Какого датчика нет в наборе lego mindstorms ev3

Обновлено: 18.04.2024

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).

Инфракрасный датчик Lego EV3 является цифровым дистанционным датчиком. Датчик предназначен для обнаружения инфракрасного света, который отражается от сплошных предметов (объектов).

инфракрасный датчик

Инфракрасное излучение также называют тепловое излучение. Спектральная область инфракрасного излучения располагается между красным концом видимого света, которое имеет длину волны λ = 0,74 мкм с частотой 430 ТГц и микроволновым радиоизлучением λ ~ 1—2 мм с частотой 300 ГГц.

что такое инфракрасное излучение

Принцип работы датчика взят из живой природы. Для ориентации в пространстве и охоты некоторые виды животных используют тепловое излучение. К таким живым организмам относятся кальмары, летучие мыши-вампиры, некоторые виды змей и другие животные.

Режимы работы инфракрасного датчика

Инфракрасный датчик находится в составе домашней версии робототехнического конструктора Lego Mindstorms EV3 с артикулом 31313. В состав образовательной версии Lego EV3 датчик не входит. При необходимости инфракрасный датчик приобретается отдельно. Инфракрасный сенсор является бесконтактным датчиком.

В комплекте домашней версии присутствует инфракрасный маяк, который предназначен для подачи инфракрасных световых сигналов. Инфракрасный датчик в состоянии обнаруживать эти сигналы. Также при помощи связки инфракрасный датчик плюс инфракрасный маяк можно организовать удаленное управление роботом,

инфракрасный датчик с проводом

У инфракрасного датчика есть три режима, в которых он может работать:

В режиме приближения
В режиме маяка
В дистанционном режиме

Основные характеристики инфракрасного датчика

В режиме «Приближение» инфракрасный датчик определяет расстояние между сенсором и предметом. Для этого используются отраженные от объекта световые волны. В этом режиме не используется измерение в сантиметрах или дюймах. Используются условные единицы от 0 что значит очень близко до100 очень далеко. Приблизительное расстояние, на котором можно использовать датчик около 70 сантиметром. На точность измерения влияет размер и форма предмета.

Режим «Маяк» использует совместно инфракрасный датчик с инфракрасным маяком. Этот режим позволяет приблизительно определить, где расположен инфракрасный маяк перед инфракрасным датчиком. Датчик может выдавать логическое значение истина или ложь при обнаружении маяка. В условных единицах от 0 до 100 показывает относительное расстояние до маяка. В этом режиме максимальное расстояние обнаружения маяка около двух метров. Также в условных единицах от -25 до 25 показывает направление маяка. При этом 0 означает, что маяк находится перед датчиком.
В режиме «Дистанционное управление» можно управлять роботом на расстоянии. В этом режиме датчик может распознавать, какие кнопки нажаты на маяке.

Инфракрасный датчик не является очень точным, и погрешность измерения может достигать 20 процентов. Подключение к контроллеру EV3 стандартным плоским кабелем. Можно подключать датчик к любому порту входа, но по умолчанию подключение происходит к 4 порту. При подключении к любому порту модуль EV3 определит датчик автоматически.

Ультразвуковой датчик Lego EV3 часто применяется в различных соревнованиях и конкурсах.

ультразвуковой датчик Lego EV3

Но в самом начале нужно разобраться в том, что такое ультразвуковые колебания или ультразвук.

что такое ультразвук

Ультразвуком называются звуковые колебания, не воспринимаемые человеческим слухом. Частота колебаний ультразвука свыше 20 кГц.

При помощи ультразвуковых колебаний животные могут ориентироваться в пространстве, охотиться, обмениваться информацией. Примером таких животных могут служить дельфины, летучие мыши и другие животные.

дельфин

Дельфины испускают ультразвуковые колебания и находят стаи рыб под водой. Также при помощи ультразвука дельфины умеют передавать информацию друг другу. Ультразвук позволяет летучим мышам ориентироваться в темное время суток и охотиться на насекомых.

Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик Lego EV3 является цифровым бесконтактным датчиком. Он входит в состав образовательного набора Lego EV3. В домашней версии набора его нет. Основной функцией датчика ультразвука является измерение расстояния до объектов, которые находятся перед ним в зоне его действия.

45544 Lego EV3

Принцип действия датчика заключается в том, что он посылает высокочастотную звуковую волну и принимает обратную волну, которая отражается от предмета. При этом измеряется время, затраченное на возврат ультразвукового импульса.

После чего с достаточно высокой точностью может быть рассчитано расстояние до предмета. Звук имеет очень высокую частоту. Поэтому человеческое ухо не может услышать этот звук.

Ультразвуковой датчик Lego EV3 выдает измеренное расстояние в сантиметрах или в дюймах. Основные характеристики датчика:

Сенсор имеет диапазон измерений от 0 до 255 см
Если расстояние до предмета менее 3 сантиметров датчик или не обнаруживает предмет, или может давать недостоверные данные
Погрешность датчика составляет около 20 процентов. Наиболее хорошо и достоверно ультразвуковой датчик EV3 работает на расстоянии от 10 до150 см

Если объект имеет небольшой объем или сделан из ткани или какого-нибудь мягкого материала, то датчик также недостаточно устойчиво измеряет расстояние до объекта.

Режимы и подключение ультразвукового датчика

Датчик ультразвука EV3 может не только измерять расстояние, но и способен фиксировать импульсы другого датчика ультразвука. Для этого существует режим «Присутствие/слушать». При включении этого режима датчик не излучает сигналы, но обнаруживает сигналы другого датчика ультразвука.

характеристики ультразвукового датчика

В каком из режимов работы находится датчик, можно определить визуально. Вокруг «глаз» датчика находится световой индикатор. Когда индикатор светится и не мигает, то у датчика режим «Измерение». Мигание индикатора показывает, что датчик находится в режиме «Присутствие/слушать».

К контроллеру Lego EV3 датчик может быть подключен плоским черным соединительным кабелем, входящим в состав конструктора. Ультразвуковой датчик по умолчанию включается в порт под номером четыре.

модуль Lego EV3

Но включать можно в любой входной порт. Контроллер автоматически определит порт подключения.

Области применения ультразвуковых датчиков

Датчики ультразвука нашли свое применение в автомобилестроении, медицине, гидролокации, военной области.

В данной статье речь пойдет о новой версии конструктора - LEGO Mindstorms Education EV3. Но прежде чем рассказывать о нововведениях EV3, давайте познакомимся с серией конструкторов LEGO Mindstorms поближе.

LEGO Mindstorms – робототехнический конструктор для ребят в возрасте от 10 лет. В качестве строительных блоков для робота используются детали LEGO Techniс – многие ребята уже знакомы с ними по конструкторам «Технология и физика», «Пневматика», «Возобновляемые источники энергии». Но построить каркас робота недостаточно: надо «научить» его получать информацию из окружающей среды и реагировать на нее. Для этого используются специальные устройства – сенсоры: они позволяют определять цвет, освещенность, расстояние до ближайших предметов и многое другое. Реагировать на «раздражители» робот может с помощью моторов – либо уехать куда-нибудь, либо что-нибудь сделать – например, укусить обидчика за палец. А «мозгом» робота является специальный программируемый блок, к которому и подключаются все моторы и датчики.

Перейдем к составу набора LEGO Mindstorms EV3. Вот что входит в образовательную версию набора:

1 программируемый блок
3 мотора:
- 2 больших мотора
- 1 средний мотор
- 2 датчика касания
- 1 датчик цвета
- 1 ультразвуковой датчик расстояния
- 1 гироскоп
Датчики и моторы

Рассмотрим, что же изменилось в EV3 по сравнению со старой версией NXT.

В наборе будет 3 мотора, но один из них будет отличаться как по размерам так и по техническим характеристикам.

Датчик звука был заменен на гироскоп. Остальные типы датчиков остались прежними.

Еще одной особенностью является авто-определение датчиков и моторов при их подключении к блоку – о данной особенности я расскажу в разделе, описывающем новую среду программирования EV3.

Характеристики датчиков и моторов представлены ниже.

Датчик касания

Датчик касания EV3 очень похож на датчик предыдущей версии. Он определяет, когда кнопка нажата или отпущена, также он может подсчитывать одиночные или многократные нажатия.

Датчик цвета

Датчик цвета EV3 различает 7 цветов и может определить отсутствие цвета. Как и в прошлой версии он может работать как датчик освещенности.
- Измеряет отраженный красный свет и окружающее освещение
- Способен определять различия между белым и черным или цветами: синим, зеленым, желтым, красным, белым и коричневым
- Частота работы: 1 кГц
Гироскопический датчик EV3 измеряет вращательное движение робота и изменение его положения.
- Может использоваться для определения текущего направления вращения
- Точность: +/- 3 градуса на 90 градусов оборота (в режиме измерения наклона)
- Может определить максимум 440 градусов/c (в режиме гироскопа)
- Частота работы: 1 кГц
Ультразвуковой датчик расстояния

К основной функции ультразвукового датчика EV3 добавилась еще одна - он также может "слушать" ультразвуковые колебания, испускаемые другими датчиками ультразвука.
- Может измерять расстояние в диапазоне 3 - 250 см.
- Точность измерений : +/- 1 см
- Дискретность результата измерений: 0.1 см.
- Может быть использован для поиска других активных ультразвуковых датчиков (режим прослушивания)
- Красная LED подсветка вокруг "глаз"
Большой мотор

Большой сервомотор EV3 очень похож на предыдущую версию мотора NXT, однако корпус мотора стал чуть больше (виртуально он теперь занимает 14x7x5 отверстий против бывших 14x6x5). Также были изменены места крепления моторов и их тип.
- Максимальные обороты - 160- 170 об/мин.
- Заданный крутящий момент - 40 Н/см
- Реальный крутящий момент - 20 Н/см.
- Встроенный датчик угла поворота (энкодер) мотора с точностью 1 градус
Средний мотор

Средний сервомотор EV3 основан на Power Function моторе аналогичного размера. Дополнительное место потребовали только датчик угла поворота и порт для подключения. Этот мотор отлично подойдет для работы под низкими нагрузками и высокими скоростями.
- Максимальные обороты - 240- 250 об/мин.
- Заданный крутящий момент - 12 Н/см
- Реальный крутящий момент - 8 Н/см.
- Встроенный датчик угла поворота (энкодер) мотора с точностью 1 градус
NXT датчики, моторы и кабели совместимы с EV3, таким образом все ранее построенные роботы могут управляться новым блоком.

Программируемый блок EV3

Серьезные изменения произошли и с микрокомпьютером EV3. По сравнению с NXT, EV3 блок имеет более быстрый процессор, больше памяти. Прошивка блока EV3 базируется на свободно распространяемой ОС Linux, что дает возможность создавать свои прошивки для блока. Подключить робота к компьютеру теперь возможно не только через USB и Bluetooth, но и по Wi-Fi. Между собой роботы также могут «общаться» по USB, Bluetooth и Wi-Fi.

Ниже представлена сравнительная таблица характеристик NXT и EV3:

С EV3 в комплекте поставляется новая графическая среда разработки на базе LabView, похожая на NXT-G. Работать она будет, как и NXT-G, на ОС Windows и Mac.

Среда разработки EV3 была значительно улучшена. Теперь все материалы для робота: программы для робота, документацию, результаты экспериментов, фото и видео - можно хранить в проекте. Был также добавлен инструмент zoom, который позволяет масштабировать программу, чтобы, например, увидеть всю программу целиком. Стоит отметить, что NXT блок можно программировать с помощью новой среды EV3, однако старый блок поддерживает не все особенности нового языка программирования.

Перечислим основные нововведения среды программирования EV3:
- Тесная интеграция среды программирования с блоком:
  - Добавлена специальная страница с подключенным оборудованием. Она позволяет отслеживать статус EV3 блока и получать значения с датчиков в реальном времени.
  - Датчики и моторы распознаются при подключении автоматически, благодаря функции auto-id. Это позволяет не указывать, что к такому-то порту подключен такой-то датчик или мотор.
  - В процессе работы программы подсвечивается выполняемый блок. Это позволяет точно понимать поведение программы.
  - На программном блоке загорается специальный символ, если к данному порту подключен другой датчик или мотор.
  - Добавлена возможность просматривать значения, передаваемые через каналы данных (data wires).
  - Сцепление блоков друг с другом позволило отказаться от "балки исполнения", на которой располагались блоки в среде NXT-G.
  - У блоков нет такого понятия, как панель настройки, - поведение теперь настраивается непосредственно на блоке, что привело к увеличению их размера. Программу теперь намного легче читать – сразу видно как настроены датчики и моторы.
  - Появились блоки "ждать изменения", которые позволяют реагировать на факт изменения значения, а не на изменение до определенного значения как в NXT-G.
  - Улучшения в передачи данных от блока к блоку позволяют упростить преобразование типов (теперь не нужно вручную преобразовывать, например, число в строку).
  - Добавлена возможность работы с массивами.
  - Стал возможен досрочный выход из цикла.
  Кроме нового языка программирования появились программы под Android и iPhone\iPad для управления роботом. Также на базе программы Autodesk Invertor Publisher создана программа для создания и просмотра пошаговых 3D инструкций. В этой программе можно масштабировать и вращать модель на каждом этапе сборки, что позволяет строить более сложных роботов по инструкциям.
  
  В образовательный набор включены инструкции для сборки 5 роботов:
  
  Color Sorter
  Классическая задача по сортировке предметов (в данном случае - Lego деталей) по цвету.
  
  Gyro Boy
  Робот-сигвей, использующий гироскоп для балансировки.
  
  Puppy
  Робот-собачка, которую можно гладить, кормить. Спать и справлять нужду она также умеет :) Напоминает тамагочи.
  
  Робо-рука
  Позволяет перемещать предметы.
  
  Для EV3 набора был подготовлен ресурсный набор LEGO MINDSTORMS Education EV3, позволяющий собирать другие модели, используя новые детали.
  
  Это цифровое средство измерения, необходимое для того, чтобы робот мог определить цвет и яркость света, выполняя запрограммированные действия. Частота выборки составляет 1 кГц.
  
  По какому принципу он работает?
  
  Датчик работает благодаря двум составляющим: трехцветный RGB светодиод и фоторезистор (светочувствительный датчик). Первый излучает красный, синий и зеленый свет, а второй определяет, насколько интенсивен падающий на него свет.
  Как это выглядит: светодиод излучает свет, последовательно переключая цветовую комбинацию, а фоторезистор оценивает интенсивность отраженного света и по наиболее интенсивному определяет цвет. Можно калибровать для работы с наиболее подходящим цветом, написав для этого специальную программу.
  
  Робот может сортировать по заданному алгоритму цветные предметы, например, кубики. Может перечислять названия цветов, которые встречает в окружающей среде. Может остановиться и прекратить любые действия, распознав красный. Диапазон у датчика следующий: различает черный, белый, синий, красный, зеленый, желтый и отсутствие цвета.
  
  Очень важно, чтобы в этом режиме датчик был расположен по отношению к исследуемой поверхности следующий образом: под прямым углом на расстоянии 10-15 мм, но не касаясь предмета. Это позволит ему максимально точно исследовать предмет – на близком расстоянии блокируются другие источники света, создающие помехи для отраженного сигнала датчика.
  
  Как работать в режиме «Цвет»:
  
  С помощью мыши программного блока перемещаем датчик цвета из нижней части экрана, которая называется «панель программирования» в область программ среды программирования LME. При этом программа поочередно будет использовать блок «Ожидание», затем «Сравнение», затем режим «Цвет», тестирующий красный цвет.
  
  Далее можно выбрать цвета, на которые будет реагировать датчик. Как видно на рисунке, он позволяет выбрать как один, так и несколько цветов.
  
  На этом рисунке показано, каким образом программа использует блоки «Ожидание» и «Сравнение», а затем в режиме «Цвет» тестирует зеленый, синий и красный цвета.
  
  Режим «Яркость отраженного света»
  
  Этот режим необходим, чтобы определить яркость света. Как уже было сказано выше, светодиод излучает свет, – а именно, красный свет – а фоторезистор «изучает» отраженный свет на основе специальной шкалы. Она учитывает показатели от 0 до 100, где 0 – очень темный, а 100 – самый светлый. На практике эта функция позволяет давать роботу задания следующего плана: интерпретировать идентификационную карточку с нанесенным на неё цветовым кодом или двигаться по белом поверхности, останавливаясь на черной линии.
  
  Как и в случае с режимом «Цвет», важно правильно расположить датчик по отношению к исследуемой поверхности – на расстоянии 10-15 мм, не допуская касания. Таким образом блокируются сторонние источники света и датчик анализирует отраженный сигнал без помех.
  
  Как работать в режиме «Яркость отраженного света»
  
  Выбираем в режиме «Сравнение» строку «Яркость отраженного света». Далее датчик включает красный индикатор, который мы знаем, как светодиод RGB. Замеряется отраженное от объекта количество света по шкале от 0 до 100, а робот на основе полученной информации выполняет действия, на которые запрограммирован.
  
  На этом рисунке показано, как запрограммировать датчик таким образом, чтобы он дождался, пока яркость отраженного света станет менее 50%. Для этого поочередно выбираем блоки «Ожидание», «Сравнение» и «Яркость отраженного света». Обратите внимание, что можно выбирать одну из пяти возможных позиций: больше или меньше, равно или не равно, больше чем или равно, меньше чем или равно.
  
  Что дает такое логическое сравнение? Позволяет сравнить поступающий с датчика цвет сигнала (т.е., цифровое значение отраженного светового потока) и пороговое значение (т.е., показатель, «дающий» роботу сигнал о том, что необходимо воспроизвести запрограммированное поведение – например, остановиться на черной линии).
  
  Режим «Яркость внешнего освещения»
  
  Этот режим позволяет работать со светом, поступающим из окружающей среды. Это может быть и естественное солнечное освещение, и искусственное – например, свет фонарика. Как и в режиме «Яркость отраженного света», датчик ранжирует информацию по шкале от 0 до 100, где 0 – очень темный, а 100 – самый светлый. Можно запрограммировать робота на определенный режим дня: например, сигнализировать утром при появлении солнца и прекращать работу, когда выключается свет и пропадает естественное освещение.
  
  Читайте также: