Датчик расстояния лего nxt

Обновлено: 25.04.2024

Конструкторы Mindstorms компании LEGO находят самое широкое применение в образовательном процессе, как в школах, так и в высших учебных заведениях. Распространенность и популярность роботов серии Mindstorms обоснована, в первую очередь, их доступностью широкому кругу пользователей. Многие с детства так или иначе сталкивались с конструкторами компании LEGO. Вместе с тем статьи по программированию данных конструкторов на текстовых языках встречаются редко. Скорее всего это связано со стоимостью наборов (от 20 тыс. рублей), на эту сумму можно купить кучу всего (Arduino, AVR, STM32, различные модули и прочая рассыпуха) и собрать больше интересных устройств. Мне в этом плане повезло, сначала в университете, а теперь и в лицее, где я преподаю, этих конструкторов предостаточно. Об одном реализованном проекте я бы хотел рассказать.

Конструкция робота

Началось все с того, что на Youtube был найден ролик с интересной конструкцией робота.

Конструкция показалась нам интересной и мы с ребятами решили её собрать. Сначала пытались скопировать, но потом удалось найти инструкцию. Конструкция робота разработана Лауренсом Валком (Laurens Valk). Робот представляет собой гусеничную платформу с манипулятором, способную передвигаться в различных направлениях, захватывать, поднимать и перемещать небольшие предметы. Конструкция включает датчики расстояния (ультразвуковой дальномер), касания и цвета. Дальномер позволяет роботу оценивать расстояние до объектов перед ним и избегать столкновений. Датчик касания используется для определения крайней точки подъёма захвата. Датчик цвета предназначен для определения цвета захваченного объекта. Манипулятор робота имеет одну степень свободы – он может только подниматься и опускаться. Управление манипулятором (захват и подъём/опускание) осуществляется с помощью отдельного сервопривода. В общем конструкция представляет собой удобную платформу для экспериментов с автономными роботами и может успешно использоваться в различных соревнованиях.

Контроллер NXT используемый в наборах LEGO Mindstorms позволяет подключать до 3-х сервомоторов (порты A, B, C). Скоростью вращения каждого из сервомоторов можно управлять, задавая значения от -100 до 100. При этом отрицательные значения означают инверсию направления вращения мотора. Сервомоторы имеют встроенные датчики угла поворота (энкодеры), что позволяет опрашивать их с целью вычисления пройденного расстояния. Точность составляет 1 градус.

Моторы, управляющие движением робота, подключены к портам B и C. Они позволяют роботу двигаться поступательно по прямолинейной траектории (двигатели В и С синхронизированы). Поворот робота происходит за счет увеличения мощности (скорости вращения вала двигателя) одного двигателя относительного другого. Конструкция робота примечательна тем, что один мотор, подключенный к оставшемуся порту A, используется как для открытия/закрытия захвата, так и для его поднятия/опускания. Реализовано это за счет сложной механической части. В связи с этим робот имеет определенные ограничения – например, невозможно раскрыть захват в поднятом состоянии. Подключение к порту A сервомотора, управляющего захватом, обусловлено схемотехникой управляющего контроллера: данный порт способен выдавать больший ток на двигатель, что позволяет поднимать предметы с большим весом.

Поскольку контроллеры NXT оснащены 4-мя входными портами, остается незадействованным еще один порт. В ходе работы было предложено добавить датчик-гироскоп, как наиболее перспективный вариант развития возможностей робота. Датчики-гироскопы играют важную роль в современной робототехнике.

Для этого в конструкцию был добавлен датчик-гироскоп компании HiTechnic. Это одноосный гироскоп, позволяющий измерять скорость и направление вращения в горизонтальной плоскости. Датчик позволяет измерять угловые скорости до ±360° в секунду (знак зависит от направления вращения). Частота опроса датчика может достигать до 300 Гц.

Одной из областей применения гироскопов является инерциальная навигация. Инерциальная навигация – метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолетов и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел. Принцип инерциальной навигации заключается в измерении движений объекта, характеризуемых изменениями во времени его ускорения, скорости и координат, при помощи датчиков пространственного перемещения. Полученные от датчиков данные используются для решения задач управления и навигации. Исходя из вышесказанного были поставлены две задачи:

Робот должен уметь находить и захватывать ближайший к нему предмет (как в ролике выше);
Робот должен уметь ориентироваться на плоскости и, зная свои текущие координаты, самостоятельно возвращаться в точку старта.

Однако для начала необходимо было определиться со средствами программирования.

Средства программирования

Контроллеры LEGO Mindstorms NXT могут программироваться с использованием как графических, так и текстовых сред разработки. В графических средах программирования программы «собираются» из отдельных «кубиков», каждый из которых представляет набор определенных команд. Графические среды программирования наглядны и очень просты в использовании, что позволяет быстро освоить их человеку с любым уровнем подготовки. Самым распространенным примером подобной среды является среда NXT-G. Однако недостатком графических сред является сложность разработки объемных программ (ввиду большого количества блоков), а также ограниченные функциональные возможности.

Другим типом сред программирования являются текстовые среды. В настоящей работе для разработки программ использовалась среда RobotC – текстовая среда программирования, позволяющая разрабатывать программы для управления LEGO Mindstorms, используя популярный язык программирования Си. Среда разработана в Академии Робототехники Карнеги-Меллона и ориентирована в первую очередь на студентов. RobotC обладает простым в использовании интерфейсом, а также имеет мощный интерактивный отладчик, позволяющий производить отладку программы в режиме реального времени. Это значительно сокращает время, необходимое для поиска и исправления ошибок в программе. Для выполнения программ, написанных на RobotC, необходимо предварительно загрузить специальную прошивку. Использование данной прошивки позволяет получить доступ к большим возможностям управляющего контроллера, а также увеличить скорость работы программ.

Разработка программы

Первоначально было поставлено две цели: научить робота хватать ближайший к нему предмет и научить робота ориентироваться на плоскости. Под ориентированием подразумевается определение текущих координат относительно начальных. Поскольку датчик-гироскоп измеряет угловую скорость, то для преобразования показаний, необходимо произвести интегрирование показаний по времени. Но для этого надо постоянно отслеживать показания датчика, а выполнять это в основном цикле программы накладно. Одной из особенностей контроллеров LEGO Mindstorms NXT является поддержка параллельного выполнения нескольких процессов – многозадачности. То есть робота можно запрограммировать на одновременное выполнение нескольких действий. Поэтому код обработки показаний датчика-гироскопа выделяется в отдельную задачу, которая называется драйвером гироскопа. Ниже представлен код такого драйвера.

Контроллеры LEGO Mindstorms NXT поддерживают одновременное выполнение до 10 задач. Ресурсы процессора распределяются между задачами, для каждой из которых устанавливается время, в течение которого задача будет активна.

Для поворота робота на заданный угол также написана отдельная подпрограмма, принимающая в качестве входных параметров угол поворота и скорость поворота. Положительному углу поворота соответствует поворот робота вправо, а отрицательному – влево. При вызове функции текущий угол отклонения обнуляется, затем в цикле осуществляется поворот до тех пор, пока текущий угол не равен заданному значению угла. Поворот осуществляется вращением двигателей в противоположные стороны. Код функции поворота представлен ниже.

Для движения робота по прямой (вперёд/назад) также написана отдельная функция, входными параметрами которой являются скорость движения и расстояние в сантиметрах, которое необходимо проехать. Код функции приведен ниже.

Алгоритм поиска ближайшего объекта

Поиск ближайшего объекта робот начинает с поворота влево на 90°. Далее запускается цикл поиска объекта. Робот производит сканирование окружающего пространства ультразвуковым дальномером, полученное расстояние сравнивается с хранящимся в памяти минимальным расстоянием (на первой итерации оно равно 255). Если измеренное значение расстояния меньше минимального, то значение, соответствующее минимальному измеренному расстоянию обновляется, вместе с ним также обновляется и угол отклонения, при котором были получено данное минимальное значение расстояния. Цикл завершается при граничном угле в 90°. Таким образом робот сканирует переднюю полусферу и получает пару значений угол/расстояние, которые соответствуют ближайшему к роботу объекту. Затем производится поворот на полученный угол, движение до объекта на полученное расстояние (с корректировкой на размеры манипулятора) и последующий захват объекта. Ниже представлено видео работы программы.

Алгоритм навигации на плоскости

На базе алгоритма опроса гироскопа был разработан алгоритм навигации, позволяющий роботу самостоятельно возвращатсья в точку старта. Робот проезжает по нескольким точкам, координаты которых генерируются случайным образом, а затем возвращается в точку старта. Работает это следующим образом. В цикле от 1 до 10 (количество точек траектории задается в коде) с помощью генератора случайных чисел задаются новые значения угла поворота и расстояния до новой точки, затем робот перемещается в новую точку. Одновременно с этим, в цикле производится вычисление суммарного угла отклонения, а также значения проекций по осям OX и OY. Проекции вычисляются на основе суммарного угла поворота. После выполнения цикла прохождения траектории, вычисляется угол, на который необходимо повернуться роботу, чтобы начать движение к исходной точке по кратчайшему маршруту. Затем вычисляется расстояние по формуле модуля длины вектора, и робот движется к исходной точке. После прихода в исходную точку, робот вычисляет итоговое отклонение угла от начального значения при запуске и поворачивает на вычисленное значение угла. Программа завершается. Ниже представлено видео работы программы.

Работа с Bluetooth-модулем

Беспроводной Bluetooth-модуль, встроенный в контроллер NXT, может использоваться для удаленной загрузки и отладки программ, а также управления роботом. Управлять роботом можно как с компьютера (из среды RobotC), так и с помощью мобильного телефона, предварительно загрузив специальное приложение. Bluetooth-модуль контроллера NXT позволяет связывать до 4-х устройств. При подключении контроллеров друг к другу одно из устройств будет ведущим (master), а остальные будут ведомыми (slave). Такое разделение необходимо для контроля передачи данных. К одному ведущему контроллеру может подключаться до 3-х других ведомых (подчиненных) контроллеров.

Обмен информацией разрешен только между ведущим и ведомым устройствами. Контроллер, работающий в режиме ведомого устройства, не может подключаться к другим контроллерам, поэтому ведомые устройства не могут вести обмен без участия ведущего устройства. В каждый момент времени передавать данные в группе может только одно из устройств

Для организации беспроводного взаимодействия между несколькими контроллерами NXT необходимо предварительно их «познакомить» друг с другом – подключить их друг к другу один раз в ручном режиме. Это необходимо для того, чтобы произвести предварительную настройку параметров соединения (контроллеры обмениваются адресами, именами, списком поддерживаемых профилей, также проверяется совпадение паролей). В дальнейшем эту процедуру можно не повторять, за исключением случаев сброса всех настроек и соединений Bluetooth-модуля. Для соединения двух контроллеров NXT необходимо проделать следующее:

Включить Bluetooth модуль на обоих контроллерах NXT;
Проверить режим видимости (visibility), должно быть установлено значение «visible». Это необходимо, чтобы контроллеры могли друг друга обнаружить;
На контроллере, который планируется использовать в качестве ведущего войти в меню поиска других устройств (Bluetooth -> Search) и запустить поиск;
Выбрать ведомое устройство, затем подключиться, указав один из предложенных каналов подключения (поскольку подключение начинается с ведущего устройства, то будут предложены номера 1-3). Если нужного контроллера NXT нет в списке, то проверить настройки Bluetooth модуля ведомого устройства, а затем повторить поиск;
После настройки параметров соединения ведущий контроллер издаст короткий звуковой сигнал и предложит ввести пароль для соединения. По умолчанию задан пароль 1234. При необходимости можно его изменить, но это не обязательно;
Затем необходимо ввести указанный пароль на ведомом устройстве. Если пароли совпадут, то соединение будет успешно создано и в левом верхнем углу экрана контроллера NXT значок Bluetooth соединения изменится, возле него появится закрывающая угловая скобка.

Для управления роботом было решено собрать пульт управления. Конструкция довольно простая – контроллер и 4 датчика касания (кнопки). Пульт подключается по Bluetooth к роботу и позволяет дистанционно упралять роботом. Четыре датчика касания используются для движения, управление клешней производится нажатием на центральную (оранжевую) кнопку контроллера пульта. На рисунке ниже показан общий вид пульта.

Для обмена информацией между контроллерами в RobotC используются функции cCmdMessageRead и cCmdMessageWriteToBluetooth. При передаче указывается номер канал подключенного устройства, указатель на массив данных и его размер. Однако просто управлять роботом не так интересно. Поэтому мы собрали второго такого же робота и решили попробовать управлять с одного пульта двумя роботами. Что из этого вышло смотрите в видео.

При желании можно подключить еще одного робота. В версии конструктора NXT к одному контроллеру подключается до трёх устройств. В новых конструкторах EV3 возможно объединение в сеть уже до 8 устройств, что позволяет собирать более сложных роботов.

Доработка конструкции

В ходе экспериментов с роботом были проанализированы возможности усовершенствования его конструкции. После прочтения данной статьи, была предпринята попытка замены электрического привода захвата на пневматический. Для этого был использован поршень из набора LEGO Pneumatics. Ниже на рисунке показана клешня с пневматическим приводом.

Преимуществом пневматического привода являются скорость срабатывания, меньший вес исполнительных устройств (по сравнению с электрическими приводом), простота и надёжность. С конструктивной точки зрения использование пневматического привода позволило упростить конструкцию манипулятора, но потребовало еще одного сервомотора для компрессора, что в свою очередь приведёт к необходимости использования второго контроллера, либо специализированного мультиплексора моторов. Использование вместо компрессора только баллона со сжатым воздухом не представляется возможным из-за утечек воздуха при переключении клапанов. Кроме того, для управления клапанами и контроля давления в воздушном баллоне потребовались сервомоторы и датчики сторонних производителей. Таким образом, без использования сторонних компонентов, которые не всегда возможно приобрести, данная идея была признана несостоятельной.

Нас рекомендует производитель Вы можете убедиться в этом,
скачав официальное письмо

Оплата 30/70 или полная постоплата (по 44-ФЗ)

Подготовка коммерческих предложений

Разработка технического задания

Широкий выбор способов доставки

Характеристики

Артикул	NEO1048
Страна	США
Возраст	10+
Количество элементов	1
Производитель	HiTechnic
Вес	1 кг

Описание

Данный датчик позволяет очень точно измерять расстояния до предметов. Он использует собственный источник света, подобно стандартному датчику цвета, но у него есть большое отличие. EOPD датчик расстояния измеряет свет, который был испущен собственным источником и отфильтровывает внешнее освещение и другие лишние сигналы. Такой принцип работы позволяет датчику обнаруживать предметы на небольшом расстоянии (около 20 см) и точно реагировать на изменение расстояния.

На видео представлен робот, использующий EOPD датчик для движения вдоль стены.

9688 Электронный конструктор LEGO Education Machines and Mechanisms Возобновляемые источники энергии 9688

Электрооптический датчик расстояния (EOPD) к микрокомпьютеру NXT Hitechnic NEO1048

На видео представлен робот, использующий EOPD датчик для движения вдоль стены.

Подпишись

Контакты

123022 г. Москва , ул. 2-я Звенигородская, д. 13, стр. 15,

Юр. адресс: 111397, г. Москва, Федеративный пр-кт, д. 4, кв. 47 офис XI

Мы работаем: c 09:00 до 18:00

LEGO, логотип LEGO, Minifigure (Минифигурка), DUPLO и MINDSTORMS являются торговыми марками и/или охраняемой авторским правом собственностью LEGO Group.
©2022 The LEGO Group. Все права защищены. Использование этого вебсайта подтверждает ваше согласие с этим.

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!

Сообщить о поступлении
Оставьте e-mail и мы свяжемся с Вами для
оформления заказа в ближайшее время

Нас рекомендует производитель Вы можете убедиться в этом,
скачав официальное письмо

Оплата 30/70 или полная постоплата (по 44-ФЗ)

Подготовка коммерческих предложений

Разработка технического задания

Широкий выбор способов доставки

Оплата при получении для физических лиц

Характеристики

Артикул	9846
Страна	Дания
Размеры (см.)	15x11x5 см
Возраст	8+
Количество элементов	1
Производитель	LEGO Education
Вес	0.1 кг

Описание

С помощью ультразвукового датчика ваш робот сможет обнаруживать препятствия и определять их удаленность в дюймах или сантиметрах.

Датчик расстояния для микрокомпьютеров EV3 и NXT LEGO 9846

Подпишись

Контакты

123022 г. Москва , ул. 2-я Звенигородская, д. 13, стр. 15,

Юр. адресс: 111397, г. Москва, Федеративный пр-кт, д. 4, кв. 47 офис XI

Мы работаем: c 09:00 до 18:00

Этот проект даёт вам возможность легко измерить растояние любого участка пути. Для создания измерителя нам понадобится любой робот, который может двигаться по заданной траектории с помощью простого проводного пульта дистанционного управления. Результат измерения Вы можете увидеть на экране блока NXT и использовать полученные измерения для настройки перемещения сервоприводов и блоков перемещения в своих программах.

Две различных программы доступны в нашей статье. В первой программе вы можете выбрать одно из трех направлений движения для каждого сегмента контура с помощью трех кнопок на NXT: прямо вперед, или поворот одним колесом налево и направо. В более сложной второй программе вы можете выбрать одно из восьми различных движений в том числе поворот робота и при поворотах колес в противоположных направлениях, обратный поворот, и обратное движение.


Измеряем в градусах прямое движение	Измеряем левый поворот	Программа позволяет чередовать 8 различных движений, которые будут отобраны, в том числе сводных оборотов.

Инструкция по сборке

Начните с создания робота-автомобиля с двумя сервоприводами, например, "Робот пятиминутка". (Нажмите на картинку для перехода к пошаговой инструкции).

Подключите провод от датчика к порту № 1 на контролере NXT.

Есть две различные программы. Эти программы могут быть использованы на любом роботе с двумя стандартными приводами (один двигатель приводит левое колесо и один двигатель приводит правое колесо). По желанию, Вы можете изменить программы для учета других подключений двигателей (вперед вместо назад) или вообще перпрограмиировать двигатель на другой порт NXT (когда двигатель подключен на левую сторону). См. ниже инструкции.

Простая программа предоставляет простой способ для измерения отрезков пути с тремя типами движения: прямо вперед, и полворот одним колесом налево и направо. См. ниже инструкции.

Использование PathMeasure программе

В архиве Простая программа позволяет выбрать один из трех направлений для каждого из сегментов на своем пути: прямо вперед, поворот налево одним колесом и направо. Если вы хотите измерить различные виды поворотов, таких как поворот на месте, где колеса поворачиваются в противоположных направлениях, Вам необходимо использовать сложную программу. Программу можно использовать следующим образом:

Изменение простой программы в соответствии с вашими робот

Использование "продвинутой программы"

Вторая программа более сложная альтернатива первой программы. Она уже позволяет выбрать один из восьми направлений для каждого из сегментов на вашем пути. Программа использует следующее управление:

Используя клавиши со стрелками выберите тип движения будет вращаться непрерывно через цикл из восьми различных направлений (начиная с 4 = прямо вперед) следующим образом:

Две иконки на верхней части экрана указывают выбранный тип движения и в каком направлении серводвигатели робота будут двигаться (вперед, назад, или стоять).

Вращение в градусах отображаются для левого и правого двигателей.

Изменение сложной программы в соответствии с вашим роботом

Используйте длиномер, чтобы наметить и измерить путь от начальной точки до цели, в том числе два или три поворота на 180 градусов на этом пути. Затем напишите свою собственную автономную (не с дистанционным управлением) программу, которая будет заставлять робота двигаться по указанному пути. Проверьте свои программы и настройки длительности, при необходимости, чтобы увидеть, насколько точно вы можете добраться до цели.

Трансформеры » Кино обои HD

Самодельный робот Мини-сумо » Роботы своими руками

Читайте также: