאה עד האיבר האחרון.)Oהסיבוכיות לכן – N2 )

ישנן בעיות חישוביות עם פתרונות מצויינים, אבל הזמן שנדרש להרצתם נמדד בשנים!

,המציאת שיטות חיפוש מהירות או שיפור מבנה המערכים יכולים להקטין את סיבוכיות האלגוריתם ובכך גם את ההשהיה.

,סיבוכיות מקום - כל אלגוריתם, כשהוא ממומש כתוכנת מחשב זקוק לכמות כלשהי של זיכרון מחשב לצורך ריצתו. חלק

מהזיכרון נחוץ לצורך שמירת נתוני עזר שנדרשים במהלך ביצוע התוכנה. זיכרון נוסף דרוש על מנת לאכסן את הקלט של

האלגוריתם ואת הפלט שלו. כמו כן, חלק מהזיכרון דרוש כדילאכסן את הקוד אשר מממש את האלגוריתם.

o הציונים הטובים ביותר10%חיפוש והדפסה של תלמידים - דורשת העתקה שלNברשימה של

, לכן הסיבוכיותN\10הציונים הטובים למערך חדש )Oהיא N ) .

התנסות מעשית בכתיבת קוד מתקדם משימות בלתי תלויות. 2נושא זה מכוסה במצגת וכולל לאחר כל משימה, כתלות בזמן, יצרבו התלמידים את התוכנה ויבדקו את פעילות

הרובוט..הקצב זמן לכל משימה

7: שיעור מס'

: רובוטיקה ותכנותנושא

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

: מטרות .חוויה לימודית, מהנה וייחודית הרחבת תשתית הידע בשפתeasy c..הרחבת תשתית הידע בפקודות תכנות כלליות.הקניית תשתית ידע וחשיפה לעולם האלגוריתמיקה.הכרות עם סוגים שונים של שיטות תכנון.חשיפה לאלגוריתמים ידועים ואקטואליים

: בתום פרק זה התלמיד .יבין מושגי היסוד מעולם האלגוריתמיקה.יזהה סוגי תכנון שונים .יבחין בצרכים אנושיים להם מציאת אלגוריתם נותנת מענה.יוכל לבצע תהליך פיתוח אלגוריתם:יבצע וישלים בעבודה מעשית – תהליך פיתוח אלגוריתם

o.מחשבהo.תכנוןo .ביצוע

דקות: 120: משך שיעור -דקות עיוני.60כ -דקות מעשי.60כ

:פירוט נושאי הדרכה ותכנון זמנים

הערותזמן מוקצבנושאעיוני דקות15אלגוריתמיקה

עיוני דקותbottom up15תת שגרות ותכנון עיוני דקות10לולאות - מתקדם

עיוני דקות easy c10פקודות מתקדמות מעשי דקות50דוגמאות והתנסות

בהנחיה4: חלק עיוני – פרונטלי, חלק מעשי - עבודה בקבוצות של אופן הדרכהצמודה.

. : תכני תיק מדריךחומר עזר למדריך: חומר עזר לתלמיד

: רשימת אמצעי הדרכהחלק פרונטלי – לוח, אמצעי כתיבה, מחשב עם חיבור אינטרנט, מצגת

הדרכה ומקרן. חלק מעשי – ערכותVEXכמספר הקבוצות, מחשבי מעבדה, גבישי שליטה

וסוללות.VEXכמספר הקבוצות ,ערכות תקשורת מחשב-

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

2רובוטיקה ותכנות

אלגוריתמיקה

– תחום המחקר, הידע והמומחיות האנושית, המתמחיםאלגוריתמיקהבאלגוריתמים.

– רצף הוראות המיועד לפתרון בעיה. דרך מוגדרת היטב,אלגוריתםשיטתית, לביצוע משימה מסוימת.

– נתאר לעצמנו מטבח המכיל מאגר שלאפיית עוגה כתהליך פיתוח חומרים, כלי אפייה, תנור ואופה. אפיית העוגה מבוצעת ע"י האופה

מהחומרים בעזרת התנור, וכל זאת לפי המתכון - המרכיב החשוב ביותר. של התהליך,קלטיםבהצגת אפיית העוגה כמודל נקביל את החומרים ל

והמתכון הוא הנושא שלנו – האלגוריתם. הפלטהעוגה הינה האלגוריתם )המתכון( ממומש ע"י תוכנה, כלי האפייה והתנור הינם

החומרה. כלי האפייה, החומרה, מאפשרים לאפות,לחמם, לערבב, למזוג וכדומה,

אך ללא מתכון/אלגוריתם, לא נקבל תוצאה רצויה. אי –לכך, האלגוריתםהוא החלק החשוב ביותר בתהליך.

?הפנה שאלה לכיתה – אלגוריתמיקה: מה המטרה? הצורך? התועלת...שאל: אילו אלגוריתמים אתם מכירים? והפנה לתשובה בפסקה הבאה

דקות. 3 הקצב לכך

- בכל אשר נפנה פוגשים אנו אלגוריתמים. תהליכיםאלגוריתם ביום-יוםיומיומיים רבים מתבצעים על פי אלגוריתמים:

החלפת גלגל נקור, בניית ארון, סריגת סוודר, חילוק מספרים, חיפוש מספר בספר הטלפונים, עדכון רשימת הוצאות או מילוי טופס מס-הכנסה. חלק מתהליכים אלה )חילוק למשל( מתקשרים בתודעתנו למחשבים יותר

מאשר תהליכים אחרים )כגון בניית ארון(, אולם הבחנה זו איננה חשובהכאן.

– בד"כ, המגבלות איתן נאלץ מתכנן האלגוריתם להתמודד הינןמגבלות מגבלות הכלים העומדים לרשותו. בדוגמת העוגה – תנור ישן, למשל,ישפיע על מהירות הביצוע. בשפת מחשב, מגבלת כלים יכולה להיות ,

למשל, תכנה שאינה תומכת בפקודה מסוימת.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

שלבי פיתוח -חשוב!תכנן!בצע!

: אפיון אוסף הקלטים החוקיים, הגדרת אוסף הפלטיםחשוב הרצויים, כתלות בקלטים, רעיון ודרך להגיע לפלט הרצוי כתוצאה

מהקלט המצוי.

: בניית סכימת בלוקים כללית, המתארת בצורה איכותית אתתכנן שיש לבצע על מנת להשיג את הרצוי. קיימים שני סוגי תכנון: עיצוב

מעלה – מטה ועיצוב מטה - מעלה. אנו נעסוק סוג השני, אשר ברמת התכנון בא לידי ביטוי בתכנון רמת הבלוקים הנמוכה ביותר,

ועלייה למעלה ברמות )הרחבה בהמשך(.

: כתיבת קוד לביצוע, "תרגום" התכנון הלכה למעשה.בצע

דוגמא פשוטה: אלגוריתם לחישוב סכום של מספר קלטים )מספרים(: יש לעבור על כל

הקלטים, ולסכום את כולם לתוך משתנה יחיד המייצג את הסכום. דוגמא לכך היא מכונה המקבלת את שכר העובדים בחברה מסוימת, ומחשבת

את סך כל השכר של כולם. האלגוריתם פשוט ובסיסי, מוצג במצגת עובדים,3 על ההבדל בין חברה בה יש על מה נתעכב?בצורת בלוקים.

עובדים. האלגוריתם זהה, אך זמן החישוב שונה100000לבין זו בעלת לחלוטין.

Bottom Up עיצוב מטה – מעלה

מוגדרים תחילה החלקים הפרטיים שלמטה-מעלה: במודל הגדרה המערכת לפרטיהם, ואז מצורפים החלקים יחדיו לרכיבים גדולים יותר,

שבתורם מצורפים גם הם עד להשגתה של המערכת השלמה. אסטרטגיות שמבוססות על זרימת מידע מטה-מעלה עשויות להראות כחיוניות

ומספקות עקב היותן מבוססות על ידיעת כל הגורמים שעשויים להשפיעעל חלקיה היסודיים של המערכת.

מנוסחת תחילה סקירת מערכת בקווים כלליים בלימעלה-מטהבמודל להיכנס לפרטים של שום חלק ממנה. לאחר מכן מנוסח כל חלק של

המערכת לפרטיו, ואז כל פרט חדש עשוי להיות מנוסח שוב תוך שמגדירים אותו לפרטים נוספים עד שכל המפרט מפורט דיו כדי לתקף

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

את המודל. מודל מעלה-מטה מעוצב לעתים קרובות תוך הסתייעות ב"קופסאות שחורות" שמקלות את מימוש סקירת המערכת, אך באופן

שאין בו די להבנת המנגנון שביסוד המערכת.

בתהליך פיתוח תוכנה הגישות מעלה-מטהרקע היסטורי )כהרחבה(: ומטה-מעלה משחקות תפקיד מרכזי. עיצוב מעלה-מטה הוא המקור

העיקרי של שפות תכנות פרוצדוראליות מסורתיות. עיצוב זה קודם בשנות על ידי הרלן מילס וניקלאוס וירת. מילס פיתח20השבעים של המאה ה-

תפישות של תכנות מובנה לשימוש מעשי, שאותן הוא בחן בפרויקט מיכון . הצלחתו ההנדסית1969אינדקס הארכיון של הניו יורק טיימס בשנת

IBMוהניהולית של הפרויקט הובילה לתפוצת גישת מעלה-מטה דרך ושאר תעשיית המחשבים. ניקלאוס וירת, שפיתוח שפת התכנות פסקל

Program Development byהוא אחד מהישגיו, כתב את המאמר המשפיע "Stepwise Refinement."

שיטת מעלה-מטה הועדפה בהנדסת תוכנה עד לעלייתה של פרדיגמת תכנות מונחה עצמים בשנות השמונים המאוחרות של המאה העשרים.

הועדפה שיטת תכנותJava או ++Cבשפות מונחות עצמים כדוגמת מטה-מעלה.

גישות מודרניות לעיצוב תוכנה משלבות בדרך כלל את הגישות מעלה-מטה ומטה-מעלה. מחד, הבנה של המערכת בכללותה נחשבת

לרוב כחיונית לעיצוב טוב, מה שאופייני לגישת מעלה-מטה. ומאידך, ברוב הפרויקטים לפיתוח תוכנה מנסים להשתמש בקוד קיים להשגת כמה

והאפשרות לשימוש חוזר בקוד אופיינית לגישת מטה-מעלה.יתרונות,

שיטת מטה-מעלה מדגישה כתיבת קוד ובדיקות מוקדמות,תכנות: שעשויות להתחיל מיד משהוגדר המודול הראשון. גישה זו טומנת בחובה

סיכון שבקידוד מודולים בלי שיהיה ברור כיצד הם אמורים להיות מקושרים לחלקיה האחרים של המערכת, וקישור כזה עלול להיות קשה מכפי שזה

נראה במחשבה ראשונה. הטכניקה לכתיבת תוכנה בגישת מטה-מעלה היא לעצב ולקודד באופן

מלא מערכת בעלת פונקציונאליות חלקית, ואז להרחיב את המערכת עדלמימוש כל דרישות הפרויקט.

: עיצובו של תכנות מעלה-מטההרחבה – תכנות בשיטת מעלה –מטה מתחיל בהגדרת מכלול של חלקים ואז פיצולם לחתיכות קטנות בזה אחר זה. עד שלבסוף, כשהרכיבים מפורטים דיים כך שניתן יהיה לקודד אותם,

נכתבת התוכנה. הטכניקה לכתיבת תוכנה בגישת מעלה-מטה היא לכתוב פונקציה ראשית

שנותנת שמות לכל הפונקציות העיקריות שידרשו לה. בהמשך, צוות התכנות בוחן את המפרט הדרישות של כל אחת הפונקציות הללו

והתהליך חוזר על עצמו. לבסוף פונקציות מפוצלות אלו יבצעו פעולות

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

בסיסיות, שהקוד שלהן יכול להיכתב בתמציתיות. כאשר כל אותן פונקציותמגוונות כבר נכתבו, התוכנה מוכנה.

שיטת מעלה-מטה מדגישה תכנון והבנה מלאים של המערכת. משמעות הדבר היא, שכתיבת הקוד אינה מתחילה עד שהושגה רמה מספקת של פרטים בעיצובם של לפחות כמה מחלקיה של המערכת. דבר זה מעכב בדיקה של יחידות פונקציונליות בסיסיות של המערכת עד להשלמתו של

חלק משמעותי מהעיצוב.

יתרונות וחסרונות בשיטת מטה – מעלה:יתרונות:

אפשרות לשימוש חוזר בקודניתן לבצע בדיקות סמוך לתחילת הפרויקט

חסרונות:קושי בשילוב מודולים של מערכת, כיוון ששילוב זה לא תוכנן

מראש.

הרחבה - יתרונות וחסרונות בשיטת מטה – מעלה:יתרונות:

צוות התכנות נותר ממוקד במטרהבשעה שהתכנות מתחיל אין יותר שאלותהקוד קל למעקב, כיוון שהוא נכתב בשיטתיות ועם מטרה

חסרונות:תכנות מעלה-מטה עלול להכביד על הבדיקות, כיוון ששום תוכנה

שניתנת לביצוע אינה קיימת עד סמוך לגמר ביצוע הפרויקט

משימה: ביצוע תכנון מטה מעלה של תוכנה אשר מבצעת את הפעולות המתמטיות הבסיסיות, ומוציאה פלט מתאים. הנחה את הכיתה לתכנון ברמת בלוקים בלבד.

המטרה: כל בלוק יבצע פעולה חשבונית אחת ויוציא פלט מתאים. שילוב הבלוקיםיחדיו ייצור תוכנה שלמה ומלאה.

דקות. 7 הקצב לכך

לולאות ופקודות מתקדמות

continue, break, returnנדון בפקודות הקשורות ללולאות:

?הפנה שאלה לכיתה – תנו דוגמא למצב בלתי רצוי היכול לקרות לרובוט שלנו...'למשל: זרוע נתקעת במרכב, רובוט מתנגש במכשול וכו

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

Continue, Break. Cפקודות אלו הינו מילים שמורות בשפת

הגדרת מונח: מעבר אחד על גוף הלולאה - מתחילת הסוגריים.איטרציההמסולסלות ועד סופן, נקרא

, כאשר אנו משתמשים בה בתוך לולאה,continueהמילה השמורה # לסיים את האיטרציה הנוכחית של הלולאה, ולעבור אלCאומרת לשפת

האיטרציה הבאה. # לסיים את הלולאה הנוכחית באופןC אומרת ל-breakהמילה השמורה

מיידי, ולעבור לקוד שאחרי הלולאה.

Return , רק שגם מחזירה ערך מסוים.break דומה מאוד לפקודת returnפקודת

חשובה לכל פונקציה שמחזירה תוצאה. היא נותנתreturnפקודת ה לפונקציה את הערך להחזיר וגורמת לה לצאת מייד מהלולאה. פירושו

רבות בפונקציה כדי לתת לה נקודותreturnשל דבר שניתן לשים פקודות יציאה רבות.

שימוש בפקודות הללו: בנינו זרוע לרובוט, אשר טווח התנועה שלה הינו מעלות. מה יקרה אם הזרוע תיתקע במרכב של הרובוט? תיתקע360

בקרקע?זה מצב בהחלט לא רצוי שיש למנוע אותו – וניתן למנוע אותו,בקלות יחסית.

נרכיב חיישן מפסק גבול על הרובוט, אשר יישב בקצה טווח התנועה המותר של הזרוע. ברגע שהמפסק יילחץ, תיכנס לפעולתה אחת

מפקודות הקפיצה שנקבע, תעצור את הלולאה המפעילה את הזרוע,ובכך נמנע את הפגיעה.

ראה דוגמאות מפורטות במצגת

switch caseפקודות ארוכות יותר. פקודה זו בנויהif הן תחליף לפקודות switch caseפקודות

על הגדרת משתנה מסוים, ושאילת שאלות לגבי מצבו. המבנה של פקודהזו הינו:

קביעת המשתנה המדובר-מצב המשתנה: -

o אם במצבX בצע Ao אם במצבY בצע Bo אם במצבZ בצע C o...וכן הלאה

.easy cפקודה זו הינה להעשרה בלבד, ואינה קיימת בשפת

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

EASY C פקודות מתקדמות

קיימות פקודות לניהוג ושליטה על הרובוט. ראינו בשיעורeasy cבשפת , אשר בהם נשתמש להסעת הרובוט.arcade ו tankקודם את פקודות

נציין בנוסף שאלו הם בלוקים מוכנים.

בנוסף, קיימות פקודות ספציפיות, המאפשרות שליטה על מנוע / סרבו )servo:יחיד )

Motor RX Servo RX

ואפשרות לקבל מהם מידע: RX input

מאפשרת שליטה באמצעות השלט על מנוע מסוים.motor RXפקודת פקודה זו תימצא בתוך לולאה על מנת לאפשר את קיומה התמידי.

בבחירת הפקודה ייפתח חלון המאפשר לבחור את ערוץ התקשורת,המנוע המבוקש ולחצן השלט הרצוי.

.servo זהה מלבד העובדה שמתאימה למנועי servo RXפקודת

מאפשרת קבלת משוב מאחד הערוצים, ואחסון המידעRX inputפקודת המתקבל לתוך משתנה. דוגמה למשוב ומידע כזה הוא מיקום הזרוע ביחס

לקרקע. נתון זה יילקח מהמנוע המזיז את הזרוע.

ערוצי תקשורת וברירת מחדל:אם קיים משדר יחיד – אזי בחירת הערוץ היא אוטומטית. .RX1אם קיימים שני משדרים – אזי ברירת המחדל היא ערוץ

דוגמאות – חלק מעשי

אלגוריתם אוקלידס לפני הספירה, המציא300 ל- 400בזמן מן הזמנים בין השנים

( אלגוריתם לחישוב המחלקEuclidהמתמטיקאי היווני אויקלידס )המשותף המקסימאלי )ממ"מ( של שני מספרים שלמים חיוביים.

)שני מספרים שלמים חיוביים( הוא המספר השלםY ושל Xהממ"מ של . למשל,Y והן את Xהחיובי הגדול ביותר שמחלק, ללא שארית, הן את

. 16 הוא 32 ושל 80הממ"מ של GCDסימון: ממ"מ=

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

! שאל: הציעו דרך לחישוב ממ"מ דקות.5 הקצב לכך

השלבים: חשוב, תכנן, בצע.3פתרון הבעיה ייעשה ע"י חשוב: מהם הקלטים המתקבלים?

מהו הפלט הדרוש?איזה חישוב יש לבצע?

כל קבוצה בעצמה תבצע את תהליך החשיבה.

תכנן: רמה החישוב הבסיסית של האלגוריתם: בצע פעולת מודולו על שני המספרים.- .GCDאם השארית שווה לאפס החזר את המספר הקטן כ- אחרת – בצע שוב את פעולת המודולו, כאשר המספר הגדול יהיה-

המספר הקטן מאיטרציה קודמת, והמספר הקטן החדש יהיה השאריתמאיטרציה קודמת.

חלק זה, של התכנון בלוקים, מעט מסובך במקרה זה ויהיה ברור יותר בשלב הביצוע. יש לשקול לעבור עליו במהרה, על מנת להציג את הקוד הסופי.

בצע: כתיבת הקוד.

.יש להסביר את הקוד בצורה מסודרת, תוך מתן דוגמה עבור שני מספרים

חיפוש מרחבי

הצגת הבעיה: נתון חדר במידות ידועות-קיים חפץ )נר, למשל( במקום כלשהו בחדר-יש להגיע אל הנר בדרך המהירה והיעילה ביותר-

.כל קבוצה תציע דרך לחיפוש מרחבי יעיל דקות.3 הקצב לכך

שיטות אפשריות: חיפוש שורה אחר שורה-

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

חיפוש מעגלי-חיפוש מדגמי -

מדדים: מהי הדרך המהירה ביותר?-איך לא נחפש באותו מקום פעמיים?-כיצד נכסה את כל המרחב?-

.הדגמה עבור חיפוש שורה אחר שורה

כתיבת קוד:כל קבוצה תכתוב קוד עבור חיפוש מרחבי.

בסוף השיעור – לכל קבוצה יש קוד שעובד עבור חיפוש מרחבי. אם הקבוצה אינה מצליחה לכתוב לבד, תקבל את קוד ברירת המחדל שהוכן מראש.

סיכום

.עבור על ראשי פרקים שנלמדו בשיעור זההדגש את ההישגים והכישורים החדשים איתם יוצאים התלמידים מהשיעור )בהתאם

לדף מבוא(. .בצע חיסול וניפגש פעם הבאה

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

תחרות הגמרהנחיות למדריך – להלן מפרט תחרות הגמר. סקור את הנושאים המפורטים בדף

זה ומוצגים בראשי פרקים במצגת. הקפד על הבנה מלאה של כל סעיפי פרק זה.

i.:קונספט התחרות כל צוות נדרש לבנות רובוט כלב ממונע לסילוק פצצות -

, לפי הפירוט הבא:כלבס"פה )ראה נספח א'(.Protobot מרכב ההנעה של הרובוט מבוסס .1 כל צוות חופשי לצייד את הרובוט בזרוע כרצונו. הזרוע תוכל.2

לנוע .Gripperלפחות במימד אחד ותהיה בעלת תפסן ממונע

)ראה נספח א'(.. כל Pitch, IR, Limit switch,Bumper לרובוט החיישנים הבאים: .3

קבוצה יכולה להוסיף עוד חיישנים כראות עיניה, כל עודהם משמשים מטרה מסוימת.

( Pitch הרובוט יזנק מקו ההתחלה בשריקת המפעיל )חיישן .4 ( בחיפושוIR של המרחב )חיישן עצמאיתויחל בסריקה

אחר הנר שמיצג את הפצצה. בעת זיהוי הנר הרובוטייעצר ויעביר את השליטה בו למפעיל אנושי.

, על מפעיל הצוות לפרק את המבנהGripper בעזרת הזרוע וה.5 שליד הנר, קובייה אחר קובייה ולאחסן את החלקים

בבטחה במיכל המיועד לקבוצה. בסיום יערך מרוץ שליחים בין הצוותים שיחולקו לשתי קבוצות.6

המכילות מספר צוותים. מתווה המרוץ מפורט בהמשך הקובץ,ומחולק למספר אופציות.

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

העבר נושא זה ביסודיות לקבוצות המשתתפות. ודא הבנה מראש. ברשותך לשנות את ניקוד התחרות כראות עיניך.

ii.:הישגים נדרשים(:80%חלק א' – סילוק פצצה )

נקודות(.5 זיהוי שריקת מפעיל ).1 נקודות(.10 תבנית חיפוש ברורה ).2 נקודות(.10 הגדרת התנהגות בעת פגיעה בקיר ).3 נקודות(. 15 מציאת נר )אפשרי להגדיר זמן( ).4 שני אופני פעולה: עצמאי ושליטה מרחוק, מעבר.5

ביניהם נקודות(.10ברגע מציאת נר )

פירוק מבנה והובלת החלקים לאחסון מבלי להפיל.6אותם

נקודות(.10)אפשרי להגדיר זמן( ) יצירתיות והרחבה מעבר לנדרש, לדוגמא: חיישנים .7

נקודות(. 20נוספים וכדומה )(:20%חלק ב' – מרוץ שליחים )

10 השלמת מסלול מירוץ שליחים בזמן הקצר ביותר ).8נקודות(.

נקודות(.10 העברת הסמן בהצלחה ).9

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

iii.:תרשים מתווה התחרותבחר את מתווה התחרות שהוחלט לבצע )עבור סילוק פצצות אין בחירה, עבור

מרוץ שליחים ישנן מספר אופציות כמצוין לעיל(, הצג אותו בפני הכיתה וודא הבנה.סילוק פצצות

חדר תחרות

מיכל פינוי

פצצה

כלבס"פ

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

:1מרוץ שליחים – אופציה "ספרינט" – הזנקה מקבילה לשתי הקבוצות. התקדמות בקו ישר

ללא מכשולים הלוך וחזור, העברת סמן לצוות הבא בקבוצה.

:2אופציה

חדר תחרו

ת

מיכל פינוי

פצצה

כלבס"פ

קן זינוק

מרוץ שליחים

1 2 1 2

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

מסלול מכשולים: כל קבוצה תוזנק בנפרד. המסלול עובר בין מכשולי קיר, מנהרות, פיתולים ומהמורות. כל רובוט עובר את המסלול, כשמסיים – הרובוט הבא באותה קבוצה יוצא לדרך.

ניווט ונסיעה בשליטת מפעיל.

)למתקדמים(:3אופציה מסלול מכשולים: כל קבוצה תוזנק בנפרד. המסלול עובר בין מכשולי קיר, מנהרות, פיתולים ומהמורות. כל רובוט עובר את המסלול, כשמסיים – הרובוט הבא באותה קבוצה יוצא לדרך.

, המסלולניווט ונסיעה לפי קוד עם שימוש בחיישן מעקב קומסומן.

שרטוט המסלול זהה לאופציה הקודמת.

.תהליך הבא הינו חשוב ביותר לצורך הצלחת התחרותמטרת התהליך ביצוע נכון ומסודר של פיתוח הרובוט, זהו סיכום ויישום של כל

הנלמד בקורס.

קן זינוק

מרוץ מנהרשליחים

ה גלילי

ת

התחלה

סיום

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

iv.תהליך חשיבה ותכנוןהגדרת המשימה: מתואר לעיל.1 חלוקה לתת-בעיות: זינוק, סריקה, זיהוי נר, היתקלות.2

במכשול, הפעלת זרוע וכו'

העלאת רעיונות לפיתוח רובוט מתאים לתחרות..3השוואת חלופות ומיפוי יתרונות וחסרונות..4 שינוי רעיון לצמצום חסרונות ובחירת רעיון מוביל..5הצגת שרטוט עקרוני + הסברים על אופן הפעילות..6אישור, מימוש קוד ובניית רובוט..7 בדיקה שיפור זיהוי כשלים ותקלות הרצת בדיקות .8ביצוע משימה!.9

בהצלחה!!!

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

נספח א' - דוגמאות

Protobotבסיס ל

Gripper

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

נספח ב' – הוראות הרכבהראה קובץ מצורף

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

נספח ג' – תהליך תכנון הנדסי

הגדרת צורך איזו משימה עיקרית ממלא הרובוט?אילו משימות משמנה הוא יבצע?

מהם דרישות היסוד?

ניתוח נתח, באילו תנאי סביבה יפעל הרובוט?האם אפשרי למצוא פתרון?

חלוקה האם ניתן לחלק את הבעיה שבפניה אתה עומד לבעיות קטנות?

סיעור מוחין אילו רעיונות עולים לפתרון הבעיה?אילו חלופות אפשר להציע?

מה עלה בדיון חשיבה?

רעיון נבחר מהו הרעיון המוביל?האם אנו שלמים איתו ומוכנים ליישמו?

דרכי מימוש איך נראית סכמת בלוקים של הפתרון?כיצד זורם המידע?

מהם הכלים שנצטרך?

תיק מדריך "חוג רובוטיקה לתלמידי תיכון"

בניה והרכבה בניית מכלולים.הרכבתם יחד – זיווד והרכבת גוף הרובוט.

כיצד נראה האב טיפוס?

הרצת ניסיון האם כל המכלולים מתפקדים ועובדים כנדרש?אילו בעיות, תקלות ובאגים נמצאו?

תיקון ושיפור בדוק תכנן מחדש שפר נסה שוב.האם יש צורך לחזור חזרה לתהליך חשיבה?

האם עתה הכל עובד ועומד במפרט?

שלח למשימה