LEGO MINDSTORMS Education EV3 + MicroPython: תכנות ערכת בנייה לילדים בשפה למבוגרים

שלום, הבר! אנחנו כבר כאן סיפר אודות פלטפורמת LEGO MINDSTORMS Education EV3. המטרות העיקריות של פלטפורמה זו הן למידה באמצעות דוגמאות מעשיות, פיתוח מיומנויות STEAM ועיצוב חשיבה הנדסית. ניתן להשתמש בה לביצוע עבודות מעבדה על לימוד מכניקה ודינמיקה. מעמדי מעבדה עשויים מלבני LEGO וכלים לרישום ועיבוד נתונים הופכים את הניסויים למעניינים ויזואליים עוד יותר ועוזרים לילדים להבין טוב יותר את הפיזיקה. לדוגמה, תלמידי בית ספר יכולים לאסוף נתונים על נקודת התכה ולהשתמש באפליקציה כדי לסדר אותם ולהציג אותם כגרף. אבל זו רק ההתחלה: היום נספר לכם כיצד להשלים את הסט הזה עם סביבת התכנות MicroPython ולהשתמש בו כדי ללמד רובוטיקה.

למד תכנות עם EV3

תלמידי בית ספר מודרניים רוצים לראות תוצאה צבעונית. כן, הם משתעממים אם התוכנית מוציאה מספרים לקונסולה, והם רוצים להסתכל על גרפים צבעוניים, דיאגרמות וליצור רובוטים אמיתיים שנעים ומבצעים פקודות. קוד רגיל נראה גם מסובך מדי עבור ילדים, ולכן עדיף להתחיל ללמוד עם משהו קל יותר.

סביבת התכנות הבסיסית של EV3 מבוססת על השפה הגרפית LabVIEW ומאפשרת לך להגדיר אלגוריתמים לרובוט באופן ויזואלי: פקודות מוצגות כבלוקים שניתן לגרור ולחבר.

שיטה זו עובדת היטב כאשר צריך להראות כיצד בנויים אלגוריתמים, אך היא אינה מתאימה לתוכניות עם מספר רב של בלוקים. ככל שהתרחישים הופכים מורכבים יותר, צריך לעבור לתכנות עם קוד, אך ילדים מתקשים בשלב זה. 

יש כמה טריקים לכך, אחד מהם הוא להראות שקוד עושה את אותו הדבר כמו בלוקים. סביבת EV3 עושה זאת באמצעות אינטגרציה עם MicroPython: ילדים יוצרים את אותה תוכנית בסביבת התכנות הבסיסית באמצעות בלוקים וב-Python ב-Visual Studio Code של מיקרוסופט. הם רואים ששתי הדרכים עובדות באותו אופן, אבל קוד טוב יותר בפתרון בעיות מורכבות.

מעבר למיקרופייתון

סביבת EV3 בנויה על מעבד ARM9, והמפתחים השאירו במכוון את הארכיטקטורה פתוחה. החלטה זו אפשרה התקנה של קושחה חלופית, שאחת מהן הייתה תמונה לעבודה עם MicroPython. היא מאפשרת שימוש בפייתון לתכנות EV3, מה שהופך את העבודה עם הערכה לקרובה עוד יותר למשימות אמיתיות. 

כדי להתחיל לעבוד, עליך להוריד תמונה של EV3 MicroPython לכל כרטיס microSD, התקן אותו בתוך EV3 והפעל אותו. לאחר מכן עליך להתקין הרחבה חינמית עבור Visual Studio. ואתה יכול להתחיל לעבוד. 

תכנות הרובוט הראשון ב-MycroPython

על שלנו מקוון ישנם מספר שיעורים לשליטה במושגים הבסיסיים של רובוטיקה. מודלים על EV3 מציגים לילדים את היסודות המשמשים במכוניות אוטונומיות, רובוטי הרכבה במפעלים ומכונות CNC. 

ניקח כדוגמה מכונת ציור שניתן ללמד אותה לצייר דוגמאות וצורות גיאומטריות. מקרה זה הוא גרסה פשוטה של רובוטים לריתוך או כרסום למבוגרים ומראה כיצד ניתן להשתמש ב-EV3 יחד עם MicroPython כדי ללמד תלמידי בית ספר. מכונת הציור יכולה גם לסמן חורים במעגל מודפס עבור אבא, אבל זו רמה אחרת הדורשת חישובים מתמטיים.

לעבודה נצטרך:

• סט בסיסי של LEGO MINDSTORMS Education EV3; 
• דף נייר מרובע גדול;
• סמנים צבעוניים. 

הרכבת הרובוט עצמו נמצאת ב הוראות, ונבחן דוגמת תכנות.

ראשית, בואו נאתחל את ספריית הלבנים של 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

הקמנו את הפלטפורמה שמסובבת את הידית כמנוע ביציאה B. קבענו את יחס ההילוכים של תיבת ההילוכים הדו-שלבית עם מספר השיניים 20-12-28 בהתאמה.

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

הצבנו את מנגנון ההרמה של הידית כמנוע ביציאה C:

seesaw_motor = Motor(Port.C)

הצבנו את הג'ירוסקופ שמודד את זווית ההטיה של הסטיק ביציאה 2:

gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

התקנו את חיישן הצבע בפורט 3. החיישן משמש לזיהוי נייר לבן מתחת למכונת השרטוט:

color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

התקנו את חיישן המגע ביציאה 4. הרובוט מתחיל לצייר כאשר החיישן נלחץ:

touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

אנו מגדירים את הפונקציות שמעלים ומורידים את הידית:

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)

אנו מגדירים פונקציה לסיבוב הידית בזווית נתונה או לזווית מסוימת:

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

אם זווית המטרה גדולה מזווית חיישן הג'ירו הנוכחית, המשך לנוע עם כיוון השעון במהירות חיובית:

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

אם זווית המטרה קטנה מזווית חיישן הג'ירוסקופ הנוכחית, אזי אנו נעים נגד כיוון השעון:

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

עצור את הפלטפורמה המסתובבת כאשר מגיעים לזווית היעד:

  turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)

אנו קובעים את המיקום ההתחלתי של הידית למיקום העליון:

pen_holder_raise()

עכשיו מגיע החלק העיקרי של התוכנית - לולאה אינסופית. ראשית, ה-EV3 ממתין שהחיישן הצבעוני יזהה נייר לבן או ריבוע התחלה כחול, וחיישן המגע יילחץ. לאחר מכן הוא מצייר תבנית, חוזר למצב ההתחלה וחוזר על עצמו שוב מההתחלה.

כאשר המכשיר אינו מוכן, נוריות ה-LED בבקר הופכות לאדומות וסמל "אגודל למטה" מוצג על מסך ה-LCD:

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

אנו ממתינים עד שחיישן הצבע יזהה כחול או לבן, מגדירים את צבע נוריות ה-LED לירוק, מציגים את תמונת ה"אגודל למעלה" על מסך ה-LCD ומדווחים שהמכשיר מוכן לפעולה:

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

אנו ממתינים ללחיצה על חיישן המגע, מקצים לחיישן הגירוסקופי ערך זווית של 0 ומתחילים לצייר:

  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)

אנו מרימים את מחזיק העט ומחזירים אותו למקומו המקורי:

  pen_holder_raise()
  pen_holder_turn_to(0)</i>

זוהי התוכנה הפשוטה שקיבלנו. עכשיו בואו נפעיל אותה ונצפה ברובוט השרטט בפעולה. 

מה דוגמאות כאלה נותנות?

EV3 הוא כלי הכוונה מקצועית למקצועות STEM ונקודת כניסה להתמחויות הנדסיות. מכיוון שהוא יכול לפתור בעיות מעשיות, ילדים צוברים ניסיון בפיתוחים טכניים וביצירת רובוטים תעשייתיים, לומדים למדל מצבים אמיתיים, להבין תוכניות ולנתח אלגוריתמים, ולשלוט במבני תכנות בסיסיים.

תמיכת MicroPython הופכת את פלטפורמת EV3 למתאימה לחינוך תיכוני. תלמידים יכולים לנסות את עצמם בתפקיד מתכנתים באחת השפות המודרניות הפופולריות ביותר, להכיר מקצועות הקשורים לתכנות ועיצוב הנדסי. ערכות EV3 מראות שכתיבת קוד אינה מפחידה, מתכוננות למשימות הנדסיות רציניות ועוזרות לעשות את הצעד הראשון לקראת שליטה בהתמחויות טכניות. ולמי שעובד בבתי ספר וקשורים לחינוך, הכנו... תוכניות שיעור וחומרי הדרכה. הם מתארים בפירוט אילו מיומנויות מפותחות בעת ביצוע משימות מסוימות, וכיצד המיומנויות הנרכשות קשורות לתקני ההדרכה.

מקור: www.habr.com