您的位置:首页 >活动竞赛>特色项目> 详细内容

宁台港创新挑战大赛冠军作品《智能八音编钟》

来源: 发布时间:2018-10-28 19:31:00 浏览次数: 【字体:

智能八音编钟

南信大高新实小 李欣然 李楚萌 苏乐妍 梅文溪

一、创作背景

编钟是我国传统的礼乐重器,是中国古代社会国家声音的载体与象征。距今2400多年的曾侯乙编钟,被称为“稀世珍宝”、“世界奇迹”,代表了人类青铜文化发展的巅峰,是中华民族对世界文明发展史的伟大贡献。

二、活动意义

在创作过程中领悟数千年的传统文化精髓,了解古代文明深厚的文化内涵的同时,结合科技探究与实践,运用人工智能和编程设计,展现科技创意与创新的进取意识,展示“发展优秀文化、创新传统文化”的开拓精神。

三、创作过程

(一)制作乐手

1.创意设计

经过前期的准备,我们搜集了一些主流的音乐机器人的解决方案:

  image.pngimage.png

人形机器人                         机械臂

  image.pngimage.png

舵机                           电磁开关

  image.pngimage.png

滑台加舵机(电磁开关)

通过对主流解决方案的分析,我们发现这些方案几乎都使用到了舵机(电磁开关的运行方式和舵机类似),人形机器人和机械臂的内部也是舵机。以我们的经验,单舵机(加云台舵机或者滑台)的演奏节奏会受到舵机运转时间的限制,这样只能演奏慢节奏的音乐。可以通过多个舵机来解决,只是会多占几个接口,乐手的尺寸也会大一点。不过这些都是可以解决的,我们最关心的是如何契合这次的主题——“创意”。

我们一边考虑着用舵机解决的方案,一边思索着有没有新的思路。终于,我们在生活中一个很常见的东西上产生了灵感——八音盒。

 image.png

八音盒的原理:利用滚筒上的凸起,拨动钢片发音。我们的创意:制作一个大的滚筒和八个小锤,用滚筒上的凸起拨动小锤模拟乐手敲击动作。下图是学生手绘的草图:

 image.png

2.选择材料

我们选择了直径75mm的PVC水管作为滚筒材料,为了增加凸起间的行程,我们选用长100mm的长螺丝作为滚筒凸起。

  image.pngimage.png

                PVC水管                           长螺丝

按照我们的设计,成品尺寸会比较大,重量会较重,所以机器人部分的配件要比较坚固,动力要比较强,所以我们选择了Makeblock的比赛套件来搭建小车主体,外形使用生活中随处可见的瓦楞纸和泡沫:

  image.pngimage.png

Makeblock Arduino MegaPi 主控板 + RJ25扩展板

  image.pngimage.png

180编码电机              37直流电机


 image.png

Makeblock 零件扩展+传感器

image.pngimage.png

瓦楞纸                          泡沫

Makeblock Arduino MegaPi 主控板可以接四路编码电机,这样小车可以做成四驱的,保证动力;还可以接四路直流电机,为滚筒提供动力;加上扩展板以后有12路输入输出接口,可以扩展很多传感器和电子元件,实现多种功能。用金属件搭建车身,十分坚固,车身也会更加稳定。瓦楞纸和泡沫随处可见,而且方便做造型。

3.结构搭建

首先 ,我们用Makeblock套件搭建了一个四驱的小车底盘,后面的设计就直接装在底盘上。

①设计滚筒:

根据八音盒的原理,我们节选了《茉莉花》的一部分,绘制了运行原理图。

 image.png

由于乐手的外观不能超过50cm,所以我们把PVC管截成40cm,预留10cm安装电机和外壳。我们设计的乐手有8个小锤,也就是最多能演奏8个音,所以要把滚筒平均分成8份,节选的《茉莉花》有32个音节,所以要把滚筒一周平均分成32份。我们先按照这个原理图在PVC管表面画上线。

  image.pngimage.png

再对照运行原理图在滚筒上打孔安装凸起(螺丝),并装在小车底盘上。

  image.pngimage.png

②设计小锤:

按照我们的设计,小锤是独立安装,通过滚筒上的凸起来拨动,那么小锤就需要有弹性,橡皮筋比较常见也容易实现,成了我们的首选。在学生准备的材料中,我们选中了储物架的支架作为小锤的主体。最后调整好间距安装在小车底盘上,效果如下图:

  image.pngimage.png

③组装调试:

最后装上长螺丝,根据螺丝长度锯掉小锤主体尾部多余部分,给滚筒装上电机并测试。

  image.pngimage.png

小锤的敲击部分我们也实验了很多材料,用过竹签、筷子、笔芯、木条……,最终确定用铁丝加乐高小球来制作,方便调整。

 image.png

4.乐手外形设计

根据乐手制作要求,乐手应使用生活中产生的可回收材料进行装扮,使其更加具有古代人物的形韵。所以我们用泡沫雕刻出四个古代小人作为乐手,用瓦楞纸裁剪小车外壳,把小车装扮成古代战车的造型。我们还给我们的设计赋予了含义:车上四个小人代表宁台港澳四兄弟,穿越到两千年前,共同驾驶战车寻找编钟,奏响科技“音”。

       image.pngimage.png

image.pngimage.png

image.pngimage.png

我们给外壳和小人都刷了颜色,使其更具古代特色。到此,一个可编程的智能乐手制作完成了。

(二)设计编钟

我们测量了乐手的数据,长宽高都接近50cm,按照预想,乐手在敲击编钟时是固定不动的,所以编钟的发声部分不能超过50cm,所以接下来的选材、制作都要考虑到这一点。

1.选择材料

我们首先考虑的是发声材料。经过测试,最理想的材料是金属,但是我们没有专业的切割工具,很难调音,所以我们退而求其次,选择了玻璃材质,最简单就是玻璃瓶加水。要设计八个音,又受到50cm这个限制,所以玻璃瓶不能太粗,于是我们花了几天时间,实验各种瓶子,最终初步选定RIO鸡尾酒的瓶子。

     image.pngimage.pngimage.png

主体框架我们选用废旧木板搭建,造型材料依然选用泡沫,因为它可塑性较高。

2.制作编钟

①制作支架:

我们先用锯子锯了几块木板,按照尺寸要求制作了第一版的编钟支架。

 image.png

②调音:

我们请音乐老师帮忙调音,通过在玻璃瓶中加水来改变音调,并给水位做上记号。我们发现,同样的瓶子,水越多音调越低,水越少音调越高。由于RIO的玻璃瓶调不出do和re,于是换了两个瓶子。

 image.png

③安装玻璃瓶:

在安装玻璃瓶时,由于换了两个瓶子,原来的支架不合适,为了防止以后还会调整,我们又制作了第二版支架,并装上玻璃瓶。

 image.png

3.造型设计

为了让编钟更具古代气息和中国特色,我们用泡沫雕刻成龙和祥云的造型包装编钟,再上色,最后用超轻黏土做适当的点缀,过程和效果如下图:

 image.pngimage.png

image.pngimage.png

 image.pngimage.png

image.pngimage.png

image.pngimage.png

image.pngimage.png

image.png

最终,我们在预设的时间之前,完成了乐手和编钟的设计与制作。

(三)程序设计

1.分析任务

我们首先场地说明进行了研究,本次比赛地图设有两种变量,现场抽签决定变量位置,经过分析,一共有8种地图16种走法。

       image.pngimage.pngimage.png

同时,我还发现,敲钟区的宽度只有30cm,而我们的车身接近50cm,如果在这里有转弯动作,车身肯定不正,那就很难定位编钟。再加上时间紧迫,8月25日就要正式比赛,所以我们的第一反应就是要研究路线。

我们有两点考虑:第一,由于车身较大,所以小车必须走一个较长的直线到达编钟位置,这样才能保证车身是正的,便于定位和敲击;第二,比赛时现场编程,16种程序训练和记忆难度较大,需要从算法上降低难度。

基于这两点考虑,我们研究了路线。以下图为例,我们将整个路线分为三段:第一段,无论从A区出发还是从B区出发,都左转到边线,再巡线到S弯入口所在的路口停下来;第二段,如果S弯在D区(如图),直接巡线到S弯入口,巡完S弯再回到左边的边线,如果S弯在C区,开头和结尾多走一个十字路口即可;第三段,顺着边线找到斜线的入口,巡斜线回到地图的中线,然后巡中线找到编钟,如果斜线在A区,只需要穿过中线到达右边线,再找斜线入口即可。

 image.png

通过这样的设计,我们把16种不同的走法分成三段,每一段虽然还有不同的情况,但是程序非常的相似,大大降低了难度,便于学生理解和快速掌握。而且我们先巡S弯,再通过斜线回到中线,能在顺利找到编钟的同时保证车身是正的。

2.编程测试

接下来的时间,指导学生完成程序的设计、测试,不断调整和优化程序,还进行了模拟比赛。

        image.pngimage.png

image.pngimage.png

image.pngimage.png

3.调整设计

在测试的过程中,我们发现了一些问题,例如编钟和乐手的定位不准,乐手转弯会打滑等等,我们通过调整小车的重心、调整巡线速度等方法解决了。但是有一个问题一直调整不好,就是奏乐总是不完整,要么多一个音,要么少一个音,原因是用时间来控制直流电机精度不高,滚筒转的不是整圈。

最终我们通过限位开关解决了这个问题。我们在滚筒外调整好位置安装了一个限位开关,用木块做了一个小的凸起粘在滚筒上,当滚筒滚动到某一位置时,凸起的木块就会触发限位开关。

image.png

滚筒每滚动一周就会触发一次限位开关,在程序中设置第几次触发停止转动就可以精确控制滚动圈数,从而使奏乐更加完整。


【打印正文】