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

Tere, Habr! Oleme juba olen rääkinud LEGO MINDSTORMS Education EV3 platvormist. Selle platvormi peamised eesmärgid on praktiliste näidete alusel õppimine, STEAM-oskuste arendamine ning insenerimõtlemise kujundamine. Selle abil saab läbi viia laboritööd mehaanika ja dünaamikaga. LEGO kuubikutest valmistatud laboriseinad ja andmete kogumise ning töötlemise tööriistad muudavad eksperimendid veelgi huvitavamaks ja arusaadavamaks ning aitavad lastel paremini mõista füüsikat. Näiteks saavad õpilased koostada andmeid sulamistemperatuuri kohta ja kasutada rakendust nende süsteemseks esitamiseks graafiku näol. Kuid see on alles algus: täna räägime, kuidas täiendada seda komplekti MicroPython'i programmeerimiskeskkonnaga ja kasutada seda robotitehnika õpetamiseks.

Õpime programmeerimist EV3 abil

Kaasaegsed õpilased tahavad näha värvikat tulemust. Jah, neile on igav, kui programm prindib konsooli numbreid, ja nad tahavad vaadata värvilisi graafikute ja diagramme ning luua tõelisi roboteid, mis liiguvad ja täidavad käske. Tavaline kood tundub samuti lastele liiga keeruline, seega on õppimist parem alustada millegagi lihtsamat.

EV3 põhikirjanduse programmeerimiskeskkond on loodud graafilise keele LabVIEW alusel ja võimaldab algoritme robotite jaoks visuaalselt seada: käsud on esitatud plokkidena, mida saab lohistada ja ühendada.

See meetod toimib hästi, kui on vaja näidata, kuidas algoritmid on üles ehitatud, kuid see ei sobi programmide jaoks, kus on palju plokke. Skeemide keerukuse korral tuleb liikuda koodi põhjalisele programmeerimisele, kuid lastele on selle sammu astumine keeruline. 

Siin on mõned nipid, millest üks on näidata, et kood täidab samu ülesandeid nagu plokid. EV3 keskkonnas saab seda teha MicroPython'i integreerimise kaudu: lapsed loovad sama programmi põhikirjanduse programmeerimiskeskkonnas plokkide ja Python'i keeles Microsoft Visual Studio Code'is. Nad näevad, et mõlemad meetodid töötavad samamoodi, kuid keerukate ülesannete lahendamine koodiga on mugavam.

Liigume MicroPython'i peale

EV3 keskkond on loodud ARM9 protsessori baasil ja arendajad jätsid arhitektuuri tahtlikult avatud. See lahendus võimaldas rakendada alternatiivseid püsivara, millest üks on pilt MicroPython'iga töötamiseks. See võimaldab kasutada Python'i EV3 programmeerimisel, mis muudab komplekti töötamise veel lähemale reaalses elus olevatele ülesannetele. 

Alustamiseks tuleb alla laadida EV3 MicroPython pilt igal microSD-kaardil, paigaldada see EV3 mikrokonsooli ja sisse lülitada. Seejärel tuleb paigaldada tasuta laiendus Visual Studio jaoks. Ja siis saab alustada tööd. 

Programmeeri oma esimest robotit MycroPython'il

Meie veebilehel sisaldab mitmeid õppetunde, et omandada robotitehnika põhikontseptsioone. EV3 mudelid tutvustavad lastele aluseid, mida kasutatakse isesõitvates autodest, tehasrobotitest ja CNC masinatest. 

Võtame näiteks joonistamisrobot, mida saab õpetada joonistama mustreid ja geomeetrilisi figuure. See juhtum on lihtsustatud versioon täiskasvanute keevitus- või freesimisrobotitest ja näitab, kuidas saab kasutada EV3 koos MicroPython'iga laste õpetamiseks. Ja veel, joonistamisrobot võib märkida auke trükkplaadil 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 me vaatame programmeerimise näidet.

Käivitame kõigepealt EV3 moodulite teegi:

#!/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

Konfigureerime platvormi, mis pöörab käepide nagu mootor port B-s. Määrame kaheastmelise hammasülekande suhete arvud 20-12-28 vastavalt.

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

Konfigureerime käepide tõste mehhanismi nagu mootor port C-s:

seesaw_motor = Motor(Port.C)

Konfigureerime güroskoobi, mis mõõdab käepideme kallutamist, port 2-s:

gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

Konfigureerime värvisensori port 3-s. Sensorit kasutatakse, et määrata valge paber joonistamisroboti all:

color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

Konfigureerime puutesensori port 4-s. Robot hakkab joonistama, kui sensor on aktiveeritud:

touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

Määratleme 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, mis pöörab käepideme soovitud nurga peale või kindla nurga juures:

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

Kui soovitud nurk on suurem kui praegune nurk gürosensoris, jätkame liikumist päripäeva positiivse kiirusiga:

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

Kui sihtnurga väärtus on väiksem kui aktuatuurse gyrosensori nurk, liigume vastupäeva:

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

Peatame pöörleva platvormi, kui sihtnurga väärtus on saavutatud:

  turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)

Seame pliiatsi hoidja algasendi ülespoole:

pen_holder_raise()

Nüüd läheb programmis põhiosa – lõpmatu tsükkel. Esiteks ootab EV3, kuni värvisensor tuvastab valge paber või sinine stardiruut ning puutesensor on vajutatud. Siis joonistab see mustri, tagastab end algasendisse ja kordab kõike uuesti.

Kui seade ei ole valmis, muutuvad kontrolleri LEDid punaseks ja LCD-ekraanil kuvatakse pilt «alla suunatud sõrm»:

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

Ootame, kuni värvisensor tuvastab sinise või valge värvi, seame LEDide värvi roheliseks, kuvame LCD-ekraanil pildi «üla poole suunatud sõrm» ja anname teada, et seade on tööks valmis:

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

Ootame puutesensori vajutamist, määrame gyrosensorile nurga väärtuse 0 ja alustame joonistamist:

  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 pliiatsi hoidja ja tagastame selle algasendisse:

  pen_holder_raise()
  pen_holder_turn_to(0)

Selline lihtne programm meil on. Nüüd käivitame selle ja vaatame roboti joonistaja tööd. 

Mis sellised näited annavad

EV3 on vahend, mis aitab noortel orienteeruda STEM-erialades ja on sissepääs inseneriteadusesse. Kuna sellega saab lahendada praktilisi ülesandeid, saavad lapsed kogemusi tehniliste arenduste ja tööstuslike robotite loomisest, õpivad mudeldama reaalseid olukordi, mõistma programme ja analüüsima algoritme ning valdama programmeerimise põhikonstruktsioone.

MicroPython'i tugi muudab EV3 platvormi sobivaks keskkooliõppeks. Õpilased saavad proovida end programmijana ühes populaarseimas kaasaegses keeles, tutvuda programmimise ja inseneriprojektiinguga seotud ametitega. EV3 komplektid näitavad, et koodi kirjutamine ei ole hirmus, valmistavad ette tõsisteks insenerite ülesanneteks ja aitavad astuda esimese sammu tehniliste erialade omandamiseks. Neile, kes töötavad koolis ja on seotud haridusega, on meil ette valmistatud õppetooted ja õppe materjalid. Neis on detailselt kirjas, milliseid oskusi arendatakse erinevate ülesannete täitmisel ja kuidas saadud oskused seonduvad õpistandarditega.

Allikas: habr.com