LEGO MINDSTORMS Education EV3 + MicroPython: програмираме детския конструктор с възрастен език

Здравей, Хабр! Вече сме разказвахме за платформата LEGO MINDSTORMS Education EV3. Основните задачи на тази платформа са обучение чрез практически примери, развитие на STEAM умения и формиране на инженерно мислене. Тя позволява провеждане на лабораторни работи за проучване на механиката и динамиката. Лабораторните стендове от LEGO блокчета и инструментите за записване и обработка на данни правят експериментите по-интригуващи и визуални и помагат на децата да разберат физиката по-добре. Например, учениците могат да съберат данни за температурата на топене и с помощта на приложението да ги систематизират и представят под формата на график. Но това е само началото: днес ще разкажем как да допълните този комплект със среда за програмиране MicroPython и да я използвате за обучение по роботика.

Учим програмиране с помощта на EV3

Съвременните ученици искат да виждат цветен резултат. Да, скучно им е, когато програмата извежда числа в конзолата, и те искат да разглеждат цветни графики, диаграми и да създават истински роботи, които се движат и изпълняват команди. Обикновен код изглежда твърде сложен за децата, затова обучението е по-добре да започне с нещо по-лесно.

Основната среда за програмиране EV3 е създадена на база графичния език LabVIEW и позволява задаването на алгоритми за робота визуално: командите са представени като блокове, които може да влачим и свързваме.

Този начин е ефективен, когато трябва да покажем как се изграждат алгоритми, но той не е подходящ за програми с голямо количество блокове. При усложняване на сценарии е необходимо да преминем към програмиране с код, но на децата им е трудно да направят тази стъпка. 

Има няколко трика, един от които е да покажем, че кодът изпълнява същите задачи, които и блоковете. В средата EV3 това може да се постигне благодарение на интеграцията с MicroPython: децата създават едната и съща програма в основната среда за програмиране с помощта на блокове и на езика Python в Visual Studio Code на Microsoft. Те виждат, че и двата начина работят по един и същи начин, но с кода е по-удобно да се решават сложни задачи.

Преминаваме на MicroPython

Среда EV3 е изградена на базата на ARM9 процесор, а разработчиците са оставили архитектурата отворена. Това решение позволява инсталирането на алтернативни фърмуерни версии, една от които е изображение за работа с MicroPython. То позволява използването на Python за програмиране на EV3, което прави работата с набора още по-близка до реални житейски ситуации. 

За да започнете работа, трябва да изтеглите образа EV3 MicroPython на всяка microSD карта, да я поставите в микрокомпютъра EV3 и да го включите. След това трябва да инсталирате безплатно разширение за Visual Studio. И можете да започнете работа. 

Програмираме първия робот на MycroPython

На нашия сайта имаме няколко урока за усвояване на основите на роботиката. Моделите на EV3 запознават децата с основите, които се използват в автономни автомобили, фабрични роботизирани сборки, CNC машини. 

Ще вземем за пример чертожна машина, която може да се научи да рисува фигури и геометрични форми. Този казус е опростен вариант на възрастни роботизирани заварчици или фрезеровчици и показва как може да се използва EV3 заедно с MicroPython за обучение на учениците. Освен това, чертожната машина може да маркира дупки в печатна платка за тати, но това е вече друг ниво, изискващо математически изчисления.

За работа ще са необходими:

• основен комплект LEGO MINDSTORMS Education EV3; 
• голям лист квадратна хартия;
• цветни маркери. 

Сборката на самия робот можете да намерите в инструкцията, а ние ще разгледаме пример за програмиране.

Първо инициализирайте библиотеката на модулите EV3:

#!/usr/bin/env pybricks-micropython
from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import (Motor, TouchSensor, ColorSensor, GyroSensor)
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, Color, ImageFile
from pybricks.tools import wait

Настройваме платформата, която завърта ръчката, като мотор в порт B. Задаваме предавателно отношение на двустепенна зъбна трансмисия с брой зъби 20-12-28.

turntable_motor = Motor(Port.B, Direction.CLOCKWISE, [20, 12, 28])

Настройваме механизма за повдигане на ръчката като мотор в порт C:

seesaw_motor = Motor(Port.C)

Настройваме гироскоп, измерващ ъгъла на наклона на ръчката, в порт 2:

gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

Настройваме цветен сензор в порт 3. Сензорът се използва за определяне на бялата хартия под чертожната машина:

color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

Настройваме сензор за допир в порт 4. Роботът започва да рисува, когато сензорът е натиснат:

touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

Определяме функции, които повдигат и спускат ръчката:

def pen_holder_raise():
  seesaw_motor.run_target(50, 25, Stop.HOLD)
  wait(1000)

def pen_holder_lower():
  seesaw_motor.run_target(50, 0, Stop.HOLD)
  wait(1000)

Определяме функция за завъртане на писалката до зададен ъгъл или до определен ъгъл:

def pen_holder_turn_to(target_angle):
  if target_angle > gyro_sensor.angle():

Ако целевият ъгъл е по-голям от текущия ъгъл на гироскопския сензор, продължаваме движението по посока на часовниковата стрелка с положителна скорост:

    turntable_motor.run(70)

while gyro_sensor.angle() < target_angle:
  pass
  elif target_angle < gyro_sensor.angle():

Ако целевият ъгъл е по-малък от текущия ъгъл на гироскопския сензор, ще се движим обратно на часовниковата стрелка:

    turntable_motor.run(-70)

while gyro_sensor.angle() > target_angle:
  pass

Спираме въртящата се платформа, когато целевият ъгъл бъде достигнат:

  turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)

Настройваме началната позиция на писалката в горната позиция:

pen_holder_raise()

Сега идва основната част на програмата — безкраен цикъл. Първо, EV3 чака, когато сензорът за цвят открие бяла хартия или синя стартова клетка, а сензорът за допир бъде натиснат. След това рисува модел, връща се в началната позиция и повтаря всичко отново.

Когато устройството не е готово, светодиодите на контролера светят в червено, а на LCD екрана се показва изображение „палец надолу“:

while True:
  brick.light(Color.RED)
  brick.display.image(ImageFile.THUMBS_DOWN)

Чакаме, докато сензорът за цвят отчете син или бял цвят, задаваме цветът на светодиодите на зелен и показваме на LCD екрана изображение „палец нагоре“ и съобщаваме, че устройството е готово за работа:

  while color_sensor.color() not in (Color.BLUE, Color.WHITE):
  wait(10)
  brick.light(Color.GREEN)
  brick.display.image(ImageFile.THUMBS_UP)

Чакаме натискане на сензора за допир, присвояваме на гироскопския сензор стойност 0 и започваме да рисуваме:

  while not touch_sensor.pressed():
  wait(10)
  gyro_sensor.reset_angle(0)
  pen_holder_turn_to(15)
  pen_holder_lower()
  pen_holder_turn_to(30)
  pen_holder_raise()
  pen_holder_turn_to(45)
  pen_holder_lower()
  pen_holder_turn_to(60)

Повдигаме държача на писалката и го връщаме в началната позиция:

  pen_holder_raise()
  pen_holder_turn_to(0)

Ето такава проста програма получихме. И сега я стартираме и гледаме как роботът рисува в действие. 

Какво дават такива примери

EV3 е инструмент за професионално ориентиране в сферата на STEM професиите и входна точка в инженерните специалности. Тъй като с него могат да се решават практически задачи, децата придобиват опит в техническите разработки и създаването на индустриални роботи, научават се да моделират реални ситуации, разбират програмите и анализират алгоритми, усвояват основните конструкции на програмирането.

Подкрепата на MicroPython прави платформата EV3 подходяща за обучение в гимназията. Учениците могат да опитат да бъдат програмисти на един от най-популярните съвременни езици, да се запознаят с професиите, свързани с програмирането и инженерното проектиране. Комплектите EV3 показват, че писането на код не е страшно, подготвят за сериозни инженерни задачи и помагат за първата стъпка към усвояване на техническите специалности. А за тези, които работят в училище и са свързани с образованието, ние сме подготвили програми за занимания и учебни материали. В тях е подробно описано какви умения се развиват при изпълнение на дадени задачи и как получените умения съответстват на образователните стандарти.

Източник: habr.com