Robotc для lego mindstorms ev3

Обновлено: 03.05.2024

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».

Программирование EV3 происходит сразу после того как вы создали своего робота. Нужно научить робота EV3 выполнять различные команды.

лего программирование

Запрограммировать робота с микрокомпьютером EV3 можно несколькими различными способами:

Первый и самый простой способ – это при помощи интерфейса микроконтроллера EV3;

Среда программирования EV3 позволяет при помощи визуального программирования создавать достаточно сложные программы:
При помощи других языков программирования.

Программирование на микроконтроллере EV3

Самым простым является программирование при помощи самого интерфейса микрокомпьютера EV3.

Микропроцессор EV3 поставляется с уже установленным на нем программным обеспечением.

После включения модуля EV3 можно увидеть экран с четырьмя основными закладками.

Для программирования модуля требуется перейти в третью закладку при помощи кнопок управления. Затем открыть окно приложения Brick Program. Сразу отображаются два блока – это блок «Начало» и блок «Цикл».

программирование блока лего

В этом окне можно создавать простые программы при помощи двух типов блоков. Всего в палитре существует одиннадцать блоков ожидания и шесть блоков действия.

Среда программирования EV3

редактор EV3

Также в ПО существуют задания по программированию, которые позволяют быстро научиться программировать роботов EV3. Программное обеспечение является пиктографическим. Оно обеспечивает простое и интуитивно понятное визуальное программирование.

Существенным недостатком является то, что при написании сложных и разветвленных программ, это ПО достаточно сильно грузит систему. При этом слабые компьютеры сильно тормозят. Поэтому желательно иметь компьютеры с хорошими характеристиками. На сайте опубликованы минимально допустимые характеристики компьютеров.

требования к оборудованию

EV3 является целой платформой, которую можно использовать в игровых и образовательных целях. При помощи платформы Lego Mindstorms EV3 можно обучать основам робототехники, программирования, изучать различные алгоритмы. При этом не нужно иметь знаний схемотехники и различных протоколов.

Программирование EV3 Basic

Small Basic

Основными достоинствами EV3 Basic являются:

Простота установки;
EV3 Basic является свободным программным обеспечением
Microsoft Small Basic специально разрабатывался для того, чтобы обучать программированию;
Не нужно перепрошивать микрокомпьютер EV3;
Поддерживает русский язык;
Имеет встроенную справку;
Имеет понятный интерфейс;
Есть множество примеров;
Поддерживает все возможности среды программирования Lego EV3.

Программирование EV3 на RobotC

Среда программирования RobotC специально разработана для образовательной робототехники. Этот язык может использоваться и новичками, и опытными программистами и является кросс-платформенным. Есть базовый и расширенный режим программирования.

RobotC

В среде программирования присутствует C-подобный язык и язык RobotC. Язык RobotC – это переходный язык от визуального программирования к текстовым блокам. Для использования RobotC требуется перепрошивка микроконтроллера EV3. Использовать RobotC можно со многими робототехническими платформами. Это такие платформы как :

VEX IQ;
VEX CORTEX (EDR);
VEX PIC (Legacy Support);
LEGO MINDSTORMS EV3;
LEGO MINDSTORMS NXT;
TETRIX;
RCX (поддержка прежних версий);
UNO Arduino / MEGA 1280, MEGA 2560;

Среда программирования RobotC похожа на среду программирования Visual Studio и имеет интерфейс на английском языке. RobotC является платным с десятидневным бесплатным периодом.

После окончания бесплатного периода нужно приобретать лицензию. Стоимость годовой лицензии:

На один компьютер 49 долларов;
На шесть рабочих мест 149 долларов;
На тридцать рабочих мест 299 долларов.
Кроме этого предлагаются бессрочные лицензии.

Операционная система для RobotC должна быть из семейства Microsoft Windows. При помощи среды программирования RobotC можно создавать эффективные программы с использованием сложных математических выражений.

Программирование EV3 на Python

Одним из наиболее популярных языков программирования в мире является Python. Он имеет небольшое синтаксическое ядро и объемную стандартную библиотеку функций. В операционной системе Linuх язык программирования Python установлен. При желании можно установить нужный вам текстовый редактор.

На микрокомпьютере EV3 установлена операционная система Linux. Для того, чтобы программировать EV3 на Python нужно установить Linux ev3dev на модуль EV3.

ev3dev

Затем нужно установить образ на карту памяти microCD. Желательно, чтобы класс карты был не менее десяти. Объем карты памяти от двух до тридцати двух гигабайт. Можно также использовать карту памяти microSDHC.

После этого карту с образом можно вставлять в микрокомпьютер EV3 и включать его. Подсветка кнопок будет мигать оранжевым цветом. Это означает что происходит загрузка операционной системы. После загрузки на экране блока EV3 будет видно меню программы.

Затем нужно настроить соединение с компьютером и можно приступать к работе. Настройки соединения с компьютером нужно описывать отдельно так как они достаточно сложные. Для написания программ нужен еще редактор кода.

В качестве одного из вариантов можно установить редактор кода PyCharm Edu. Есть бесплатная версия с наличием подсказок, проверкой кода и подсвечиванием синтаксиса. Созданный в программе файл можно передать в блок EV3 при помощи программы PuTTY. Эта программа помогает установить SSH соединение операционной системы Windows с микроконтроллером EV3.

PuTTY

Программирование EV3 при помощи Scratch

Scratch является графической средой программирования. Программировать EV3 при помощи Scratch можно если установить нужное программное обеспечение и настроить его. Программное обеспечение можно установить на любые операционные системы. Для примера выберем операционную систему Windows.

Scratch_2_0

Как и в случае с программированием на Python, потребуется карта памяти с такими же параметрами. Карту памяти нужно отформатировать в файловой системе FAT32. На компьютер надо установить виртуальную Java-машину под названием leJOS.

Затем устанавливаем виртуальную машину на компьютер со всеми компонентами.

После этого устанавливаем образ на карту памяти. В дальнейшем при включении микрокомпьютера EV3 с картой памяти будет загружаться leJOS EV3. Без карты памяти будет происходить загрузка стандартного программного обеспечения Lego EV3.

Также на компьютере должна быть установлена свежая версия Adobe AIR. Затем можно установить редактор Scratch.

Установка редактора не занимает много времени.

Следующим шагом является установка ev3-scratch-helper-app. Это приложение служит для связи редактора Scratch и микроконтроллера EV3. Также в редакторе можно в настойках установить русский язык и нужно добавить блоки EV3 в редактор Scratch. После добавления блоков можно приступать к написанию программ.

В статье приведены не все возможные варианты программирования EV3, а только наиболее простые и не требующие каких-либо специальных знаний. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. Остается только выбрать что больше всего подходит в каждом конкретном случае.

Одним из часто встречающихся видов соревнований является соревнование “Движение робота вдоль черной линии”. В последнее время активно развивается робототехника, открывается множество кружков. Как следствие проводится множество соревнований и конкурсов по робототехнике различного уровня. Это направление называется соревновательная робототехника.

Это соревнование проводится в разных номинациях и категориях. Есть движение по широкой линии (5 см), по узкой линии (1,5 см), включают в движение по линии участки с прерывистой линией. Часто еще используется объезд роботом препятствий (например объезд кирпича) или преодоление препятствий (например, качающийся мост). После преодоления препятствий робот должен вернуться на линию и успешно финишировать.

Так как сейчас есть много типов робототехнических конструкторов, то соревнования также разделяют по категориям. Т.е. движение по линии Lego EV3, отдельно движение по линии Arduino и т.д. Побеждает робот, преодолевший дистанцию за минимальное время не потеряв трассу.

Алгоритмы движения робота

Есть несколько основных алгоритмов движения робота вдоль черной линии с использованием различных типов регуляторов:

Релейный регулятор
Пропорциональный регулятор
Пропорциональный дифференциальный регулятор
Кубический регулятор
Пропорциональный интегральный регулятор
Пропорциональный интегральный дифференциальный регулятор

Можно использовать эти алгоритмы с применением одного, двух, трех и даже четырех датчиков цвета. Количество применяемых датчиков зависит от сложности соревнований и каждый раз подбирается индивидуально..

Зрение робота EV3

Робот EV3 не обладает зрением и может воспринимать информацию о линии при помощи датчика цвета EV3.

Робот и человек по разному видят черную линию. У человека границы черного и белого четко различимы. Робот же видит размытую картину границы черного и белого. Для того, чтобы более точно определить линию, датчик робота должен быть расположен на границе черной линии и белого поля посередине.

При этом высота расположения датчика над линией должна быть около 1 см. Но это рекомендуемая высота. На соревнованиях встречаются различные варианты расположения датчика и подбираются они участниками индивидуально.

Калибровка датчика цвета

Для того, чтобы применить указанные алгоритмы нужно откалибровать датчик цвета на реальном поле. Есть два способа калибровки:

ручной способ — все вычисления проводятся самостоятельно
автоматическая калибровка — вычисления производятся при помощи блоков операций с данными

Датчик работает в режиме отраженного света. Суть метода состоит в том, что мы находим пороговое значение белого и черного цвета.

На практике нужно измерить значение белого цвета, затем черного цвета, суммировать их и разделить на два. Т.е. если обозначить пороговое значение буквой C, значение белого цвета буквой A и значение черного цвета буквой B, то формула будет выглядеть следующим образом:

С = ( A + B ) / 2

Измерить значение белого и черного цвета можно просто поочередно расположив датчик над белой и черной линией и записать значения.

Ручной режим калибровки датчика цвета EV3

В ручном режиме делается это просто, при помощи меню, расположенном на экране блока Lego EV3. Для этого нужно на экране блока EV3 зайти в третью вкладку и открыть первое приложение из пяти. Это приложение называется представление порта.

Здесь можно быстро посмотреть к какому порту присоединены датчики или сервомоторы. При помощи кнопок управления микроконтроллером EV3 нужно перейти к любому из занятых портов, и тогда можно посмотреть текущие показания, которые в данный момент получены с сенсоров или сервомоторов.

Для примера установлю датчик цвета в порт под номером 3 и сниму показания на белом поле.

На экране блока EV3 отобразилось показание в 43 условных единицы. Таким же образом определяем показания датчика на черной линии. Например показания будут 3 условных единицы. Подставляем эти значения в формулу.

С = ( A + B ) / 2 = (43 + 3) / 2 = 46 / 2 = 23

В результате получаем пороговое значение 23 условных единицы.

Автоматическая калибровка датчика цвета

Таким же точно образом измеряем пороговое значение (его еще называют значение серого) при автоматической калибровке, но на этот раз значение записывается в переменную. Назовем переменную, например, porog. В среде программирования Lego EV3 пишем программу для калибровки.

В первой части программы нужно расположить датчик над белым фоном. Датчик касания расположен в 1 порту. В программе используется блок ожидания действия с датчиком касания. В данном случае установлен параметр “щелчок” — цифра 2 в нижней части блока ожидания. Т.е. нужно нажать и отпустить кнопку датчика.

После этого датчик цвета в режиме отраженного света измеряет значение белого цвета и значение записывается в переменную A.

Во второй части программы нужно расположить датчик над черной линией и также нажать на кнопку датчика касания. Значения черного цвета записываются в переменную B.

В третьей части программы мы считываем значения датчиков из переменной A и B и передаем их значения в блок математики, который находится в режиме “Дополнения”. В этом блоке происходит вычисление по формуле С = ( A + B ) / 2 ирезультат вычисления записывается в переменную С.

Теперь значение переменной С можно использовать в качестве порогового значения серого для дальнейшего использования в алгоритмах движения по линии.

Движение по тонкой линии Arduino

Фрагмент соревнований по робототехнике «Движение по тонкой линии». Также это соревнование называют «Тонкий Триал». Этот очень быстрый робот в номинации роботов Arduino является победителем региональных соревнований.

По условиям соревнований робот Arduino должен совершить объезд кирпича и преодолеть качающийся мост. После преодоления препятствий робот должен вернуться на линию и финишировать не сойдя с трассы. Тонкий триал есть и в категории Lego EV3 роботов.

Начните изучение информатики и предметов естественно-научного и технического цикла (STEM) с помощью LEGO® MINDSTORMS® Education EV3. Предлагаемые учебные курсы рассчитаны на учеников от 10 до 16 лет и соответствуют требованиям ФГОС. В комплект поставки входят учебные материалы для обучающихся, материалы для педагогов, инструменты оценки успеваемости, примеры программ и инструкции по сборке моделей.

Задания EV3 Maker

Для выполнения этих шести заданий необходим Базовый набор LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 (45544). Кроме того, предоставляются вспомогательные материалы для педагогов и учащихся основной школы, содержащие всё необходимое для развития навыков конструирования в процессе создания моделей для решения существующих задач из различных областей реальной жизни.

Программа занятий по информатике EV3

Этот Комплект заданий представляет собой практикум в формате PDF для организации увлекательных проектных работ по информатике общей продолжительностью до 30 академических часов. В практикум входят 12 проектных работы по информатике, включая примеры заданий в нотациях LabVIEW и RobotC, с возможностью межпредметного обучения проектированию и технологиям, естественным наукам и математике. Ученики смогут изучить реально существующие технологии, применяемые в автомобилестроении, что позволит им применять и развивать свои навыки программирования. С образцами программ можно ознакомиться, выбрав «Поддержка» вверху страницы.

Комплект заданий «Инженерные проекты EV3»

Комплект дает возможность проведения более 30 часов урочной и проектной учебной деятельности, направленной на изучение технологии по средством STEM методик и робототехники. Каждая из 15 проектных работ начинается с этапа проектирования решения и заканчивается тестирование и улучшением финального прототипа, по итогам которого можно подготовить презентацию. Для работы данного Комплекта заданий требуется наличие установленной образовательной версии ПО EV3.

Комплект заданий «Физические эксперименты EV3»

Данный Комплект заданий дает возможность проведения более 28 часов учебных занятий по физике. Комплект включает в себя 14 лабораторных работ по физике из курса 7-9 классов, касающихся вопросов передачи и генерации энергии, тепла и температуры, силы и движения, а также света. Учащиеся смогут фиксировать и анализировать результаты экспериментов в реальном режиме времени. Для проведения некоторых экспериментов необходимо наличие Дополнительного набора «Возобновляемые источники энергии» (арт. 9688) и «Датчика температуры NXT» (арт. 9749). Для работы данного Комплекта заданий требуется наличие установленной образовательной версии ПО EV3.

Комплект заданий «Космические проекты EV3»

Для работы с этим Комплектом занятий требуется наличие Базового набора LME EV3 и Дополнительного набора "Космические проекты EV3" (арт. 45570). Комплект дает возможность организации более 30 часов урочной и внеурочной работы в классе. В комплект входят тренировочные задания и тематические исследовательские проекты, разработанные совместно с учеными — исследователями космоса. Учащиеся смогут заниматься исследовательской работой и создавать инновационные решения по актуальным темам в области освоения космоса. Для работы данного Комплекта заданий требуется наличие установленной образовательной версии ПО EV3.

Robot Commander представляет собой управляющее приложение для LEGO® MINDSTORMS®. БЕСПЛАТНАЯ загрузка для большинства смартфонов и планшетов; Robot Commander подключается к модулю EV3 по Bluetooth®. Это простое в использовании приложение позволяет взаимодействовать с вашими уникальными роботами EV3, даже не подключаясь к компьютеру! Это означает, что вы можете мгновенно начать игру с вашими собственными роботами!

Приложения для компьютеров и планшетов

Приложения LEGO® MINDSTORMS® EV3 Home для macOS, Windows 10 и планшетов на iOS и Android

Загрузите, установите, подключите и выполняйте задания по программированию. Для пяти основных роботов есть до пяти задач по программированию. Благодаря более продвинутому, но хорошо знакомому интерфейсу программирования и пяти сложным заданиям для вас и ваших роботов-героев, приложение EV3 Home для PC, Mac и планшетов сможет поднять ваши навыки робототехники на новый уровень!

Важная информация относительно программного обеспечения и приложений LEGO® MINDSTORMS® EV3!

Мы рады сообщить, что пользователям LEGO MINDSTORMS EV3 теперь будут доступны новые возможности при сборке и программировании их творений.

Новое приложение LEGO MINDSTORMS EV3 Home с языком программирования на основе Scratch заменит используемое в настоящее время ПО LEGO MINDSTORMS EV3 Home Edition (Labview) для Windows 10 и macOS, а также приложение LEGO MINDSTORMS EV3 Programmer для планшетов на iOS/Android.

Приложение LEGO MINDSTORMS EV3 Programmer будет удалено из магазинов приложений в конце июня 2021 года.

Выведенное из эксплуатации ПО LEGO MINDSTORMS EV3 Home Edition (Labview) для Mac и PC можно найти ниже. Обратите внимание, что это ПО больше не поддерживается LEGO Group.

Читайте также: