案例十三：小心别撞墙——超声波精准“停车”挑战赛
案例简介
前面 12 节课，我们学会了 PU 机器人的全部能力：走路、跳舞、唱歌、变灯光、感知距离、表达情绪……现在，是时候来一场真正的机器人竞赛了！
比赛规则很简单：在赛道前方放置一面"墙壁"（障碍物），所有机器人在同一起跑线出发，朝墙壁直线前进，在撞上之前停下来。谁的机器人离墙壁最近且没有碰到墙壁，谁就获胜！
听起来简单？但要真正做到"近而不碰"，需要精准控制超声波传感器的距离判断、行走速度和停车时机——这就是本课的核心挑战。学生将综合运用超声波传感器、动作模块、循环模块、变量模块，编写"精准停车"程序，通过多轮比赛不断调优参数，在竞赛中体验工程调优的乐趣。
教学准备
| 名称 | 图示/说明 |
|---|---|
| PU 机器人套装 |  |
| 编程设备（电脑） | 每组一台 |
| 比赛赛道 | 宽 1 米、长 2 米以上的平整区域，用胶带标出起跑线 |
| "墙壁"（障碍物） | 坚硬平整的纸箱/木板，高度超过机器人头部，宽度覆盖赛道 |
| 卷尺 | 用于测量最终停车距离，精确到毫米 |
| 计时器 | 用于记录每组的完成时间 |
| 打印"比赛记录表"（每组一份） | |
| 奖品/奖状 | 冠亚季军奖励（可选） |
PU 机器人双足步行特性回顾
| 特性 | 说明 | 对停车挑战的影响 |
|---|---|---|
| 步行方式 | 6 自由度舵机驱动双足交替迈步 | 每一步跨出后必须落地站稳，无法"半步悬停" |
| 停止机制 | 舵机停止运动 → 保持当前站立姿态 | 停止响应快，没有"滑行"，但步态中途无法中断 |
| 速度可调 | 通过调整步幅（动作幅度参数）和步频（循环延时）控制 | 步幅小→每步距离短→更容易精准停，但走得慢 |
教师提示：PU 机器人是 OTTO 类双足步行机器人，不是轮式小车。轮式车有"刹车惯性"——车轮停转后车身还会往前滑一段距离。但双足机器人没有滑行惯性——舵机一停就站住了。双足停车的真正难点在于步态时机：你无法精确控制"迈半步"，只能控制"迈完这步后不再迈下一步"。
比赛规则
基本规则
| 规则项 | 说明 |
|---|---|
| 目标 | 机器人从起跑线出发直线前进，停在墙壁前，离墙壁最近且不触碰者获胜 |
| 赛道 | 平整地面，起跑线距墙壁约 1.5 米（可根据场地调整） |
| 出发 | 按下 A 键后启动，机器人自动前进 |
| 有效成绩 | 机器人没有碰到墙壁的前提下，传感器到墙壁的最短距离 |
| 犯规判定 | 机器人碰到墙壁 = 碰撞犯规，该轮成绩无效 |
| 比赛轮次 | 根据实际时长及学生活跃度灵活调整，建议练习赛两轮，正式比赛一轮 |
得分规则
| 成绩 | 得分 |
|---|---|
| 距离墙壁 ≤ 1cm 且未触碰 | ⭐⭐⭐ 满分（完美停车！） |
| 1cm < 距离 ≤ 3cm | ⭐⭐ 优秀 |
| 3cm < 距离 ≤ 5cm | ⭐ 良好 |
| 5cm < 距离 ≤ 10cm | 合格 |
| 距离 > 10cm | 太远了，继续加油 |
| 碰到墙壁 | 犯规，该轮 0 分 |
特殊情况 如果两位同学编写的代码使PU在完全相同的距离处停止，那么获胜者是最先停止的机器人.
课程目标
综合运用超声波传感器、动作模块、循环模块、变量模块、编写"精准停车"程序；
在竞赛情境中体验工程调优的完整流程——测试→分析→修改→再测试，培养科学实验思维；
培养竞技精神与团队协作能力。
课程引入
同学们，今天不是上课——是比赛！
规则只有一句话：让你的机器人走到墙壁面前，停下来，离墙壁越近越好，但绝对不能撞上去！
你可能觉得这很容易——"不就是一直走，看到墙就停嘛！"但你想想，机器人收到"停止"指令到真正停下来，中间有一个过程——就像你跑步时听到哨声，身体还会往前冲几步才停下来。这个"往前冲"的距离，就是机器人的"制动惯性"。
所以真正的挑战是：你需要在机器人还没到墙的时候就下达停止指令，留出"刹车距离"。但留太多了就离墙太远（输），留太少了就撞墙（犯规）。
这个"刚刚好"的距离是多少？没有标准答案——你的机器人和你自己去找！
学习探究
第一阶段：分析挑战——双足停车为什么难？
讨论：双足 vs 轮式，停车有什么不同？
轮式小车 双足 OTTO 机器人 行进方式 车轮持续滚动 双足交替迈步 停止方式 电机停转，靠摩擦减速 舵机停转，直接站住 有滑行吗？ 有，车轮有惯性会滑一段 没有，舵机停就站住了 精准停车难点 刹车时机（留出滑行余量） 步态时机（最后一步跨多远不可控） 每次结果一样吗？ 比较稳定 有随机偏差 - 核心结论：双足机器人没有"滑行刹车"问题，但有一个轮式车没有的问题——你无法精确控制每一步跨多远。同样的"前进"指令，每步实际距离可能有 ±0.5cm 的偏差。
停车时机分析：
关键发现：误差大小取决于"发出停止指令时，机器人处于步态的哪个阶段"
- 如果刚好在一步的开始被检测到 → 这一整步都要跨完 → 误差大
- 如果刚好在一步的末尾被检测到 → 只多走一点点 → 误差小
- 这是随机的，无法精确控制！
- 降低误差的策略：
| 策略 | 原理 | 效果 |
|---|---|---|
| 小步幅行走 | 每步跨得短，即使多走一步，误差也小 | ⭐⭐⭐ 最有效 |
| 低步频行走 | 每步之间间隔长，给传感器更多检测机会 | ⭐⭐ 有效 |
| 提高检测频率 | 减少每次循环的延时，更快发现"该停了" | ⭐⭐ 有效 |
| 多次取最优 | 跑多轮，取最好成绩 | ⭐ 治标不治本 |
MakeCode 编程
程序链接：https://makecode.microbit.org/_TRMWvyP1AXsM
此程序仅为最简单示例，可通过编程继续优化效果
第四阶段：正式比赛
- 赛前准备：
- 各组确认最终参数（练习赛中表现最稳定的一组）
- 机器人放置在起跑线后方，朝向墙壁，确保步行方向对准
- 裁判（教师）用卷尺确认起跑线到墙壁的距离一致
正式赛流程（每组 3 轮）：
裁判宣布"准备" → 各组放置机器人
↓
裁判宣布"3、2、1、出发！" → 各组同时按下 A 键
↓
机器人步行前进……（其他同学围观加油）
↓
机器人停车（或撞墙）
↓
裁判用卷尺测量：机器人头部到墙壁的距离（精确到毫米）
↓
记录成绩 → 下一组
赛后分析：
- 公布排名，颁发奖状
- 冠军组分享：你们的停车阈值和步幅设的是多少？调参过程中最关键的发现是什么？
- 犯规组反思：为什么会撞墙？如果再来一次，你会改哪个参数？
- 全班讨论：为什么同一个参数，有时候停得好，有时候停得差？
课后延伸
挑战一："连续挑战赛"——完成一次停车后，自动后退回到起跑线，再前进停第二次。连续 3 次都停在 3cm 以内算"大师级"！提示：后退距离用固定延时控制；
挑战二："跟随挑战"——让机器人跟随障碍物保持固定距离（如 5cm）。障碍物前进，机器人跟着前进；障碍物停下，机器人停下；障碍物后退，机器人也后退。提示：如果距离 > 5cm 就前进，< 5cm 就后退，= 5cm 就停止；