LEGO MINDSTORMS Education EV3 + MicroPython: programmeerime laste ehituskomplekti täiskasvanute keeles

Tere, Habr! Oleme juba rääkinud platvormist LEGO MINDSTORMS Education EV3. Selle platvormi peamised eesmärgid on praktiliste näidete kaudu õppimine, STEAM-oskuste arendamine ja insenerimõtlemise kujundamine. Sellega saab läbi viia laboritöid, et uurida mehhaanikat ja dünaamikat. LEGO klotsidest moodustatud laboristendid ja andmete registreerimise ja töötlemise utiliidid teevad katsed veelgi huvitavamaks ja visuaalsemaks ning aitavad lastel paremini mõista füüsikat. Näiteks saavad koolilapsed koguda sulamistemperatuuri kohta andmeid ja kasutada rakendust nende süsteemseks korraldamiseks ning esitada need graafikuna. Kuid see on alles algus: täna räägime, kuidas täiendada seda komplekti MicroPython programmeerimiskeskkonnaga ja kasutada seda robootika õpetamiseks.

Õpime programmeerimist EV3 abil

Kaasaegsed koolilapsed tahavad näha värvikat tulemust. Jah, neile on igav, kui programm väljastab konsoolile numbreid, ja nad soovivad vaadata värvilisi graafikuid, diagramme ja luua päris roboteid, mis liiguvad ja täidavad käske. Tavaline kood tundub lastele samuti liiga keeruline, seega on parem alustada millegagi lihtsamaga.

EV3 põhikeskkond on loodud graafilise keele LabVIEW alusel ja võimaldab määratleda roboti algoritmide visuaalselt: käsud on esitatud blokke kujul, mida saab lohistada ja ühendada.

Selline lähenemine töötab hästi, kui on vaja näidata, kuidas algoritmid on üles ehitatud, kuid see ei sobi programmide jaoks, kus on palju blokke. Aja jooksul keerukamate stsenaariumide puhul on vajalik liikuda koodipõhise programmeerimise juurde, kuid lastele on selle sammu astumine keeruline. 

Siin on mõned nipid, üks neist on näidata, et kood täidab samu ülesandeid kui blokid. EV3 keskkonnas on see võimalik tänu MicroPython integreerimisele: lapsed loovad ühe ja sama programmi põhikeskkonnas plokkide abil ning Pythonis Microsoft Visual Studio Code'is. Nad näevad, et mõlemad meetodid töötavad ühtemoodi, kuid koodi kasutamine keerukate ülesannete lahendamiseks on mugavam.

Liigume MicroPythoni peale

EV3 keskkond on ehitatud ARM9 protsessori baasil ja arendajad on spetsiaalselt jätnud arhitektuuri avatud. See lahendus võimaldas installida alternatiivseid süsteemipilte, millest üks on MicroPythoniga töötamiseks mõeldud pilt. See võimaldab kasutada Pythonit EV3 programmeerimiseks, muutes komplekti töö veelgi lähemale reaalse elu ülesannetele. 

Et alustada, tuleb alla laadida EV3 MicroPython pilt igal microSD-kaardile, paigaldada see EV3 mikrokontrollerisse ja sisse lülitada. Seejärel tuleb installida tasuta laiendus Visual Studio jaoks. Ja saab alustada tööd. 

Programmeerime esimest robotit MycroPythoniga

Meie veebisaidil on mitu õpetust robotitehnika põhikontseptsioonide õppimiseks. EV3 mudelid tutvustavad lastele aluseid, mida kasutatakse isesõitevates autodes, tööstusrobotites ja CNC masinates. 

Võtame näiteks joonistusmasina, mida saab õpetada mustrite ja geomeetriliste joonte joonistamiseks. See juhtum on lihtsustatud versioon täiskasvanud keevitus- või freespinkidest ja näitab, kuidas kasutada EV3 koos MicroPythoniga kooliõpilaste õpetamiseks. Lisaks võib joonistusmasin märkida auke trükkplaadis isale, kuid see on juba teine tase, mis nõuab matemaatilisi arvutusi.

Tööks vajame:

• põhikomplekti LEGO MINDSTORMS Education EV3; 
• suurt ruudulist paberilehte;
• värvilisi markereid. 

Roboti kokkupanek on juhendis, kuid vaatame näidet programmeerimisest.

Alustame EV3 moodulite teegi algatamisega:

#!/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

Seame platvormi, mis pöörab käepideme nagu mootori sadamasse B. Määrame kaheastmelise hammasülekande suhe: hammaste arv on vastavalt 20-12-28.

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

Seame käepideme tõste mehhanismi nagu mootori sadamasse C:

seesaw_motor = Motor(Port.C)

Seame güroskoobi, mis mõõdab käepideme kallutamise nurka, sadamasse 2:

gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

Seame värvitud anduri sadamasse 3. Andur aitab määrata joonistusmasina all oleva valge paberi:

color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

Seame puudutusanduri sadamasse 4. Robot hakkab joonistama, kui andur on aktiivne:

touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

Määrame funktsioonid, mis tõstavad ja langetavad käepideme:

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)

Määratleme funktsiooni, et pöörata pastapleki teatud nurga või kindla nurga järgi:

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

Kui sihitud nurk on suurem kui praegune nurk gyroskoopanduri, jätkame kellavärgiga positiivsest kiirusest liikumist:

    turntable_motor.run(70)
	
while gyro_sensor.angle() < target_angle:
  	
pass
  elif target_angle < gyro_sensor.angle():

Kui sihitud nurk on väiksem kui praegune nurk gyroskoopanduri, liikumine vastupidises suunas:

    turntable_motor.run(-70)
	
while gyro_sensor.angle() > target_angle:
  	
pass

Peatame pööratava platvormi, kui sihitud nurk on saavutatud:

  turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)

Seame pastapleki algseisundi ülesse:

pen_holder_raise()

Nüüd on peamine osa programmist – lõputu tsükkel. Esiteks ootab EV3, kuni värv Sensor tuvastab valge paberit või sinise algusruudu, ja puuteandur on vajutatud. Siis joonistatakse muster, naaseme algasendisse ja kordame kõike uuesti.

Kui seade ei ole valmis, muutuvad kontrolleri LED-id punaseks, ja vedelkristallekraanil kuvatakse pilt "punane".

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

Ootame, kuni värv Sensor loeb sinise või valge värvi, seame LED-id roheliseks, kuvame vedelkristallekraanil pildi "näpp üles" ja teatame, et seade on töökorras:

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

Ootame puuteanduri vajutamist, määrame gyroskoopanduri nurga väärtuse 0 ja hakkame joonistama:

  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)

Tõstame pastapleki ja viime selle tagasi algasendisse:

  pen_holder_raise()
  pen_holder_turn_to(0)

Selline lihtne programm meil on. Ja nüüd käivitame selle ja vaatame roboti joonistaja töös. 

Mida need näiteks annavad?

EV3 on STEM ametivõitude tööriist ja sissejuhatus inseneriteaduste erialadesse. Kuna selle abil saab lahendada praktilisi ülesandeid, saavad lapsed kogemusi tehniliste arenduste ja tööstuslike robotite loomise alal, õpivad modelleerima reaalseid olukordi, mõistma programme ja analüüsima algoritme, omandavad programmeerimise põhistruktuurid.

MicroPythoni tugi teeb EV3 platvormi sobivaks gümnaasiumiastme õpetamiseks. Õpilased saavad proovida end programmeerijatena ühes kõige populaarsemas tänapäevases keeles, tutvuda programmimise ja inseneri projekteerimisega seotud ametitega. EV3 komplektid näitavad, et koodi kirjutamine ei ole hirmutav, valmistavad ette tõsisteks inseneriülesanneteks ja aitavad teha esimese sammu tehniliste erialade omandamiseks. Ja neile, kes töötavad koolis ja on seotud haridusega, oleme ette valmistanud. õppetöö programmid ja õppe materjalid. Neis on detailselt kirjas, milliseid oskusi arendatakse erinevate ülesannete täitmisel ning kuidas saadud oskused vastavad õppekava standarditele.

Allikas: habr.com