Блок lego mindstorms nxt

Обновлено: 17.05.2024

Лет эдак в 10-11, после долгих и беззаботных лет игры с контрукторами Lego, я узнал о существовании великолепного набора Mindstorms, который позволял создавать самых настоящих роботов без специализованных знаний электроники, электротехники и даже программирования. Я сразу же заинтересовался данной серией, но тогда моим мечтам обладать Mindstorms по различным (в основном — финансовым) причинам не суждено было сбыться.
Сейчас мне 20 и в честь юбилея друзья (спасибо им!) решили окунуть меня назад в детство и таки дать возможность полепить собственных роботов. Правда, в этот раз всё будет серьёзнее, чем в моих детских мыслях — мы будем действительно программировать Mindstorms под Debian GNU/Linux.

Неплохо, да?
Собственно, данный робот и будет нашей основной тестовой моделью. Но мы попробуем немного усовершенствовать его навыки. И для этого мы напишем небольшой кусочек кода.

Действительно. Идущее в комплекте ПО работает только в Windows и Mac OS. А у нас, внезапно, Debian Squeeze. К счастью, Mindstorms обладает огромным сообществом фанатов, которые придумали решение данной проблемы — использование альтернативного ПО для программирования роботов, в частности Bricxcc (здесь выложен полнейший мануал по настройке всего и вся).
А теперь немного теории — в программировании Mindstorms, как правило, помимо визуального среды ROBOLAB для Windows и Mac OS используется язык RCX, однако среди фанатов одним из наиболее популярных языков является достаточно простой NXC (Not eXactly C). Простая программа на NXC выглядит примерно так:

task music()
int lastTone=5000;
while ( true )
int tone= Random (5000)+500;
int duration= Random (500);
PlayTone(tone,duration);
Wait(duration);
>
>
task main()
start music;
while ( true )
/* Determine Next Action */
unsigned int duration= Random (5000);
unsigned int motorSpeed= Random (100);
unsigned int syncMode= Random (3);
/* Display Next Action */
ClearScreen();
NumOut(0,LCD_LINE1,duration);
NumOut(0,LCD_LINE2,motorSpeed);
NumOut(0,LCD_LINE3,syncMode);
/* Perform Next Action */
switch (syncMode)
case 0:
OnFwdReg(OUT_AC,motorSpeed,OUT_REGMODE_SYNC);
break ;
case 1:
OnRevReg(OUT_AC,motorSpeed,OUT_REGMODE_SYNC);
break ;
case 2:
OnFwdSync(OUT_AC,motorSpeed,-100);
break ;
case 3:
OnRevSync(OUT_AC,motorSpeed,-100);
break ;
>
Wait(duration);
>
>

Для справки — данная программа заставляет «танцевать» нашего робота под нечто, напоминающее музыку.

Не буду спорить, программа совсем не сложна для понимания, но достаточно громоздка. И её можно заметно упросить, используя вместо написания кода на NXC специальный конвертер PyNXC. Иначе говоря, мы будем писать код на Python'е, а PyNXC будет преобразовывать его в NXC-код и загружать на устройство, избавив нас от необходимости писать громоздкий код на подобии Си.

Ну, а теперь, собственно, напишем на Python'е программу для путешествия нашего робота среди прозрачных чашек, но используя более грамотный алгоритм разворота:

Теперь наш робот научился разворачиваться на месте и, как только мешающий объект пропадет с поля его зрения, продолжать движение вперед.

Как вы уже, наверное, заметили, программировать Mindstorms очень просто. Стоит также сказать, что помимо NXC и Python с использованием PyNXC, можно писать код на Java, Lua, Ruby, Ассемблере, а также, что логично, использовать ассемблерные вставки в других языках.
Благодаря всему этому Mindstorms из детской игрушки превращается в весьма мощную штуку, позволяющую создавать сложные и «умные» механизмы, как например вот эта гитара:

Здравствуйте. В своих статьях я хочу Вас познакомить с основами программирования микрокомпьютера LEGO NXT Mindstorms 2.0. Для разработки приложений я буду использовать платформы Microsoft Robotics Developer Studio 4 (MRDS 4) и National Instruments LabVIEW (NI LabVIEW). Будут рассматриваться и реализовываться задачи автоматического и автоматизированного управления мобильными роботами. Двигаться мы будем от простого к сложному.

Предвосхищая некоторые вопросы и комментарии читателей.

Почему именно NXT Mindstorms 2.0? Потому-что для своих проектов данный набор мне показался наиболее подходящим, т.к. микрокомпьютер NXT полностью совместим с платформами MRDS 4 и NI LabVIEW, а так же данный набор является очень гибким в плане сборки различных конфигураций роботов — затрачивается минимум времени на сборку робота.

Почему платформы MRDS 4 и NI LabVIEW? Так сложилось исторически. Обучаясь на старших курсах университета стояла задача в разработке учебных курсов с использованием данных платформ. К тому же платформы обладают достаточной простотой в освоении и функциональностью, с их использованием можно написать программу непосредственно для управления роботом, разработать интерфейс пользователя и провести тестирование в виртуальной среде (в случае с MRDS 4).

Да кому вообще нужны эти ваши уроки, в сети и так куча проектов по робототехнике! С использованием данной связки (NXT+MRDS 4/NI LabVIEW) учебных статей практически нет, в основном используется родная среда программирования, а в ней совсем все тривиально. Всем кому интересны робототехника, программирование и у кого есть набор NXT (а таких не мало), возрастная аудитория любая.

Графические языки программирования это зло, а те кто на них программируют еретики! Графические языки программирования коими и являются MRDS 4 и NI LabVIEW несомненно имеют свои минусы, например ориентированность под узкие задачи, но все же в функциональности они мало уступают текстовым языкам, тем более NI LabVIEW изначально разрабатывался как язык легкий в освоении для решения научных и инженерных задач, для этого в нем присутствует множество необходимых библиотек и инструментов. По-этому для решения наших задач данные графические языки являются наиболее подходящими. И не надо нас за это ~~сжигать на костре~~ презирать.

Все это выглядит по-детски и вообще не серьезно! Когда задача состоит в реализации алгоритмов, в обучении основам и принципам программирования, робототехники, систем реального времени без углубления в схемотехнику и протоколы, то это очень подходящий инструмент хоть и не дешевый (касаемо набора NXT). Хотя для этих же целей неплохо подойдут наборы на базе Arduino, но совместимости с MRDS 4 и NI LabVIEW у данного контроллера почти нет, а в данных платформах есть свои прелести.

Технологии, которые используются, являются продуктом загнивающих капиталистических стран, а автор враг народа и пособник западных заговорщиков! К сожалению, большинство технологий в области электроники и вычислительной техники родом с запада, буду очень рад если мне укажут на аналогичные технологии исконно отечественного производства. А пока будем использовать то, что имеем. И не надо на меня за это ~~сообщать спецслужбам~~ держать зла.

Краткий обзор платформ MRDS 4 и NI LabVIEW.

Внесу некоторую ясность в терминологию. Под платформой, в данном случае, имеется ввиду совокупность различных инструментов, например язык VPL в MRDS, а так же среда выполнения приложений, т.е. непосредственной компиляции приложений в исполняемые (*.exe) файлы нету.

блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора;
лицевой панели, описывающей интерфейс пользователя виртуального прибора.

Краткий обзор набора LEGO NXT Mindstorms 2.0.

Рисунок 1 — Микрокомпьютер NXT с подключенными датчиками и приводами

И конечно же в наборе находятся разнообразные детали LEGO в форм-факторе LEGO Technic из которых будут собраны исполнительные механизмы и несущая конструкция.

Рисунок 2 — Детали в форм-факторе LEGO Technic

Пишем первое приложение.

Напишем первое приложение. Пусть, классически, данное приложение выводит текст “Hello, World!”. Реализация будет происходить поочередно в MRDS 4 и NI LabVIEW, в процессе будем рассматривать специфику каждой платформы.

Предварительно инсталлируем платформы MRDS 4 и NI LabVIEW, в случае с MRDS 4 инсталляция должна проводится в папку путь к которой не состоит из кириллицы (русских букв), учетная запись пользователя так-же должна состоять только из латинских букв.

1. Платформа MRDS 4.

Запускаем среду VPL (Меню Пуск — Все Программы — Microsoft Robotics Developer Studio 4 — Visual Programming Language). Данная среда позволяет разрабатывать приложения на языке VPL, проводить тестирование в виртуальной среде VSE. Программа в VPL представляет собой диаграмму, состоящую из соединенных между собой блоков. В открывшемся окне, помимо стандартной панели команд и меню, присутствует 5 основных окон:

Basic Activities – содержит базовые блоки, которые реализуют такие операторы как константа, переменная, условие и т.д.;
Services – содержит блоки, предоставляющие доступ к функционалу платформы MRDS, например блоки для взаимодействия с какой-либо аппаратной составляющей робота, или блоки для вызова диалогового окна;
Project – объединяет диаграммы входящие в проект, а так же различные конфигурационные файлы;
Properties – содержит свойства выделенного блока;
Diagrams window – содержит, непосредственно, диаграмму (исходный код) приложения.

Рисунок 3 — Среда программирования VPL

Выполним следующую последовательность действий:

добавим блоки Data (из окна Basic Activities) и блок сервиса Simple Dialog (из окна Services),
в блок Data введем “Hello, World!” (без кавычек) и выберем тип данных String,
соединим блок Data с блоком Simple Dialog, появиться диалоговое окно,
далее, все выполняем как на рисунках

Рисунок 4 — Окно Connections

Рисунок 5 — Окно Data Connections

Рисунок 6 — Законченный вид диаграммы

2. Платформа NI LabVIEW.

На данной платформе все реализуется, практически, идентично. Запустим среду LabVIEW. Перед нами появиться два окна, первое — Front Panel, предназначено для реализации интерфейса пользователя (внешнего вида виртуального прибора), второе — Block Diagram, для реализации логики программы.

Рисунок 8 — Окна среды LabVIEW

Мы будем использовать окно Block Diagram. Выполним следующие шаги:

в окне Block Diagram вызовем контекстное меню, нажатием правой кнопкой мыши,
в появившемся окне перейдем по вкладкам, как на рисунке и выберем String Constant,

1 Января. Раннее Утро. Мой 9 летний сын обнаружил под ёлкой подарок от Деда Мороза. Это оказалась огромная коробка с Lego Mindstorms NXT 2.0.

Распаковка

Размер коробки, как и качество исполнения на высоте. Первое время хочется просто рассматривать коробку. Откидная крышка показывает комплектацию набора и элементы программного обеспечения.

NXT программируемый блок (дальше просто кирпич) — ядро всей системы
4x сенсора:
- Ультразвуковой сенсор — позволяет роботу измерять расстояние до объекта и реагировать на движение
- Два сенсора нажатия – позволяют роботу реагировать на прикосновения
- Сенсор цвета – самый интересный сенсор, включает в себя сразу три функции: Умеет определять 6 цветов цвет — Белый, Черный, Желтый, Красный, Зеленый и Голубой, интенсивность освещения и быть лампой подсветки
Это уже вторая версия набора Mindstorms. И он немного вырос по сравнению со своей первой версии. Добавились детали, появился новый датчик — Сенсор Цвета.

Кирпич может проигрывать заранее записанные звуки и отображать на своем экране подготовленные картинки и текст.

Интересная особенность кирпича это встроенный bluetooth, который можно использовать как для связи с другим кирпичом, так и для управления роботом с помочью телефона. В сети без проблем нашел софт для простых телефонов, Windows Mobile и Android.

Открыв коробку, понимаешь, что набор содержит много мелких деталей. А хранить их в коробке не очень удобно. Пригодился предыдущий опыт с лего. В использование пошла новая пластиковая коробка и пластиковые пакеты на молнии. Хоть коробка и хороша, но функционально ее больше не использовать.

Вот он какой великий и ужасный кирпич.

Инструкция в комплекте на английском языке, но в стиле Лего, все интуитивно понятно и просто. Бумажная инструкция дает пояснения по установке и настройке, заодно позволяет собрать базовый (тестовый) модуль. Остальные схемы доступны через программу Lego Mindstorm NXT.

Инструкцию на русском языке легко найти в сети, например здесь.

Для работы кирпича потребуется 6 пальчиковых батареек AA. Рекомендую запастись аккумуляторами и зарядным устройством. Поискав, на сайте лего, был найден стандартный аккумулятор 54.95$ + блок питания 24.99$.

По мне так дороговато.

К стандартному программному обеспечению NXT-G тоже вопросов нет, все просто работает.

NXT-G это графическая среда программирования разработанная National Instruments для LEGO. Написание NXT-G программ очень похоже на создание блок-схем. Вы «пишете» программу путем перетаскивания блоков, которые описывают различные поведения, например, поворот двигателя. С использованием различных блоков, вы можете контролировать двигатели, определять расстояние до объекта или изменение цвета, а так же воспроизвести звук и выполнить код в зависимости от состояния датчиков и т.д.

Вы пишите программу, подключаете робота (кирпич) к компьютеру, заливаете программу, переносите робота на тестовый полигон и смотрите, как ваше детище начинает исследовать мир.

NXT-G предназначена для детей и взрослых, которые не имеют опыта программирования и по этой причине, она очень проста в использовании. Понятно, что возможности данной программы ограничены, но свои начальные задачи она решает превосходно. В интернете было обнаружено множество сторонних сред, которые позволяют писать непосредственно код. Постараюсь сделать обзор в скором времени.

Дальше пошло все по инструкции ~~по маслу~~ сборка моделей, обкатка программного обеспечения. Благодаря пошаговой инструкции Лего, сын все выполняет сам, я лишь изредка подглядываю и подсказываю правильное направление.

Что же дальше?

Сын собирает модель. Затем мы на тестовом полигоне тестируем различные варианты программ, например на скорость прохождение робота вдоль линии. Так что ближайшие несколько месяцев есть чем заняться. Главное подкидывать задачки.

Для себя скачал книгу “Extreme NXT”, которая дает массу идей по использованию кирпича и инструкцию по созданию и подключению новых датчиков. Так что самое интересное еще впереди.

Ну и на последок Monster Chess — очень большие шахматы с использованием LEGO MINDSTORMS для каждой шахматной фигуры.

В предыдущей статье мы рассмотрели новый набор LEGO Mindstorms EV3. EV3 является улучшенной версией более старого набора - NXT. Однако, ресурс набора ПервоРобот NXT еще не исчерпан, этот конструктор все еще активно используют в школах и дома, поэтому не будем списывать его со счетов.

Краткую информацию о линейке конструкторов LEGO Mindstorms, а также сравнение NXT и EV3 наборов можно найти в статье, посвященной EV3.

Сразу перейдем к содержимому набора LEGO Mindstorms NXT 2.0. Вот что входит в образовательную версию набора:
- 1 программируемый блок
- 3 мотора:
- 5 датчиков:
  - 2 датчика касания
  - 1 датчик освещенности
  - 1 ультразвуковой датчик расстояния
  - 1 микрофон
  Датчики и моторы
  
  Рассмотрим основные возможности и характеристики моторов и датчиков:
  
  Датчик касания
  
  Этот датчик напоминает кнопку любого устройства – телефона, пульта или клавиатуры. Датчик способен определить, когда кнопка нажата или отпущена, также он может подсчитывать одиночные и многократные нажатия.
  
  Датчик освещенности
  
  Он позволяет роботу различать яркость объектов и определять освещенность помещения.
  - Способен работать в 2 режимах – измерение отраженного света и окружающего освещения
  - В режиме определения яркости можно различать цвета – например, у желтого цвета яркость ниже, чем у синего
  Датчик звука
  
  Датчик звука (микрофон) позволяет определить уровень шума.
  
  Ультразвуковой датчик расстояния
  
  С помощью этого датчика робот может «видеть» предметы перед собой и определять расстояние до них.
  - Может измерять расстояние в диапазоне 3 - 250 см.
  - Дискретность результата измерений: +/- 1 см.
  Все три мотора в наборе одинаковые. Стоит отметить, что в каждом моторе присутствует датчик оборотов – энкодер. Он позволяет контролировать движение мотора с высокой точностью. Характеристики мотора:
  - Максимальные обороты - 160- 170 об/мин.
  - Крутящий момент - 20 Н/см
  - Встроенный датчик угла поворота (энкодер) мотора с точностью 1 градус
  NXT датчики, моторы и кабели совместимы с EV3, поэтому оба набора – NXT и EV3 можно комбинировать.
  
  Программируемый блок NXT
  
  Программируемый блок NXT представляет собой «мозг» робота. К «мозгу» можно подключить 3 мотора и 4 сенсора, и именно в нем хранятся программы робота. Когда программа запущена блок NXT читает программу и в соответствии с ней дает команды моторам и сенсорам. Робота можно подключить к компьютеру через USB или Bluetooth. Между собой роботы могут «общаться» по Bluetooth
  
  Ниже представлены характеристики программируемого блока NXT:
  
  С NXT поставляется графическая среда разработки на базе LabView - NXT-G. Поддерживаемые операционные системы - Windows и Mac. Среда разработки NXT очень простая и рассчитана на ребят, не обладающих специальными знаниями по информатике и не знакомых с программированием.
  
  В среде NXT-G каждая команда роботу представлена в виде графического блока. Пример команды для мотора – включить мотор на 3 секунды или включить мотор на 4 оборота. Команда для сенсора зависит от типа сенсора. Например, для датчика освещенности команда может звучать так – скажи, какова освещенность комнаты, а для датчика расстояния – скажи, какое расстояние до препятствия. Составив последовательность таких блоков, можно создать программу – запрограммировать робота.
  
  В образовательный набор включена инструкция для сборки базового робота.
  
  Для NXT набора был выпущен ресурсный набор, позволяющий собирать другие модели, используя новые детали.
  
  Робототехнические конструкторы NXT и EV3 являются отличным средством для изучения информатики, физики, математики, программирования. Давайте учиться интересно!
  
  Набор LEGO Mindstorms NXT – одно из самых интересных, разнообразных по своим возможностям и технически сложных творений ЛЕГО. Это второй по счету конструктор в образовательной серии Майндстормс, выпущенный в 2008 году. Как и предыдущая версия, он служит для создания программируемых механизмов, выполняющих ряд действий в соответствии с заранее продуманным алгоритмом. В сердце конструктора лежит микрокомпьютер ЛЕГО NXT, который и обеспечивает интеллектуальное поведение роботов.
  
  Купить LEGO Mindstorms NXT можно в двух версиях:
  - Розничной, используемой больше в развлекательных целях;
  - Образовательной, которая применяется в кружках робототехники и на школьных уроках.
  Образовательный набор LEGO NXT дополняется лицензионным ПО LabView и методическими материалами, помогающими организовать работу педагога и ученика. Все материалы и программное обеспечение докупаются отдельно.
  
  Состав серии ЛЕГО Майндстормс NXT
  - Базовый конструктор, который помимо строительных деталей включает необходимую электронику: микропроцессор NXT, сервомоторы, разнообразные сенсоры, обеспечивающие интеллектуальное поведение роботов;
  - Ресурсный набор, содержащий детали для расширения возможностей базовой версии;
  - Перворобо Экоград – конструктор, позволяющий ученикам построить энергоэффективный город и использовать роботов для решения разных задач;
  - Множество дополнительных датчиков и комплектующих;
  - Программное обеспечение и дополнительные обучающие материалы.
  Купить LEGO NXT – значит обеспечить ребенка интересным и развивающим решением, которое не наскучит ему долгое время. Разнообразить конструктор помогает большое количество деталей и учебных материалов.
  
  Программирование с ЛЕГО Mindstorms NXT
  
  Конструктор ЛЕГО Майндстормс NXT работает с графической программной средой, созданной на базе LabView и поддерживающей самые распространенные операционные системы – Mac и Windows. Она проста для понимания детей и может применяться даже теми людьми, кто не знаком с информатикой. Программировать можно и на других языках, подобных Java, Visual Basic, C+ и т.п.
  
  Почему стоит купить ЛЕГО Майндстормс NXT?
  - Великолепные развлекательные и образовательные составляющие. Конструктор одновременно является и игрой, и обучающим пособием;
  - Высокое качество продукта. Все детали ЛЕГО проходят испытания на прочность и способны выдержать до 500 тысяч циклов соединения;
  - Взгляд в будущее. Техника и электроника сегодня развиваются огромными темпами, и обучение новейшим технологиям с малых лет, безусловно, является перспективным занятием;
  - Соответствие образовательным стандартам. Конструкторы ЛЕГО легко внедряются в учебный процесс. К тому же, они помогают учителю разбавить скучную теорию при помощи захватывающих экспериментов на уроках физики, математики, программирования.
  Кому можно купить NXT?
  
  Конструкторы рекомендованы для ребят 7-10 лет, но они также способны вызвать интерес и у младших детей, и даже у взрослых. Наборы активно применяются на уроках в школе, в кружках по программированию и робототехнике. Без них не проходят известные соревнования роботов, в том числе мировая олимпиада World Robot Olympiad.
  
  Читайте также: