Lego mindstorms ev3 процессор
Обновлено: 02.05.2024
Серия Lego Mindstorms EV3 разработана специально для обучения детей в образовательных учреждениях робототехнике, а так же естественным наукам – физике, математике, информатике и конструированию. В основе набора – микрокомпьютер Mindstorms EV3, с графическим дисплеем и портами для подключения датчиков.
Зарядное устройство приобретается отдельно.
Официальный дилер LEGO Education с 2013 года
Сердцем набора является программируемый микрокомпьютер EV3, с помощью которого роботом можно управлять, контролировать работу моторов и датчиков, а также получать данные на компьютер, посредством протоколов Bluetooth и WiFi.
Наборы Лего Майндстормс обладают широчайшим учебным потенциалом и могут быть использованы на большинстве технических предметов для повышения эффективности учебного процесса.
В состав набора входят 3 серво мотора различной мощности (2 больших и 1 средний), 5 датчиков (гироскопический и ультразвуковой датчик, датчик света/цвета и два датчика касания), перезаряжаемая аккумуляторная батарея и соединительные провода.
Набор поставляется в удобной пластиковой коробке, с специальным сортировочным лотком с отделами для хранения каждого элемента, идеальное решения для поддержания порядка и использования в классе.
В конце занятия ученики без проблем за пару минут могут разложить все детали на свои места.
Базовый набор LEGO Mindstorms EV3 45544 рассчитан на сборку пяти стандартных моделей роботов. Его можно улучшить с помощью дополнительных элементов из Ресурсного набора LEGO Mindstorms Education EV3, а также тематическим дополнениям, например, комплекту посвященному космосу «Космические проекты» LEGO Mindstorms EV3 45570.
Благодаря дополнительным наборам ученики смогут сконструировать более сложные и функциональные модели и реализовывать все свои идеи без ограничений.
Состав набора LEGO Mindstorms EV3 45544
Специальная система для хранения деталей
Строительные элементы 524 шт.
Зарядное устройство LEGO Education 45517 не входит в Базовый набор LEGO Mindstorms EV3.
Зарядное устройство входит в состав Стартового комплекта LEGO Mindstorms EV3.
Зарядка не оригинальным устройством может привести к поломке аккумулятора LEGO Mindstorms!
Программное обеспечение для LEGO Mindstorms
ПО LME EV3 для LEGO Mindstorms 45544 поставляется бесплатно и включает в себя:
- 48 интерактивных уроков с пошаговыми инструкциями по сборке
- учебные материалы для учителя и учеников
- инструкции по сборке и программированию пяти стандартных моделей роботов
Графическая программная среда
Чтобы управлять роботами, не нужно писать код – среда разработки содержит готовые алгоритмы в виде иконок, из которых собирается последовательность действий. Графическое ПО легко усвоить даже тем, кто раньше не был знаком с программированием. Впоследствии ребята могут улучшать свои навыки, используя языки программирования на основе Python, Java или C+.
Стандартные модели, которые можно собрать с помощью базового набора Lego Mindstorms EV3
Базовая модель, начальная функция доставка грузов к месту назначения,ее можно модифицировать под более сложные задачи.
Робот-манипулятор по принципу промышленных манипуляторов
Робот иммитирует поведение щенка.
Gyro Boy. Робот-гироскутер | Инструкция
Робот "стоит", балансируя на двух колесах по принципу гироскутера/сигвея.
Привет, Хабр! Мы уже рассказывали о платформе LEGO MINDSTORMS Education EV3. Основные задачи этой платформы — обучение на практических примерах, развитие навыков STEAM и формирование инженерного мышления. В ней можно проводить лабораторные работы по изучению механики и динамики. Лабораторные стенды из кубиков LEGO и утилиты по регистрации и обработке данных делают опыты еще интереснее и нагляднее и помогают детям лучше понять физику. Например, школьники могут собрать данные о температуре плавления и с помощью приложения систематизировать их и представить в виде графика. Но это только начало: сегодня мы расскажем, как дополнить этот набор средой программирования MicroPython и использовать его для обучения робототехнике.
Учим программированию с помощью EV3
Современные школьники хотят видеть красочный результат. Да, им скучно, если программа выводит в консоль числа, и они хотят рассматривать цветные графики, диаграммы и создавать настоящих роботов, движущихся и выполняющих команды. Обычный код тоже кажется детям слишком сложным, поэтому обучение лучше начинать с чего-нибудь полегче.
Базовая среда программирования EV3 создана на основе графического языка LabVIEW и позволяет задавать алгоритмы для робота визуально: команды представлены в виде блоков, которые можно перетаскивать и соединять.
Такой способ хорошо работает, когда нужно показать, как строятся алгоритмы, но он не подходит для программ с большим количеством блоков. При усложнении сценариев необходимо переходить на программирование с помощью кода, но детям трудно сделать этот шаг.
Здесь есть несколько хитростей, одна из которых — показать, что код выполняет те же задачи, что и блоки. В среде EV3 это можно сделать благодаря интеграции с MicroPython: дети создают одну и ту же программу в базовой среде программирования с помощью блоков и на языке Python в Visual Studio Code от Microsoft. Они видят, что оба способа работают одинаково, но кодом решать сложные задачи удобнее.
Переходим на MicroPython
Среда EV3 построена на базе процессора ARM9, и разработчики специально оставили архитектуру открытой. Это решение позволило накатывать альтернативные прошивки, одной из которых стал образ для работы с MicroPython. Он позволяет использовать Python для программирования EV3, что делает работу с набором еще ближе к задачам из реальной жизни.
Чтобы начать работать, нужно скачать образ EV3 MicroPython на любую microSD-карту, установить ее в микрокомпьютер EV3 и включить его. Затем нужно установить бесплатное расширение для Visual Studio. И можно приступить к работе.
Программируем первого робота на MycroPython
На нашем сайте есть несколько уроков для освоения базовых понятий робототехники. Модели на EV3 знакомят детей с азами, которые используются в самоуправляемых автомобилях, заводских роботах-сборщиках, станках с ЧПУ.
Мы возьмем для примера чертежную машину, которую можно научить рисовать узоры и геометрические фигуры. Данный кейс является упрощенным вариантом взрослых роботов-сварщиков или фрезеровщиков и показывает, как можно использовать EV3 совместно с MicroPython для обучения школьников. А еще чертежная машина может разметить отверстия в печатной плате для папы, но это уже другой уровень, требующий математических расчетов.
Для работы нам понадобятся:
- базовый набор LEGO MINDSTORMS Education EV3;
- большой лист клетчатой бумаги;
- цветные маркеры.
Сначала инициализируем библиотеку модулей EV3:
Настраиваем платформу, которая вращает ручку как мотор в порте B. Задаем передаточное отношение двухступенчатой зубчатой передачи с количеством зубьев 20-12-28 соответственно.
Настраиваем подъемный механизм для ручки как мотор в порте C:
Настраиваем гироскоп, измеряющий угол наклона ручки, в порте 2:
Настраиваем цветовой датчик в порте 3. Датчик используется, чтобы определять белую бумагу под чертежной машиной:
Настраиваем датчик касания в порте 4. Робот начинает рисовать, когда датчик нажат:
Определяем функции, которые поднимают и опускают ручку:
Определяем функцию для поворота ручки на заданный угол или до определенного угла:
Если целевой угол больше, чем текущий угол гироскопического датчика, продолжаем движение по часовой стрелке с положительной скоростью:
Если целевой угол меньше, чем текущий гироскопического датчика, то двигаемся против часовой стрелки:
Останавливаем вращающуюся платформу, когда целевой угол будет достигнут:
Устанавливаем начальное положение ручки в верхнем положении:
Теперь идет основная часть программы — бесконечный цикл. Сначала EV3 ожидает, когда датчик цвета обнаружит белую бумагу или синюю стартовую клетку, а датчик касания будет нажат. Затем он рисует узор, возвращается в исходное положение и повторяет все заново.
Когда устройство не готово, светодиоды на контроллере принимают красный цвет, и на ЖК-экране отображается изображение «палец вниз»:
Дожидаемся, когда датчик цвета считает синий или белый цвет, устанавливаем цвет светодиодов зеленым, отображаем на ЖК-экране изображение «палец вверх» и сообщаем, что устройство готово к работе:
Дожидаемся нажатия датчика касания, присваиваем гироскопическому датчику значение угла 0 и начинаем рисовать:
Поднимаем держатель ручки и возвращаем его в исходное положение:
Вот такая несложная программа у нас получилась. И теперь запускаем ее и смотрим на робота-чертежника в деле.
Что дают такие примеры
EV3 — это инструмент для профориентации в рамках профессий STEM и точка входа в инженерные специальности. Так как на нем можно решать практические задачи, дети получают опыт технических разработок и создания промышленных роботов, учатся моделировать реальные ситуации, понимать программы и анализировать алгоритмы, осваивают базовые конструкции программирования.
Поддержка MicroPython делает платформу EV3 подходящей для обучения в старших классах. Ученики могут попробовать себя в роли программистов на одном из самых популярных современных языков, познакомиться с профессиями, связанными с программированием и инженерным проектированием. Наборы EV3 показывают, что писать код — это не страшно, готовят к серьезным инженерным задачам и помогают сделать первый шаг к освоению технических специальностей. А для тех, кто работает в школе и связан с образованием, у нас подготовлены программы занятий и учебные материалы. В них детально расписано, какие навыки формируются при выполнении тех или иных задач, и как полученные навыки соотносятся со стандартами обучения.
Известная притча гласит, что, когда к мудрецу обратилась молодая мать с ребенком на руках и спросила, с какого возраста ей следует начинать воспитание отпрыска, старец ответил, что она опоздала на столько лет, сколько уже было ребенку. С выбором будущего призвания ситуация достаточно похожая. Сложно требовать осознания своих склонностей и интересов от младенца, но вот уже в средней школе начинаются всевозможные специализации, и к этому времени неплохо бы уже знать, в какую сторону двигаться подросшему чаду. Но одно мы знаем уже почти наверняка – в течение ближайших десятилетий от 30 до 80% профессий будут полностью автоматизированы.
Робототехника, кибернетика, понимание алгоритмов – тот набор навыков, с которым, скорее всего, человеку не будут грозить настолько туманные перспективы. Конечно, скорее всего параллельно с заменой рабочей силы на роботов будет развиваться и концепция безусловного базового дохода, вот только вряд ли вы хотите для своего ребенка подобного будущего.
Способов быстро показать молодой и заинтересованной аудитории основы программирования и робототехники сейчас существует много. Все они стоят недорого, достаточно просты в освоении, дают уже через несколько часов понимание основ алгоритмов и концепций кибернетических устройств. Но в учебных классах легко столкнуться и с недостатками этих платформ – ограниченной износоустойчивостью (да и чего греха таить – «идиотоустойчивостью» тоже) макетных плат, не очень дружелюбными для детей 11-12 лет интерфейсами ПО, относительно небольшим элементом «игры».
Со всеми этими недостатками уже больше двадцати лет борются в самой известной компании-производителе развивающих наборов LEGO Education. Речь идет, разумеется, о платформе MINDSTORMS Education EV3. Начиная с произведенных в начале 90-х Mindstorms RCX и заканчивая самым современным комплексом MINDSTORMS Education EV3 принцип формирования платформы остается прежним. В основе лежит «умный кирпич» (“intelligent brick”), это микрокомпьютер с экраном и портами ввода-вывода, к которому подключаются все остальные компоненты. Как и в любой робототехнической системе периферийные устройства подразделяются на сенсоры и эффекторы. При помощи сенсоров робот воспринимает окружающий мир, а благодаря эффекторам – реагирует на него в соответствии с заложенной программой. Соединяются компоненты платформы вместе простыми кабелями без пайки, а механические конструкции ограничены только прочностью пластиковых деталей и фантазией конструкторов.
В предыдущем посте мы рассматривали возможности таких решений в общем и целом, сейчас же хотим подробнее остановиться именно на LEGO MINDSTORMS Education EV3.
LEGO MINDSTORMS Education EV3 сделан совместимым с деталями Lego Technic. Это означает, что платформу можно использовать для создания самых разнообразных и даже невероятных конструкций, от простых «машинок» и «роборук» до сложных конвейеров или даже «решателей» кубика Рубика. Фактически любой набор Lego Technic может стать источником деталей для проектов, также никаких проблем не будет с заменой пострадавших запасных частей. Да, выглядят они не так брутально, как старый советский алюминиевый конструктор, но на практике оказываются даже прочнее изделий из металла. По крайней мере в моей коллекции, стартовавшей в 1993 году, еще не обнаружилось ни одной сломанной детали.
В комплекте с базовым образовательным набором MINDSTORMS Education EV3 есть 541 деталь Lego Technic. Можно докупить как специализированный ресурсный набор вроде 45560 (или более старый 9648, выпускавшийся еще для NXT), так и просто большой конструктор типа 42043 (2800 деталей) или 42055 (почти 4000 деталей), и, вдоволь наигравшись с основной моделью, пустить его на «кирпичики» для кибернетических опытов. В пересчете на одну деталь Lego здесь очень сильно выигрывает у других наборов – всего 3-5 рублей за одну штуку.
Ну а если у кого-то сохранилась старая коллекция, включающая десятки тысяч деталей, то беспокоиться о ресурсах и вовсе не придется.
Скриншот из сервиса Brickset (интерактивная база для владельцев конструкторов Lego, позволяющая собирать разнообразную статистику) автора
Впрочем, это касается только «пассивных» элементов вроде балок, колес или соединительных пинов. Сенсоры и эффекторы, разумеется, значительно дороже, но и в базовом комплекте их более чем достаточно. Mindstorms EV3 поставляется в комплекте с тремя моторами (два побольше и помощнее и один компактный сервопривод), парой сенсоров касания (своего рода «умные» кнопки), ультразвуковым, гироскопическим и цветовым сенсорами (он же может работать в режиме сенсора освещенности). Плюс сохранена совместимость с датчиками от предыдущего поколения роботов Lego Education – Mindstorms NXT (в их число входит, например, датчик уровня шума).
Но вернемся к «умному кирпичу», сердцу системы. Это действительно довольно увесистый и объемный «кирпичик», оснащенный монохромным ЖК-экраном 178х128 (на него выводится не только меню, но и всевозможные кастомные картинки в процессе работы) с изменяемым цветом подсветки. При помощи проводов со стандартным разъемом RJ-12 к нему подключаются сенсоры и эффекторы (до четырех устройств каждого типа), есть слот для microSDHC и USB-порт.
Последний можно использовать как для загрузки собственно программ, так и для обновления прошивки. Однако не обделен микроконтроллер и беспроводными интерфейсами, при желании загружать программы можно через Wi-Fi (нужен внешний модуль) или Bluetooth (встроен). Также, если мы собираем робота с дистанционным управлением, «рулить» им можно с использованием беспроводной связи со смартфона или планшета.
Плюс появился четвертый порт для моторов, само по себе это значительное расширение функционала, которое оправдывает апгрейд.
USB-порт теперь поддерживает режим хоста, это позволяет не только подключать Wi-Fi-адаптер, но и соединять несколько блоков EV3 в одного сложного робота. Правда, и уровень задач при этом становится совершенно «не детским».
Наконец, MINDSTORMS Education EV3 обзавелся поддержкой аккумуляторного питания. Вместо шести АА-батареек можно установить идущий в комплекте литиево-ионный аккумулятор на два с хвостиком ампер-часа. Конечно, никто не запрещает пользоваться пальчиковыми аккумуляторами типа eneloop, но необходимость их вынимать для зарядки делает юзабилити ниже среднего. Да и по цене пара комплектов eneloop c зарядником вполне сравнима с фирменным аккумулятором.
Теперь посмотрим на эффекторы из базового набора. Два из них – мощные моторы, аналогичные уже использовавшимся в NXT, продолговатые устройства, развивающие благодаря внутренней понижающей передаче серьезный крутящий момент.
На случай блокировки мотора предусмотрен механический фрикцион, который начинает проскальзывать, если трение больше расчетного, так что мотор довольно сложно спалить.
Имеется датчик угла поворота с разрешением в один градус (мотор сообщает контроллеру, на какой угол сейчас повернута его ось) и возможность точно синхронизировать вращение всех подключенных моторов.
Третий, так называемый М-сервопривод (средний по размеру мотор) выдает в три раза меньший крутящий момент, но зато его скорость вращения выше почти в два раза.
Что касается сенсоров, то на самом деле вовсе не обязательно ограничиваться теми, что предлагает LEGO Education (хотя и их выше крыши для любого образовательного проекта), ряд сторонних компаний выпускает совместимые и порой довольно экзотические сенсоры. Исходный код прошивки и аппаратные спецификации полностью открыты.
Программное обеспечение
Мы много говорили об аппаратной базе, но на самом деле далеко не только она определяет эффективность занятий по робототехнике. Именно наличие действительно интуитивно понятного ПО на множестве платформ (Мак, ПК, мобильные устройства) и готовых учебных планов делает LEGO MINDSTORMS Education EV3 платформой выбора при обучении, и особенно на рубеже начальной и средней школы, для детей лет десяти.
Приветственный экран приложения на iPad
Визуализация алгоритмов в родном ПО LEGO MINDSTORMS Education EV3 находится просто на высшем уровне – достаточно буквально за несколько минут усвоить основные виды взаимодействия логических блоков (условия перехода, цикл и т.д.) и в дальнейшем постепенно наращивать сложность программ. Разумеется, есть и готовые обучающие проекты для десятков разнообразных моделей роботов, а при желании в интернет-сообществах можно найти тысячи интересных программ.
Пример программы в приложении для iPad
Продвинутые же пользователи могут установить LabVIEW или RobotC – «мозги» LEGO MINDSTORMS Education EV3 полностью совместимы с этими пакетами. Вот экспортировать старые проекты для NXT без дополнительной конвертации, увы, не выйдет.
С образовательной же точки зрения гораздо больший интерес представляет версия ПО для настольных компьютеров. Оно позволяет вести электронные тетради учеников, благодаря которым преподаватель может из своей версии приложения оценивать успехи конкретного ученика и наблюдать за его прогрессом. Плюс ко всему можно использовать не только имеющиеся на борту ПО учебные материалы (коих множество), но и с помощью встроенного редактора контента создавать свои собственные.
Обучающие видео по работе с редактором контента EV3
А еще в десктоп-версии есть утилита регистрации данных с возможностью программирования областей графика в зависимости от пороговых значений. То есть теперь педагог может с легкостью продемонстрировать работу современных технологий в рамках умного дома, к примеру.
Микрокомпьютер EV3 будет собирать данные с датчиков в реальном режиме времени и в зависимости от температурного фона запускать ту или иную программу модели. При высокой температуре включается вентилятор, при низкой — обогреватель. А ученики смогут фиксировать и анализировать данные, дорабатывая модель.
Журналирование данных
Открытость прошивки «умного кирпича» уже сыграла свою роль: существуют альтернативные варианты с поддержкой большинства популярных языков программирования (десятки их). По большому счету использование EV3 можно «прикрутить» к любому образовательному проекту, связанному с программированием, поскольку мало что так радует, как возможность увидеть работу собственных алгоритмов «в железе».
Многие ждут, что камнем преткновения в этой истории может оказаться цена. Действительно, за Базовый набор придется выложить 29 900 рублей, плюс еще 2 500 отдать за зарядку. Однако в эту сумму включены детали и электроника для комфортной работы двух учеников, а также полноценное базовое ПО с 48 готовыми занятиями (которое с января 2016 полностью бесплатно, как для частных лиц, так и для организаций). Конечно, дополнительное оборудование и комплекты заданий могут увеличить стоимость, но в пределах разумного. Так комплект для 8 учеников, включающий базовые и ресурсные наборы LME EV3, зарядные устройства, ПО и дополнительный комплект заданий «Инженерные проекты», обойдется в 174 900. Вполне приемлемо для оснащения, например, кружка в школе.
Да, это заметно дороже простых Arduino-подобных платформ. Но и возможности, а также уровень вовлеченности гораздо выше. Учебную программу на базе EV3 можно спокойно планировать на всю среднюю школу и дальше. Кроме того, при адекватном использовании LEGO MINDSTORMS Education EV3 банально «переживет» несколько простых комплектов за счет механических качеств, легкой заменяемости и доступности деталей (на моей практике только один шлейф RJ-12 потребовал замены в 10-летнем NXT).
В итоге мы видим практически оупенсорсный проект, поддерживаемый гигантской компанией со всеми положенными в такой ситуации бонусами – большим жизненным циклом, доступностью запчастей и расширений, официальными и любительскими гайдами, развитым сообществом. Mindstorms стал практически стандартом западных образовательных классов по робототехнике для детей, и было бы по-настоящему здорово увидеть его широкое распространение и в России.
Выбор пути
А теперь к главному. В отличие от наборов WeDo 2.0, EV3 ориентирован на среднюю школу, соответственно, на детей постарше, для которых вопрос выбора будущей профессии стоит уже посерьезнее.
Используя EV3, каждый из учеников сможет активнее раскрыть те способности, которые были в нем заложены природой, воспитанием и учебным процессом.
Прирожденный математик будет пристально следить за телеметрией датчиков, за тем, как именно фиксируется пройденное роботом расстояние, как записывается угол, на который он отклоняется, и прочее.
Будущий айтишник, само собой, погрузится в программирование робота, разбирая алгоритмы, по которым тот движется. И непременно будет создавать свои, не предусмотренные штатной инструкцией.
Увлеченный физикой ребенок сможет с помощью робота проводить наглядные эксперименты, благо с датчиками у наборов проблем нет, равно как и у ребенка — с фантазией.
В общем, какие бы у ребенка ни были интересы и любимые предметы в школе, обучение с использованием наборов MINDSTORMS EV3 позволит четче их выделить и сконцентрироваться на их развитии в будущем.
В жизни
На данный момент решения компании уже используются учащимися для создания интересных проектов, как в рамках различных конкурсов, так и для общего развития. О ряде из них в этом году писали СМИ.
Астраханские школьники Руслан Казимов и Михаил Гладышев на базе регионального технопарка разработали робот-тренажер для реабилитации суставов рук.
На разработку тренажёра восьмиклассники потратили чуть меньше двух месяцев. Они представили свой проект на региональном этапе IX Всероссийского конкурса научно-инновационных проектов в ЮФО, где заняли второе место. В дальнейшем они планируют создать промышленный образец – пока разработчики предлагают только прототип, изготовленный из образовательного робототехнического набора LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Устройство дублирует движения, выполняемые врачом – суставы начинают работать, тем самым восстанавливается подвижность не только их, но и групп мышц. Пока устройства связаны через Bluetooth, в будущем будут взаимодействовать с помощью интернета или Wi-Fi.
Аналоги такого устройства есть на рынке, однако астраханский прибор может работать одновременно с плечевым, лучезапястным и локтевым суставами. Кроме того, он переносной и работает от аккумулятора. Также есть возможность удалённого управления, то есть пациент может тренироваться, не выходя из дома.
На Всемирной Олимпиаде по робототехнике 2015 года (WRO 2015) российская команда DRL из Санкт-Петербурга была награждена специальным призом за креативность от компании LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Российская команда DRL представила проект CaveBot. Ребята из Санкт-Петербурга под руководством тренера Сергея Филиппова создали уникального робота-исследователя для обнаружения неизведанных областей в пещерах. Разработка затрагивает различные научные области, так как уникальный робот делает возможным выполнение разнообразных по сложности задач.
Команда построила робота-скалолаза, оснащенного различными датчиками, для обнаружения предметов с целью их последующего исследования. Полученные данные могут быть превращены в 3D-модели на компьютере.
А 13-летний Шубхэм Бэнерджи создал принтер Брайля из частей LEGO в рамках школьного научного проекта. Позже, при участии его семьи, был создан стартап по запуску изобретения, который получил финансовую поддержку от технической корпорации Intel.
(Photo: Marcio Jose Sanchez, AP)
Идея создать принтер пришла к Шубхэму после исследования Брайля в сети Интернет. Поняв, что принтеры для слепой печати стоят от 2,000$ и выше, школьник решил сделать более дешевую версию.
Вскоре после изобретения незрячие дети и их родители начали связываться с Шубхэмом с единственной просьбой — сделать недорогой принтер Брайля, обещая «купить его прямо с полки».
Как видите, использование MINDSTORMS Education EV3 в процессе обучения позволяет учащимся по-максимуму включать фантазию, создавая все новые и новые механизмы, которые не только помогают реализовать идеи или наглядно провести какие-либо эксперименты, но и начать определяться со своей будущей профессией.
Если у вас есть вопросы насчет использования этих решений в образовательном процессе (или о самих продуктах) — пишите их в комментариях.
Несмешной и баянистый анекдот, но нельзя просто так взять и начать эту публикацию не с него – он в лучшем виде отображает суть того, о чём пойдёт речь далее. Впрочем, из заголовка вы и так поняли, о чём речь.
Осторожно! Публикация может вызвать непреодолимое желание завести сына.
Урок истории
Компания LEGO (название произошло от датской фразы «leg godt», «Играй с удовольствием») не нуждается в представлении – она была основана в далёком 1932 году, хотя первые знакомые всем пластиковые кубики появились значительно позже, в 1947. Примечательно, что кубики LEGO, выпускаемые в те годы, полностью совместимы с теми, что выпускаются сейчас.
История создания компании, выпущенная компанией Pixar к 80-летнему юбилею LEGO:
Сейчас компания производит около 20 миллиардов деталек в год, то есть более 630 штук в секунду. В текущем модельном ряду более 600 различных конструкторов и так уж получилось, что серия Mindstorms является своего рода вершиной технической мысли, самым-самым навороченным конструктором. Если вкратце, то она позволяет делать вполне себе полноценных роботов.
Как гласит википедия, серия LEGO Mindstorms была впервые представлена в 1998 году. Через 8 лет (в 2006) на свет появился набор LEGO Mindstorms NXT 1.0, а уже в 2009 — набор LEGO Mindstorms NXT 2.0. Сегодня речь пойдёт о LEGO Mindstorms EV3 – последнем (третьем) поколении терминатора конструктора, который был представлен почти год назад, 4 января 2013 года (в продаже появился только спустя полгода).
Отличия EV3 от NXT 2.0
В принципе, главная идея осталась прежней – серия предназначена для сборки программируемых роботов. Поэтому первым встаёт вопрос, а что же поменялось с момента выхода предыдущего конструктора и стоит ли покупать новый? Основное отличие заключается в обновленных датчиках/моторах и, самое главное, в интеллектуальном блоке EV3 (EV означает EVolution):
| EV3 | NXT | |
| Дисплей | Монохромный LCD, 178x128 | Монохромный LCD, 100x64 |
| Процессор | 300 МГц Texas Instruments Sitara AM1808 (ARM9) | 48 МГц Atmel AT91SAM7S256 (ARM7TDMI) |
| Память | 64 Мб RAM 16 Мб Flash Слот microSDHC (до 32 Гб) | 64 Кб RAM 256 Кб Flash |
| USB-хост | Есть | Нет |
| Wi-Fi | Опционально, через USB-донгл | Нет |
| Bluetooth | Есть | Есть |
| Поддержка Apple-устройств | Есть | Нет |
Ещё одно отличие заключается в том, что серия NXT продавалась в нескольких версиях (в разные годы) и представляла собой разные наборы, базовые и ресурсные. У нового EV3 с этим попроще – пока он продаётся в основном варианте – 31313 (601 деталь), из которого можно наделать кучу всего. Но при желании можно докупить базовый набор 45544 (541 деталь) с дополнительными сенсорами и детальками (использовать детали от обычных конструкторов также никто не мешает). Кстати, обратите внимание на пятизначные артикулы – на такую нумерацию компания перешла в 2013 году.
Что касается совместимости, то тут было проделано всё возможное. Все NXT-сенсоры и моторы совместимы с EV3 и распознаются как NXT. EV3-сенсоры не работают с NXT, но EV3-моторы вроде как совместимы. NXT-кирпичик может быть запрограммирован софтом от EV3, но некоторые функции могут быть недоступны, а вот запрограммировать EV3-кирпичик NXT-софтом без сторонних решений не получится.
Внутри коробки
Ещё когда я сам был маленький и ездил с родителями в центральный Детский Мир (когда он ещё был), на Лубянку – уже тогда я не мог оторвать глаз от коробок с LEGO. Тогда не было ни Гиктаймс, ни даже Хабра, но с тех пор коробки остались всё такими же яркими и сочными, даже во взрослом возрасте активируют процесс слюновыделения ) В этом плане другим производителям есть чему поучиться.
Часть коробки, на самом деле, представляет собой (если её разрезать) трассу с различными цветовыми зонами, которую можно использовать для роботов с сенсорами цвета.
Все детальки аккуратно разложены по пакетикам, в комплекте – инструкция и набор наклеек. Давайте вкратце пройдёмся по тому, что положили в комплект.
Сам EV3, он же интеллектуальный блок, он же сердце системы, он же «кирпичик» или «кубик». Служит центром управления и энергетической станцией для вашего робота и имеет следующие функциональные элементы:
– Многофункциональный монохромный дисплей с разрешением 178х128
– Шестикнопочный интерфейс управления с функцией изменения подсветки (3 цвета) для индикации режима работы
– 4 порта ввода (1, 2, 3, 4) для подключения датчиков
– 4 порта вывода (A, B, C, D) для выполнения команд
– 1 разъём miniUSB для подключения EV3 к компьютеру
– 1 порт USB–хост (для соединения нескольких EV3 в одну цепь, например)
– 1 слот для карт памяти формата microSD (до 32Гб) – для увеличения объёма доступной памяти EV3
– Встроенный динамик
Кубик EV3 также поддерживает Bluetooth, WiFi (через USB-адаптер NETGEAR WNA1100 Wireless-N 150), для связи с компьютерами имеет программный интерфейс, позволяющий создавать программы и настраивать регистрации данных непосредственно на микрокомпьютере EV3.
» Большой EV3-сервомотор (2 штуки). Cоздан для работы с микрокомпьютером EV3 и имеет встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 градуса. Используя этот датчик, мотор может соединяться другими моторами, позволяя роботу двигаться с постоянной скоростью. Кроме того, датчик вращения может использоваться и при проведении различных экспериментов для точного считывания данных о расстоянии и скорости.
– Встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 град
– Максимальные обороты до 160-170 об/мин
– Максимальный крутящий момент в 40 Нсм
– Автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
» Средний EV3-сервомотор. Идеален для задач, когда скорость и быстрота отклика, а также размер робота важнее его грузоподъёмности.
– Встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 градуса
– Максимальные обороты до 240-250 об/мин
– Максимальный крутящий момент в 12 Нсм
– Автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
» Датчик цвета (EV3). Способен определить 8 различных цветов, хотя также может использоваться как датчик освещённости.
– Измеряет отраженный красный свет и внешнее рассеянное освещение, от полной темноты до яркого солнечного света
– Фиксирует и определяет 8 цветов
– Частота опроса до 1 кГц
– Автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
» Датчик касания (EV3). Позволяет роботу реагировать на касания, распознает три ситуации: прикосновение, щелчок и освобождение. Также способен определить количество нажатий, как одиночных, так и множественных.
» Цифровой ИК-датчик (EV3). Для определения приближения робота. Также способен улавливать ИК-сигналы от ИК-маяка, позволяя создавать дистанционно управляемых роботов, навигационные системы для преодоления препятствий.
– Измерения приближения/удаления в радиусе 50-70 см
– Радиус улавливания ИК-сигналов до 2 метров
– До 4 индивидуальных каналов приёма сигнала
– Получение удаленных ИК-команд управления
– Автоматическая идентификация программным обеспечением EV3
» Удалённый инфракрасный маяк. Разработан для использования с ИК-датчиком EV3. Маяк излучает ИК-сигнал, улавливаемый датчиком – может использоваться в качестве пульта дистанционного управления микрокомпьютера EV3, передавая сигналы на ИК-датчик.
– До 4 индивидуальных каналов передачи сигнала (переключатель прямо на корпусе)
– Имеет кнопку и тумблер для включения/выключения
– При работе ИК-маяка горит зелёный светодиод
– Автоматическое отключение при простое более 1 часа
– Радиус действия до 2 метров
В отдельном пакетике смотаны провода для подключения датчиков и моторов к кубику, а также USB-шнур для подключения кубика к компьютеру.
Стоит отметить два важных момента. Во-первых, существуют другие датчики Lego, такие как:
» Гироскопический датчик (EV3). Цифровой гироскопический датчик EV3 позволяет измерять движение вращения робота, а также улавливать изменения в его движении и положении. Режим измерения углов с точностью до ± 3 градуса; встроенный гироскоп улавливает вращения с моментом до 440 град/с; частота опроса до 1 кГц.
» Ультразвуковой датчик (EV3). Генерирует звуковые волны и фиксируюет их отражения от объектов, тем самым измеряя расстояние до объектов. Также может использоваться в режиме сонара, испуская одиночные волны. Может улавливать звуковые волны, которые будут являться триггерами для запуска программ. Измеряет расстояния в пределах от 1 до 250 см, а точность измерений составляет ± 1 см.
А во-вторых, поддерживаются сенсоры и прочие аксессуары от сторонних производителей, таких как HiTechnic и Mindsensors – они предлагают всевозможные джойстики, инфракрасные датчики расстояний, магнитные датчики, компасы, гироскопы, акселерометры, таймеры, мультиплексоры, шаровые опоры, и т.д. Так что, если задаться вопросом, можно найти много всего интересного.
В общем, как вы уже поняли, LEGO – это для реальных пацанов!
Первая модель
В комплекте с конструктором идёт бумажная инструкция, по которой можно собрать одну-единственную модель – некое подобие гусеничной самоходной машины.
Сначала я удивился, ведь даже в самых простых наборах (серии типа LEGO Creator) всегда идёт несколько инструкций, а тут вдруг бумаги пожалели или места в коробке не нашли. Оказалось… что только на официальном сайте из набора деталей предлагается собрать 17 разных роботов! Поэтому 17 инструкций в коробке были бы действительно лишними (и для логистики, и для лесов природы). Вот названия роботов: EV3RSTORM, GRIPP3R, R3PTAR, SPIK3R, and TRACK3R. ROBODOZ3R, BANNER PRINT3R, EV3MEG, BOBB3, MR-B3AM, RAC3 TRUCK, KRAZ3, EV3D4, EL3CTRIC GUITAR, DINOR3X, WACK3M, и EV3GAME – инструкции для них придётся качать из инета, равно как и софт для подключения EV3 к компьютеру.
Инструкция наиподробнейшая, накосячить сложно. Сын сказал , что детали в пакетиках расфасованы не очень удачно – на первой же странице может потребоваться вскрыть 3 разных пакета, но это тоже мелочи.
Кубик EV3 необходимо запитать, для чего можно использовать аккумулятор (нет в комплекте) или 6 пальчиковых батареек. Забегая вперёд – ещё 2 батарейки (но уже мизинчиковых) понадобятся для питания ИК-маяка (он же пульт ДУ).
Первую модель ребёнок (7 лет) собрал примерно минут за 30.
Процесс оказался не таким увлекательным, как, например, сборка моделей LEGO Technics – в инструкции предлагается собрать далеко не самого интересного робота: в нём лишь крупные детали, среди которых были практически все датчики и двигатели – видимо, чтобы продемонстрировать работу каждого из них.
Но вот результат превзошёл все детские ожидания – впервые он собрал модель, которая могла двигаться сама: вперёд-назад, поворот, разворот на месте, крутила щупальцами…
Запуск осуществляется с кубика EV3, для чего следует нажать пару кнопок на лицевой панели. Некоторые действия можно запрограммировать прямо на кубике: выбрать количество итераций, настроить подачу звукового сигнала и так далее – в одной статье всего не рассказать, курите мануалы.
Программировать через компьютер собранную выше модель не пришлось. Тем не менее, возможность такая есть, при этом на разных уровнях хардкорности.
Ребёнку проще всего будет начать с предлагаемого производителем софта, который есть как под Windows, так и под OS X. Во втором случае дистрибутив весит 666 Мб, а установленное приложение займёт гигабайт. Оно называется LEGO Mindstorms EV3 Home Edition и разработано совместно с небезызвестной компанией LabView. На сайте LEGO довольно много обучающих программированию материалов.
Сразу после запуска перед нами возникает интерактивный «гараж» из роботов, которых можно собрать из набора:
Выбираем понравившегося и начинаем собирать: перед нами появится интерактивная инструкция по сборке, видеоролики, а также подборка различных миссий, которые можно выполнить с собранным роботом. Вот почему дистрибутив весил так много.
Не вижу смысла описывать всё в деталях: вы быстрее скачаете приложение сами и увидите, что там есть и на каком уровне. Разве что упомяну один из недостатков, который мне больше всего запомнился: не самый дружелюбный (особенно для детей) интерфейс – от приложения попахивает каким–то банк-клиентом.
Нельзя ещё раз не отметить, что кубиком EV3 можно управлять со смартфона на операционных системах Android или iOS, для чего есть отдельные приложения.
Если всего этого оказалось мало, можете повысить градус хардкора. Для кубика EV3 существуют различные прошивки, которые позволяют расширить его возможности, скорость работы и т.д. Вот, например, альтернативная прошивка leJOS EV3 – прошивка с jvm, позволяющая программировать EV3 на языке Java. Хотите на другом языке? Окей, гугл – в вашем распоряжении почти 60 вариантов на выбор: ASM/C/C++/Perl/Python/Ruby/VB/Haskell/Lisp/Matlab/LabVIEW и многое-многое другое.
Более подробно об этом я рассказывать не буду по нескольким причинам: во-первых, программист из меня полный false (все надежды на сына), во-вторых, пока мы успели собрать только одну модель (и на выходных возьмёмся за вторую), а в-третьих – вы уже и так оформили заказ на этот конструктор и скоро сами всё узнаете ;) Ну а если серьёзно, то статья и так уже огромная – вот лучше две ссылочки изучите: раз и два.
Ну и ещё большой плюс – это LEGO-сообщества, которых полно по всему миру. Можете быть уверены, что на любом из этапов экспериментов с роботами вы всегда сможете найти единомышленников и тех, кто сможет помочь с решением проблемы. Помимо дружелюбных сообществ, на просторах сети выложено огромное множество различных инструкций, моделей, исходников, видеороликов и обучающих материалов. Всё это означает одно: с Mindstorms вы не соскучитесь.
Микрокомпьютер EV3 начали выпускать в 2013 году. Он пришел на смену микрокомпьютеру NXT и является более современной моделью.
Микрокомпьютер EV3 часто называют микроконтроллер EV3, блок управления EV3, модуль EV3, интеллектуальный блок. Также часто можно встретить в литературе название «P — кирпич» или «P — brick».
Это название является сокращением от Programmable brick — то есть программируемый блок (кирпич).
блок EV3
Микрокомпьютер EV3 входит в состав робототехнических конструкторов Lego Mindstorms Education EV3 образовательной и домашней версии. Микроконтроллер EV3 является компьютерным мозгом робота. Операционной системой микрокомпьютера является Linux. Датчики опрашиваются со скоростью в 1 Гигагерц.
Интерфейс управления микрокомпьютера EV3
В модуле EV3 реализован шестикнопочный интерфейс управления. Этот интерфейс имеет программируемую визуальную индикацию состояний — подсветка различных цветов.
Ход выполнения программы может контролироваться при помощи подсветки модуля. В этом случае подсветка выполняет роль индикатора состояния контроллера EV3. Индикатор может приобретать зеленый, оранжевый или красный цвет. Также индикатор может мигать. Индикатор состояния модуля имеет следующие коды:
- Красный цвет означает запуск. Также он сигнализирует об обновлении или показывает завершение работы
- Если красный цвет мигает, то микроконтроллер занят
- Оранжевый цвет — это оповещение, блок работает
- Когда зеленый цвет пульсирует это значит, что происходит выполнение программы
Для лучшего понимания на каком этапе находится программа можно отдельно программировать индикатор блока EV3. Тогда при выполнении различных условий индикатор сможет гореть различными цветами и пульсировать.
Порты модуля EV3
С одной стороны, блок EV3 оснащен четырьмя портами входа для подключения различных датчиков.
порты блока
Также сбоку есть дополнительный USB — порт, который можно использовать для чтения USB-flash накопителей, подключения Wi-Fi приемника WiFi. Адаптер нужно приобретать отдельно. Flash память адаптера 16 Мб. При помощи этого порта можно создать последовательную цепь микрокомпьютеров EV3. Всего можно последовательно соединить до четырех программируемых блоков управления EV3.
соединение микроконтроллеров
Порты входа обозначаются цифрами от одного до четырех. На другой стороне модуля есть четыре порта выхода, куда происходит подключение моторов. Это позволяет создавать сложные и функциональные модели роботов. Порты выхода обозначаются буквами A, B, C, D. Также со стороны портов выхода имеется мини – USB порт. Он позволяет при помощи USB кабеля соединять модуль EV3 с компьютером.
С этой же стороны блока есть слот для чтения карт формата микро-USB. Этот слот позволяет увеличить объем памяти доступной для хранения данных микрокомпьютера EV3 до 32 гигабайт. SD карта в комплект не входит и покупается отдельно.
Динамик EV3
С другой стороны блока расположен высококачественный встроенный динамик. Этот динамик может воспроизводить любые звуки программируемого блока EV3. Качество звука всегда будет хорошим если динамик микроконтроллера не будет закрыт.
динамик блока EV3
Динамик позволяет эффективно использовать звуковые функции микроконтроллера EV3. Благодаря дополнительному объему памяти и улучшенным характеристикам встроенного динамика увеличились возможности использования звука и вышли на новый качественный уровень.
Программирование с помощью интерфейса микрокомпьютера EV3
В микрокомпьютере есть возможность программирования при помощи самого микрокомпьютера. Есть двенадцать программируемых блоков при помощи которых можно создавать программы.
программирование с помощью интерфейса микрокомпьютера EV3
Можно писать сложные программы без использования компьютера. Эту программу можно экспортировать на компьютер. На компьютере программу можно улучшить при помощи программного обеспечения EV3. После этого ее снова можно загрузить на микрокомпьютер и проверить на практике. Это является очень полезной функцией.
Как соединить микроконтроллер EV3 с компьютером
Всего существует три способа установить соединение микроконтроллера с компьютером:
- Через USB – кабель
- С помощью встроенного модуля Bluetooth
- Через Wi — Fi приемник
Установка и зарядка батарей блока EV3
На нижней стороне модуля находится литиево — ионный аккумулятор. Конструкция аккумулятора выполнена таким образом, что позволяет плотно устанавливать блок и детали модели робота. Когда батарея используется в первый раз или в случае полностью разряженной батареи нужно в течении как минимум двадцати минут произвести зарядку батареи.
Производить зарядку батареи можно, не вынимая ее из собранной модели. Это значит, что не нужно тратить время на разборку и сборку робота, чтобы заменить аккумулятор.
аккумуляторы и батареи ev3
Батарея заряжается при помощи стандартного адаптера Lego EV3, который входит в комплект. Когда батарея разряжена, то при включении в розетку через адаптер индикатор начинает гореть красным светом. После завершения зарядки индикатор начинает гореть зеленым цветом, а индикатор красного цвета гаснет.
При использовании программируемого микроконтроллера EV3 во время зарядки аккумулятора время зарядки увеличивается. Для зарядки аккумулятора нужно три – четыре часа. Когда аккумуляторная батарея используется в первый раз, рекомендуется, чтобы она имела полную зарядку.
При этом модуль при использовании аккумулятора работает дольше, чем при использовании батареек. Чтобы батарея дольше сохраняла работоспособность есть несколько простых правил:
- Если батарея не используется, то ее лучше на время вынуть
- Каждый комплект батарей должен хранится отдельном контейнере для совместного использования
- Громкость динамик лучше уменьшить
- Произвести правильные настройки параметров спящего режима
- Если вы не используете Bluetooth и Wi-Fi, то их нужно отключить
- Стараться избегать ненужного износа моторов
Технические характеристики микрокомпьютера EV3
Микрокомпьютер Lego EV3 имеет следующие характеристики:
- Процессор — ARM9
- Микрокомпьютер EV3 имеет операционную систему Linux
- Контроллер блока программирования — ARM9 с частотой 300 МегаГерц
- Объем flash-памяти составляет 16 МБ
- Объем оперативная памяти — 64 МБ
- Модуль EV3 имеет монохромный черно-белый экран с разрешение 178×128 px
- При осуществлении связь с главным компьютером через шину USB 2 .0 скорость передачи данных достигает 480 Мбит/с
- При осуществлении связь с главным компьютером через шину USB 1 .1 скорость передачи данных до 12 Мбит/с
- Карта памяти типа Micro SD с поддержкой SDHC, версии 2 .0. Максимальный объем памяти карты 32 ГБ
- По 4 входных и выходных порты для подключения моторов и датчиков
- Соединение осуществляются при помощи кабелей с коннекторами типа RJ12
- Поддерживается автоматическая идентификация сенсоров и моторов
- Электропитание от 6 батареек типа AA (батарейки можно заменить на литиевые аккумуляторы) или от аккумуляторной батарея
EV3 является третьей версией конструктора Lego Mindstorms Education. Вторая версия носила название NXT, первая версия – RCX.
Как включить микрокомпьютер EV3
Для включения микрокомпьютера EV3 нужно нажать на кнопку, находящуюся в центре шестикнопочного интерфейса микрокомпьютера EV3. После нажатия индикатор статуса модуля загорится красным цветом.
подсветка блока EV3
По умолчанию будет выбран вариант «Прервать X». При помощи кнопки «Вправо» нужно выбрать вариант «Принять». После этого нажмите центральную кнопку (OK). Теперь микрокомпьютер EV3 выключен. Если нажать OK, то при выбранном варианте Х, произойдет возврат в окно «Запустить последнюю».
Читайте также: