案例十二：害羞的小PU——用超声波感知距离
案例简介
上一节课，我们给 PU 机器人设计了情绪系统——用灯光和动作表达"开心、伤心、生气"等情绪。但那些情绪是按键手动切换的，机器人不能"感知"周围发生了什么。
今天，我们要让机器人拥有真正的"环境感知力"。PU 机器人的超声波传感器就像它的"第六感"——能"感觉到"前方有没有东西靠近。我们给小 PU 设定一个新的人设：它是一个害羞的小家伙！ 当前方空旷（距离 > 30cm）时，它胆子很大，正常走路；当有东西靠近到 10~30cm 时，它开始紧张，亮起黄灯、发出声音；当东西靠得太近（< 10cm）时，它吓坏了，亮红灯、停下脚步、慌张地摇头。本案例综合运用超声波传感器、条件判断、灯光、动作、音乐五大模块，让学生体验"传感器数据驱动行为"的编程思想。
教学准备
| 名称 | 图示 |
|---|---|
| PU 机器人套装（含超声波传感器、4×RGB LED + 2×白色射灯、蜂鸣器） |  |
| 编程设备（电脑） | |
| 平整地面 | |
| 障碍物（积木块/书本/纸杯） | |
| 尺子（验证距离用） |
硬件回顾——超声波传感器
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 测距范围 | 2cm ~ 400cm | 超出范围数据不可靠 |
| 安装位置 | 机器人身体前方 | 检测前方障碍物距离 |
| 工作原理 | 发射超声波 → 遇障碍物反射 → 接收回波 → 计算距离 | 类似蝙蝠回声定位 |
教师提示：案例八中我们用超声波做过基础避障（检测到障碍就转弯），本课是超声波的进阶用法——不再是"有没有障碍"的二元判断，而是"障碍有多远"的多级判断。引导学生回顾案例八的知识作为起点。
"害羞的小 PU"行为设计
| 距离范围 | PU 的状态 | 灯光效果 | 动作 | 音乐/音效 |
|---|---|---|---|---|
| > 30cm | 😄 自信——前方安全，大胆走 | RGB 绿色常亮 | 正常行走 | 无（安静行走） |
| 10 ~ 30cm | 😳 害羞——有人靠近了 | RGB 黄色 | 继续走 | 发出提示音 |
| < 10cm | 😰 害怕——太近了！ | RGB 红色 + 眼灯快闪 | 停止移动 + 摇头 | 发出短促警报音 |
教师提示：三个距离区间的设定要让学生理解——为什么是 30cm 和 10cm 这两个分界线？可以把 30cm 想象成"社交距离"，10cm 想象成"安全底线"。引导学生用手比划这两个距离，建立身体直觉。
课程目标
巩固超声波传感器的使用方法，理解传感器数据作为"条件判断输入"的编程模式；
掌握多级条件判断（
如果…否则如果…否则）的嵌套结构，用距离阈值划分三个行为区域；能将超声波数据与灯光、动作、音乐模块联动，实现"不同距离→不同表情→不同动作→不同声音"的完整响应链；
理解"害羞小 PU"的设计思路——用拟人化思维把传感器数据转化为可理解的行为故事。
课程引入
同学们，你们有没有这样的经历：走在路上，远处有人朝你走过来，你其实没太在意；等那个人越走越近，大概两三步的距离，你开始觉得有点不自在——"这个人要干嘛？"；如果那个人突然走到你面前半步不到，你可能吓一跳，本能地往后退一步。
这就是人类本能的"社交距离感"——距离不同，反应完全不同。
今天，我们要给小 PU 也装上这种"社交距离感"！它本来胆子就不大，当前方空荡荡的时候，它敢放心走路；一旦有东西靠近到 30 厘米以内，它就开始紧张；要是靠到 10 厘米以内——它就彻底吓坏了，停下来慌张地摇头！
我们要用超声波传感器当它的"距离感应器"，配合灯光和动作，让小 PU 的"害羞"活灵活现。
学习探究
第一步：回顾超声波传感器基础
- 回顾案例八：打开案例八的避障程序，复习超声波传感器的使用：
读取超声波距离——获取前方障碍物的距离数值（单位：厘米）如果 距离 < 10 那么…——基础的条件判断避障逻辑
- 明确本课升级：案例八只有一个判断阈值（10cm），小 PU 只知道"有障碍"和"没障碍"。本课要用两个阈值（30cm 和 10cm）划分三个区域，让小 PU 有三种不同的反应。
第二步：多级条件判断——三区间编程
基础练习一：三级距离显示——先用 LED 矩阵验证条件判断逻辑：
距离范围 LED 显示 含义 > 30cm 勾号 ✓ 安全，放心走 10 ~ 30cm 感叹号 ! 有人靠近，注意！ < 10cm 叉号 ✗ 太近了！害怕！ - 编程结构：
如果 距离 > 30 那么 ✓ 否则如果 距离 > 10 那么 ! 否则 ✗ - 关键提问：为什么不能写成三个独立的
如果？- 如果写成三个
如果，当距离 = 15cm 时，第一个如果 距离 > 30不成立，但第三个如果 距离 < 10和第二个如果 距离 > 10会同时检查——需要用否则如果确保只执行一个分支
- 如果写成三个
- 编程结构：
基础练习二：距离驱动的灯光切换——把 LED 显示换成 RGB 灯光：
- 距离 > 30cm → RGB 绿色常亮
- 10cm < 距离 ≤ 30cm → RGB 黄色
- 距离 ≤ 10cm → RGB 红色
- 学生把手放在传感器前，缓缓靠近，观察灯光从绿→黄→红的三级变化
- 教师提示：这一步先不加动作和音乐，单独测试灯光是否在正确的距离切换。模块化测试——一个功能确认正常再加下一个。
第三步：完整行为——灯光 + 动作 + 音乐
害羞行为编程——安全区（> 30cm）：
- RGB 绿色常亮
- 眼灯常亮
- 正常行走
- 无音乐（安静地走）
- 调试：行走延时设为多少合适？（建议 2 秒，然后循环检测距离）
害羞行为编程——害羞区（10 ~ 30cm）：
- RGB 黄色
- 眼灯常亮
- 播放一个"紧张提示音"
- 设计讨论：为什么害羞区不是"停止"，而是"放慢"？因为害羞不等于恐惧——小 PU 虽然紧张，但还敢慢慢走。这符合"害羞"的人设。
害羞行为编程——害怕区（< 10cm）：
- RGB 红色急闪
- 眼灯快闪
- 停止移动 → 摇头（左转→右转→左转→右转，反复 3 次）
- 播放短促警报音
- 动作细节：摇头怎么实现？用"左转 → 短暂延时 → 右转 → 短暂延时"循环模拟，转角要小（约 15~10°），速度要快，看起来像紧张地左顾右盼。
第四步：测试与参数调优
- 分阶段测试：
- 阶段一：只测试灯光切换——把手从远处缓缓靠近，观察灯光是否按绿→黄→红顺序变化，切换距离是否准确
- 阶段二：加入动作——测试机器人在三个区域的行为是否正确
- 阶段三：加入音乐——测试三个区域的音效是否匹配
- 阶段四：整体联调——在地面上放置障碍物，让机器人自由行走，观察完整行为链
MakeCode 编程
距离分级显示
程序一：三区间距离检测 + 灯光切换（绿/黄/红）
程序链接：https://makecode.microbit.org/_271HL4Pdj5K5
完整害羞行为程序
程序二：害羞的小 PU——超声波距离驱动的灯光 + 动作 + 音乐完整程序
程序链接：https://makecode.microbit.org/_Wordf1HpoWHz
总结分享
各组展示"害羞的小 PU"——让同学慢慢靠近机器人，观察它的三级反应。分享调优过程和创意设计。教师结合展示总结：
传感器是机器人的"感知"：人类用眼睛感知距离，小 PU 用超声波传感器感知距离。传感器把物理世界的"距离"变成了程序能懂的"数字"，程序再根据数字做出不同的反应——这就是"感知→判断→行动"的完整链路；
多级判断比二元的更"像人"：案例八的避障只有"走"和"停"两个状态，就像一个开关。今天的小 PU 有三个状态——安心、害羞、害怕——更像真实的情感反应。真实的智能系统都是多层次的，不是非黑即白；
阈值是"性格参数"：同样是害羞，阈值设 50cm 的小 PU 比 30cm 的小 PU 更"胆小"。就像人一样——有些人的社交距离大，有些人的社交距离小。调参数其实是在"调性格"；
拟人化让技术更有温度：今天我们没有说"多级条件判断算法"，而是说"害羞的小 PU"——同样的程序，有了一个故事和角色，就变得有趣得多。好的产品设计也经常这样做——用拟人化让冰冷的科技变得温暖可亲。
课后延伸
挑战一："社牛小 PU"——把害羞改成"社牛"！> 30cm 正常走，10~30cm 反而加速走向障碍物（表示热情），< 10cm 停下来"打招呼"（点头+播放欢迎音效）。思考：只需要修改哪些部分？
挑战二："害羞恢复动画"——当障碍物从害怕区（< 10cm）慢慢移开到安全区（> 30cm）时，设计一个"恢复"动画：红灯渐变为黄灯再渐变为绿灯 + 播放上行音阶"叮~叮~叮~"。提示：用变量记住"上一次的状态"，当状态从"害怕"变为"安全"时触发恢复动画。
延伸探索：查阅资料了解自动驾驶汽车的"安全距离"分级系统——它和今天的小 PU 有相似之处吗？自动驾驶在 100 米、50 米、10 米分别会做什么？对比一下。