Датчики для lego mindstorms ev3 своими руками

Обновлено: 15.04.2024

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Обращаем Ваше внимание, что c 1 сентября 2022 года вступают в силу новые федеральные государственные стандарты (ФГОС) начального общего образования (НОО) №286 и основного общего образования (ООО) №287. Теперь требования к преподаванию каждого предмета сформулированы предельно четко: прописано, каких конкретных результатов должны достичь ученики. Упор делается на практические навыки и их применение в жизни.

Мы подготовили 2 курса по обновлённым ФГОС, которые помогут Вам разобраться во всех тонкостях и успешно применять их в работе. Только до 30 июня Вы можете пройти дистанционное обучение со скидкой 40% и получить удостоверение.

ДАТЧИКИ LEGO EV 3

ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Датчик гироскоп — это цифровой датчик, который способен отслеживать вращение всего по одной оси. На верхней стороне датчика расположены две стрелки. Эти стрелки показывают плоскость работы гироскопического датчика.

Рисунок 1. Гироскопический датчик

Для правильной работы датчика его нужно включать в контроллер EV3 в полностью неподвижном состоянии. Робот должен стоять без движения, иначе датчик будет работать некорректно. При помощи этого датчика можно легко программировать повороты робота вокруг оси.

Гироскопический датчик можно подключить к любому входному порту, который обозначен цифрами от 1 до 4. Но по умолчанию датчик подключается ко второму порту.

ДАТЧИК КАСАНИЯ

Датчик касания является обычной подпружиненной кнопкой. Очень похожая кнопка у обычных дверных звонков. Когда нажимаешь на кнопку, раздается звонок. Если нажатия нет, то контакт под действием пружины возвращается обратно.

Датчик представляет собой специальную кнопку, которая может находиться в трех состояниях:

Датчик касания не определяет с какой силой происходит нажатие на кнопку. Но можно осуществлять подсчет нажатий. Часто датчик касания служит для остановки робота на определенном расстоянии от препятствия. Это расстояние может регулироваться закрепленными красной кнопке осями. Для крепления осей есть специальное крестообразное отверстие.

Используя вводы датчика касания, робота можно запрограммировать таким образом, чтобы он воспринимал мир, как его может воспринимать слепой человек, когда он протягивает руку и реагирует при соприкосновении с чем-либо (нажатие).

Вы можете построить робота с датчиком касания, который прижат к поверхности под ним. Вы можете запрограммировать робота так, чтобы он реагировал (Стоп!), когда он вот-вот скатится с края стола (когда датчик отпущен).

Боевой робот может быть запрограммирован так, чтобы он продолжал двигаться вперед на своего соперника до тех пор, пока соперник не отступит. Эта пара действий — нажатие и затем отпускание — образуют щелчок.

Для работы нам понадобится желтая палитра программирования Датчик

ДАТЧИК ЦВЕТА

Датчик цвета — это цифровой датчик, который может определять цвет или яркость света , поступающего в небольшое окошко на лицевой стороне датчика.

Режимы датчика

в режиме "Цвет" датчик может определить цвет поднесенного к нему предмета.

в режиме "Яркость отраженного света" датчик направляет световой луч на близкорасположенный предмет и по отраженному пучку определяет яркость предмета.

в режиме "Яркость внешнего освещения" датчик может определить - насколько ярко освещено пространство вокруг.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК

Ультразвуковой датчика нужен для определения расстояния до предметов, находящихся перед ним. Для этого датчик посылает звуковую волну высокой частоты (ультразвук), ловит обратную волну, отраженную от объекта и, замерив время на возвращение ультразвукового импульса, с высокой точностью рассчитывает расстояние до предмета.

Рисунок 1. Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик может выдавать измеренное расстояние в сантиметрах или в дюймах. Диапазон измерений датчика в сантиметрах равен от 0 до 255 см, в дюймах - от 0 до 100 дюймов. Датчик не может обнаруживать предметы на расстоянии менее 3 см (1,5 дюймов). Так же он не достаточно устойчиво измеряет расстояние до мягких, тканевых и малообъемных объектов.

Режим «Присутствие/слушать» - датчик не излучает ультразвуковые импульсы, но способен обнаруживать импульсы другого ультразвукового датчика. Результатом обнаружения является логическое значение: «Да», если найдено ультразвуковое излучение, или «Нет», если ничего не найдено. Данный режим можно использовать, например, в состязаниях роботов-шпионов (описание режима уже говорит о том, что для его использования необходимо минимум два робота).

Если вам также как и нам не хватает возможностей стандартных датчиков EV3, не достаточно 4-х портов для датчиков в ваших роботах или вы хотите подключить к своему роботу какую-нибудь экзотическую периферию - эта статья для вас. Поверьте, самодельный датчик для EV3 - это проще чем кажется. "Крутилка громкости" из старого радиоприемника или пара гвоздей, воткнутых в землю в цветочном горшке в качестве датчика влажности почвы - отлично подойдут для эксперимента.

Удивительно, но каждый порт датчика EV3 скрывает в себе целый ряд различных протоколов, в основном это сделано для совместимости с датчиками NXT и датчиками сторонних производителей. Давайте рассмотрим как устроен кабель EV3

Странно, но красный провод - это земля (GND), зеленый - плюс питания 4,3В. Синий провод - одновременно SDA для шины I2C и TX для протокола UART. Кроме этого синий провод - вход аналогово-цифрового преобразователя для EV3. Желтый провод - одновременно SCL для шины I2C и RX для протокола UART. Белый провод - вход аналогово-цифрового преобразователя для датчиков NXT. Черный - цифровой вход, для датчиков, совместимых с NXT - он дублирует GND. Непросто, не так ли? Давайте по порядку.

Аналоговый вход EV3

В каждом порту датчика есть канал аналогово-цифрового преобразователя. Он используется для таких датчиков, как Touch Sensor (кнопка), датчиков NXT Light Sensor и Color Sensor в режиме измерения отраженного света и внешней освещенности, NXT датчика звука и NXT-термометра.

Сопротивление в 910 Ом, подключенное согласно схеме сообщает контроллеру, что данный порт необходимо переключить в режим аналогового входа. В таком режиме к EV3 можно подключить любой аналоговый датчик, например от Arduino. Скорость обмена с таким датчикаом при этом может достигать нескольких тысяч опросов в секунду, это самый быстродействующий тип датчиков.

Также можно подключить: микрофон, кнопку, ИК дальномер и многие другие распространенные сенсоры. Если для датчика не достаточно питания в 4,3В, можно запитать его от 5В от разъема USB-порта, расположенного на боковой стороне контроллера EV3.

Упомянутая выше "крутилка громкости" (она же переменный резистор или потенциометр) является отличным примером аналогового датчика - ее можно подключить вот так:

Для чтения значений с такого датчика в стандартной среде программирования LEGO необходимо использовать синий блок RAW

Протокол I2C

Это цифровой протокол, по нему работает например ультразвуковой датчик NXT, многие датчики Hitechnic, такие как IR Seeker или Color Sensor V2. Для иных платформ, например для Arduino, есть масса i2c-датчиков их вы тоже сможете подключить. Схема следующая:

Сопротивление 82 Ом рекомендованы LEGO Group, однако в разных источниках встречаются упоминания о 43 Ом и менее. На самом деле мы попробовли вообще отказаться от этих сопротивлений и все работает, по крайней мере "на столе". В реальном роботе, работающем в условиях различного рода помех, линии SCL и SDA стоит все же притянуть к питанию через сопротивления, как это указано на схеме выше. Скорость работы i2c в EV3 довольно невелика, примерно 10000 кбит/с, именно поэтому всеми любимый Hitechnic Color Sensor V2 такой тормозной :)

К сожалению для стандартного EV3-G от LEGO не существует полноценного блока для двухсторонней связи с i2c датчиком, но используя сторонние среды программирования, такие как RobotC, LeJOS или EV3 Basic можно взаимодействовать практически с любыми i2c датчиками.

Способность EV3 работать по i2c протоколу открывает интересную возможность для подключения нескольких датчиков к одному порту. I2C протокол позволяет поключить к одной шине до 127 подчиненных устройств. Представляете? По 127 датчиков к каждому из портов EV3 :) Более того, часто кучу i2c датчиков совмещают в одном устройстве, например на фото ниже датчик 10 в 1 (содержит компас, гироскоп, акселерометр, барометр и т.д.)

В очень любопытной статье от Dexter рассматривается способ превратить вашу Arduino в i2c датчик для EV3. Зачем это нужно? К плате Arduino могут быть подключены с десяток датчиков разных типов, даже таких, которые напрямую к EV3 подключить не удастся (например ультразвуковой дальномер HC-SR04 или RFID-сканер) и она будет отправлять данные с них на EV3, выступая в роли своеобразного конвертера в i2c. Как это сделать - читайте в статье по ссылке выше, там есть и исходные коды для Arduino и EV3-G блоки для чтения и даже записи данных (да-да, вы сможете щелкать своей 220В релюшкой прямо из EV3-программы). Мы проверили, это все отлично работает.

Как работать с i2c в среде EV3 Basic мы рассказывали в одной из предыдущих статей

Почти все стандартыне EV3-датчики, за исключением Touch Sensor, работают по протоколу UART и именно поэтому они не совместимы с контроллером NXT, который хоть и имеет такие же разъемы, но на портах датчиков у него UART не реализован. Взгляните на схему, она немного проще, чем в предыдущих случаях:

UART-датчики автоматически согласовывают с EV3 скорость своей работы. Первоначально соединившись на скорости 2400 кбит/с они договариваются о режимах работы и скорости обмена, переходя затем на повышенную скорость. Типичные скорости обмена для разных датчиков 38400 и 115200 кбит/с.
LEGO реализовала в своих UART-датчиках довольно замысловатый протокол, поэтому сторонних датчиков, предназначенных изначально не для этой платформы, но совместимых с ней, не существует. Тем не менее этот протокол очень удобен для подключения "самодельных"
датчиков, на базе микроконтроллеров.
Для Arduino существует замечательная библиотека EV3UARTEmulation, написанная известным LeJOS-разработчиком Lawrie Griffiths, которая позволяет этой плате притвориться UART-LEGO-совместимым датчиком. В его блоге LeJOS News есть масса примеров подключения датчиков газа, IMU-сенсора и цифрового компаса с использованием данной библиотеки.

Ниже на видео - пример использования самодельного датчика. У нас нет достаточного числа оригинальных датчиков расстояния LEGO, поэтому один из датчиков на роботе мы используем самодельный:

Задача робота - стартовать с зеленой клетки, найти выход из лабиринта (красная клетка) и вернуться на место старта кратчайшим путем, не заезжая в тупики.

Аналоговый вход EV3

Протокол I2C

Как работать с i2c в среде EV3 Basic мы рассказывали в одной из предыдущих статей

Датчик цвета Lego EV3 позволяет расширить возможности робота. Чтобы робот выполнял более сложные действия нужно научить робота видеть. Человек более восемьдесят процентов информации получает при помощи зрения.

При этом в обработке полученной информации принимает участие более тридцати процентов коры головного мозга. Это говорит о большой значимости визуальной информации. Поэтому научить робота использовать для обработки информации датчик цвета или освещенности является важной задачей. Датчик цвета Lego EV3 это отдаленный аналог глаза, пока еще очень несовершенный.

датчик цвета

Датчик цвета является цифровым датчиком.

На лицевой панели датчика расположено небольшое окошко, в которое поступает свет. Сенсор определяет яркость отраженного света или цвет. Оптимальное расстояние, на котором датчиком корректно могут быть определены цвет или яркость отраженного света около 1 сантиметра.

Имеется три разных режима в которых может работать датчик:

Цвет
Яркость отраженного света
Яркость внешнего освещения.

Режим «Цвет»

Режим «Цвет» позволяет датчику определить цвет находящегося перед ним предмета.

режим «Цвет»

Датчик цвета умеет определять семь различных цветов: черный, синий, зеленый, желтый, красный, белый и коричневый цвета. Также если цвет определяется некорректно если предмет назодится далеко от датчика. Датчик определяет отсутствие цвета и приходит в состояние «без цвета».

Режим «Яркость отраженного света»

В этом режиме датчик направляет световой луч от светодиода на расположенный перед ним предмет и определяет яркость предмета по пучку отраженного света.

яркость отраженного света

Светодиод расположен на лицевой (передней) панели сенсора. Если выбран режим яркость отраженного света, то светодиодом излучается красный свет. Датчик использует в работе шкалу от 0 до 100. Ноль значит очень темный, а 100 означает очень светлый.

Режим «Яркость внешнего освещения»

Такой режим позволяет датчику определить насколько ярко освещено оружающее пространство. Датчик цвета может определяеть силу света, который проникает в окошко из внешней среды. Это может быть солнечный свет, луч фонарика или освещение улиц. Сенсор также применяет шкалу от 0 до 100.

яркость внешнего освещения

Для того, чтобы датчик работал наиболее точно в режимах «Цвет» или «Яркость отраженного света», нужно располагать датчик цвета под правильным углом приблизительно в 90 градусов. Исследуемой поверхность должна быть близко, но датчик не должен ее касаться. Расстояние должно приблизительно 1 сантиметр от поверхности. На расстоянии менее 1 сантиметра и более 3 сантиметров датчик уже дает не совсем точные показания.

Работает датчик с частотой дискретизации 1 килогерц. Как и все датчики EV3, датчик цвета подключается к портам ввода программируемого модуля EV3 1, 2, 3 и 4 при помощи плоского соединительного кабеля. По умолчанию датчик цвета подключается к порту ввода номер 3. Если модуль EV3 подключен к компьютеру, то программное обеспечение автоматически определит в какой порт включен датчик.

Использование датчиков цвета

Датчик цвета Lego EV3 часто используется на занятиях, а также на различных соревнованиях, таких как «Сумо роботов», «Кегельринг», «Движение по линии» и многих других.

В быту и промышленности датчики освещенности применяется для автоматизации освещения улиц, управления различными источниками света. То есть датчик освещенности представляет из себя выключатель, который работает в режиме автоматики.

схема подключения датчика освещения

Датчик автоматически включает и отключает свет, когда достигается определенная степень освещенности в месте его установки. Датчики устанавливаются в тех местах, где в дневное время суток пространство освещено естественным светом, а когда наступает темное время суток – электрическим. Это могут быть подъезды жилых домов, заезды в гаражи, тротуары, дороги, магазинные витрины и т.д.

Датчики цвета, например, могут определять загрязнение пряжи в текстильной и легкой промышленности. Они устанавливаются в поточной линии передвижения пряжи.

производство пряжи

Изменение цвета пряжи указывает на ее загрязнение. Когда загрязнение определено, то автоматическая система управления процессом останавливает линию. Это позволяет сократить или полностью исключить вероятность человеческого фактора у уменьшить ошибки при работе. За счет этого повышается точность, и промывка пряжи становиться более эффективной.

Также датчики цвета могут помогать проводить химический анализ. Несколько датчиков цвета помещаются вдоль зоны где происходит химическая реакция.

химическая реакция

По цвету отслеживается стадия на которой находится реакция. Датчики цвета применяются во многих областях и диапазон их применения постоянно расширяется.

Вопрос про программирование модуля EV3 без применения компьютера иногда встает перед многими любителями робототехники. Для этого на микрокомпьютер EV3 уже предустановлено программное обеспечение идентичное ПО установленному на микрокомпьютер.

приложения микрокомпьютера EV3

Создать свою программу можно при помощи приложения модуля EV3 находящегося в окне приложений. Это третья вкладка интерфейса микроконтроллера EV3. Приложение называется Brick Program и является четвертым приложением по счету.

Дословно это переводится как кирпичная программа и является средой программирования модуля EV3. Зайти в это приложение можно после включения модуля при помощи кнопок управления модулем.

Среда программирования микрокомпьютера EV3

Если зайти в среду программирования микрокомпьютера EV3, то первое что мы увидим будет блок «Начало» и блок «Цикл». Между этими двумя блоками находится вертикально расположенная прерывистая линия, при помощи которой происходит добавление блоков из палитры блоков.

начало программы

В палитре блоков расположены блоки двух типов:

Также в палитре блоков находится корзина для удаления ненужного блока из программы.

Блоки действия

Всего в палитре блоков находятся шесть блоков действия:

В правом верхнем углу каждого блока действия находится его указатель в виде маленькой стрелки. Блоки действия предназначены для выполнения какого-либо действия. Это может быть включение мотора, изменение цвета подсветки кнопок и прочее.

Блоки ожидания

Имеется одиннадцать блоков ожидания:

Ожидание температуры;
Ожидание показаний энкодера;
Ожидание нажатия управляющей кнопки модуля EV3;
Ожидание времени;
Ожидание ультразвукового датчика;
Ожидание инфракрасного датчика;
Ожидание инфракрасного маяка;
Ожидание датчика гироскопа;
Ожидание датчика касания;
Ожидание датчика освещенности;
Ожидание датчика цвета.

В правом верхнем углу каждого блока ожидания находится его указатель в виде маленьких песочных часов. Блоки ожидания предназначены для ожидания наступления какого-либо события. Это может быть достижение нужных показаний датчиков, нажатие на кнопку и так далее.

Как создать программу на модуле EV3

Для того, чтобы на микрокомпьютере EV3 создать программу нужно найти в третьем окне интерфейса модуля приложение Brick Program. Нажав на центральную кнопку блока входим в приложение и видим блок начало и цикл. Между этими двумя блоками можно разместить всего шестнадцать различных блоков ожидания и блоков действия.

среда программирования модуля EV3

Поэтому при помощи интерфейса микроконтроллера EV3 можно писать только несложные программы. В блоках программирования есть возможность изменения одного параметра при помощи кнопок «Вверх» и «Вниз». Количество повторений выполнения программы задается в блоке «Цикл» и может принимать значения 1, 2, 3, 4, 5, 10 и бесконечность.

Пример простой программы микрокомпьютера EV3

Например, стоит задача движения робота с двумя большими моторами вперед пять секунд. Для этого мы выбираем при помощи прерывистой линии переходим в блоки действий и выбираем блок «Рулевое управление». Этот блок выглядит как сдвоенная вращающаяся передняя часть большого мотора. Нажатием на центральную кнопку подтверждаем выбор.

рулевое управление

Блок рулевого управления устанавливается между блоком «Начало» и «Цикл». Повторным нажатием на центральную кнопку мы переходим в настройки блока, где нажатием на кнопки «Вверх» и «Вниз» можно изменять направление движения робота. По умолчанию у нас в блоке выбраны большие моторы в портах B и C. Также по умолчанию у нас стоит движение вперед.

Для того, чтобы робот ехал вперед пять секунд нужно добавить блок ожидания времени. Устанавливаем прерывистую стрелочку между блоком «Рулевое управление» и блоком «Цикл» и переходим при помощи кнопок управления модулем в палитру блоков ожидания. Находим блок ожидания времени, который выглядит как часы и выбираем. Нажатием средней кнопки подтверждаем выбор.

ожидание времени

Блок «Ожидание времени» устанавливается после блока «Рулевое управление» перед блоком «Цикл». Повторное нажатие центральной кнопки на блоке «Ожидания времени» позволяет зайти в настройку времени. Стрелочками «Вверх» и «Вниз» выбираем значение пять секунд и нажатием на центральную кнопку подтверждаем выбор. В своей программе между блоками можно передвигаться при помощи кнопок «Влево» и «Вправо».

На всякий случай нужно проверить значение блока «Цикл» и при необходимости устанавливаем значение в единицу, для того, чтобы программа выполнилась только один раз. Чтобы запустить программу на выполнение переходим в блок «Начало» и нажимаем центральную кнопку. Робот движется вперед пять секунд, после чего останавливается. Программа выполнена.

Как сохранить программу модуля EV3

Для того, чтобы сохранить программу нужно перейти к значку «Сохранить», который находится внизу в левом дальнем конце программы. При нажатии значка откроется окно, где можно дать название программе. Также можно применить название по умолчанию. После этого нужно нажать на кнопку «OK».

как сохранить и открыть программу EV3 на блоке

Программа с этим названием будет сохранена в папке BrkProg SAVE. Эта папка расположена во втором окне интерфейса модуля EV3 выбор файла.

Как открыть программу модуля EV3

Над значком «Сохранить» находится значок «Открыть». Чтобы отрыть любую программу, которая существует в блоке нужно нажать на этот значок. После этого можно кнопками «Вверх» и «Вниз» выбрать программу. Нажатие на центральную кнопку откроет выбранную программу

Как удалить блок модуля EV3

Для того, чтобы удалить ненужный вам блок из программы необходимо выделить этот блок центральной кнопкой. После этого переходим в палитру блоков нажатием кнопки «Вверх». По палитре блоков нужно переместиться в нижний левый угол и найти значок «Мусорная корзина».

как удалить блок

Выделяем значок и нажимаем центральную кнопку. Удаление ненужного блока произведено.

Программирование EV3 без компьютера. Приложение Brick Program

Читайте также: