Obsluha jednotky Mindstorms NXT

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta Obsluha jednotky Mindstorms NXT Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Oldřich Trenz, Ph.D. Jakub Černý

2 Rád bych poděkoval vedoucímu této bakalářské práce, panu Ing. Oldřichu Trenzovi Ph.D., za jeho hodnotné rady a pomoc, kterou mi věnoval. Také bych chtěl poděkovat svojí rodině, která mě po celou dobu studia vždy plně podporovala.

3 Prohlašuji, že jsem na této bakalářské práci pracoval samostatně, jen se zdroji řádně citovanými a uvedenými v seznamu literatury. V Brně dne 21. prosince 2010

4 Abstract Černý, J. Control Mindstorms NXT unit. Bachelor thesis. Brno, This thesis is considering by options of controlling robotic unit Mindstorms NXT. In theoretical part is introduced technical aspect of robot and software options, which robot could be programme. In practical part the individual programming options are demonstrate on task following the line. At the end is implement compare of these options. Keywords Lego Mindstorms, NXT, Java, LeJOS, Netbeans, NXC, LabView, robot, following the line Abstrakt Černý, J. Obsluha jednotky Mindstorms NXT. Bakalářská práce. Brno, Práce se zabývá možnostmi ovládání robotické jednotky Mindstorms NXT. V teoretické části je představena technická stránka robota a softwarové možnosti kterými lze robota programovat. V praktické části jsou jednotlivé programovací možnosti předvedeny na úloze sledování čáry. V závěru práce je provedeno srovnání těchto možností. Klíčová slova Lego Mindstorms, NXT, Java, LeJOS, Netbeans, NXC, LabView, robot, sledování čáry

5 Obsah 5 Obsah 1 Úvod a cíl práce Úvod Cíl práce Teoretické základy Firma Lego a robotika Mindstorms NXT kostka Lego NXT externí senzory Ultrazvukový senzor Tlakový senzor Zvukový senzor Světelný senzor Robotické motory Lego NXT servomotor Programovací jazyk Java lejos NXJ Eclipse Netbeans Programovací jazyk C a C NXC LabView Lego Mindstorms Education NXT software Ovládací menu NXT kostky Menu pod Lego NXT firmwarem Menu pod lejos Srovnání programovacích možností Metodika řešení 20 4 Vlastní řešení 21

6 Úvod a cíl práce Technická konstrukce robota Teoretické řešení úlohy sledování čáry Práce s robotem s využitím Java technologií Instalace Netbeans a propojení s LeJOS Sledování čáry programované v Javě a NXJ Práce s robotem za využití programovacího jazyka C Instalace BrixCC a propojení s robotem Sledování čáry programované v NXC Práce s robotem v prostředí LabView Instalace prostředí LabView a propojení s NXT kostkou Sledování čáry programované v LabView Diskuze Diskuze nad programováním jednotky NXT v Javě Diskuze nad programováním jednotky NXT v jazyku C Diskuze nad programováním jednotky NXT v LabView Závěrečné srovnání Závěr 36 7 Literatura 37

7 Úvod a cíl práce 7 1 Úvod a cíl práce 1.1 Úvod Slovo robot světu poprvé představil Karel Čapek roku 1920 ve svém dramatu RUR (Rossumovi Univerzální Roboti). Bylo to ještě v době, kdy žádný stroj, tak jak si roboty představujeme dnes, neexistoval. Robotika jako vědní obor se začala rozvíjet v šedesátých a zejména sedmdesátých letech se vstupem Japonska do této oblasti. To také vede světový vývoj robotů do dnes. Jistě netřeba představovat robotického psa Aiba od firmy Sony, nebo humanoidního robota ASIMa, kterého vyrábí společnost Honda. V dnešní době jsou roboti používáni v mnoha různých odvětvích lidského života. Namátkou lze uvést jejich použití v domácnosti (kuchyňské roboty, robotické vysavače, robotické sekačky na trávu), v průmyslu (lakovací roboti, paletovací roboti, svařovací roboti, manipulační roboti), v lékařství (chirurgický robot Da Vinci používaný např. v Olomoucké nemocnici) a v neposlední řadě také při dobývání vesmíru (vesmírné sondy, např. Spirit a Opportunity vyslané na planetu Mars). Jak je vidět z výše popsaného výčtu oblastí, do kterých se roboti nasazují, hlavním požadavkem na robota je jeho automatizované chování. To se dá rozdělit na chování ve známém a neznámém prostředí. Na příklad průmyslové lakovací paže mají dopředu zadáno co lakují (jsou používány především v automobilovém průmyslu, tudíž se zpravidla jedná o karoserie a nárazníky) a v jaké pozici se lakovaný díl nachází. Po provedení práce nalakovaný díl odjíždí a na jeho místo se dostává díl nový a celý proces lakování může začít znovu. Oproti tomu vesmírné sondy, nebo vojenské průzkumné sondy jsou vyslány do předem neznámého prostředí, ve kterém se musejí umět pohybovat a popřípadě i reagovat na předem neočekávané situace. Do světa robotiky přispěla možná i trošku nečekaně dánská firma Lego group 1 vyrábějící dětské stavebnice. Pod názvem Lego NXT začala na trh dodávat programovatelnou řídící jednotku (NXT kostku), senzory a motorky. To vše je kombinovatelné s klasickými díly, známými ze stavebnic Lego System a Lego Technic. Použitím výše zmíněných komponent lze snadno sestavit odolného (celá konstrukce je z plastu) robota a snadno nad ním provádět různé modifikace. 1 LEGO group se zrodila v roce 1932, kdy chudý dánský tesař z městečka Billund jménem Ole Kirk Christiansen začal vyrábět dřevěné hračky. Ovšem legendární LEGO kostka přišla na svět až po druhé světové válce. [1]

8 Úvod a cíl práce Cíl práce Cílem této bakalářské práce je porovnat možnosti programování robotické kostky lego NXT a to z hlediska výběru vhodného programovacího jazyku a s tím spojený výběr některého z dostupných vývojových prostředí a na základě těchto poznatků určit ideální vývojovou platformu pro psaní ovládacích programů v závislosti na zvolených specifických požadavcích na chování robota. Možnosti jednotlivých programovacích přístupů budou demonstrovány na cvičné úloze. Touto úlohou bude pohyb robota kopírující nakreslenou čáru. Práce je tvořena teoretickou částí, ve které je představena hardwarová část robota Mindstorms NXT, softwarová řešení, tedy představení a seznámení s jazyky Java, C++ a LabVIEW. Tato bude tvořena z informací a poznatků získaných studiem na škole i samostudiem z odborné literatury a internetu. Další část závěrečné práce, část praktická, se již bude zabývat samotným řešením a implementací zvolené úlohy ve výše zmíněných programovacích prostředcích spojených se sestaveným robotem Lego NXT.

9 Teoretické základy 9 2 Teoretické základy 2.1 Firma Lego a robotika Firma Lego Group 2 vyrábí stavebnice určené pro děti již více než půl století. Továrny na výrobu slavných kostek se nacházejí po celém světě, jmenovitě je to v domácím Dánsku, Spojených státech amerických, Maďarsku, Švýcarsku, Jižní Koreji a od roku 2000 také v České republice v Kladně. Na trh s robotickou tématikou firma Lego vstoupila v roce 1998 s první generací Lego Mindstorms pod označením Robotics Invention System. Současná verze Lego Mindstorms NXT 2.0 přišla na trh v srpnu roku Programovatelná jednotka NXT (často bývá také označována jako NXT kostka) se skládá z několika technicky odlišných částí, které budou představeny v následující části práce. 2.2 Mindstorms NXT kostka Nejdůležitější částí celého robota je programovatelná jednotka. Jedná se o kvádr (přibližné rozměry jsou 11,5cm 7cm 4,5cm), který je uzpůsoben k uchycení na plastové kostky Lego Technic. Ovládání kostky je umožněné čtyřmi tlačítky a maticovým LCD panelem o rozlišení px. Zvukový výstup zajišťuje 8kHz integrovaný reproduktor. Uvnitř kostky bijí 32 bitový mikroprocesor ARM7 (256kb Flash a 64kb RAM paměti) a 8 bitový mikroprocesor AVR (4kb Flash a 512B RAM). Ke komunikaci s ovládacími periferiemi jako je počítač, nebo mobilní telefon je NXT kostka vybavena interním Bluetooth modulem. K přímému připojení k počítači je jednotka osazena také USB portem. Dále kostka obsahuje 4 vstupní a 3 výstupní porty. Do vstupních portů se vkládají senzory, které robotovi slouží k interakci s okolím. Výstupní senzory bývají osazovány servomotory, zpravidla pro pohyb robota (není to ovšem pravidlo, vždy záleží na konkrétní konfiguraci každého modelu). 2 Název LEGO je zkratkou dvou dánských slov leg godt, což znamená dobře si hraj. To je náš název a současně ideál. [2]

10 Teoretické základy 10 Obr. 1 NXT kostka 2.3 Lego NXT externí senzory Pomocí externích senzorů připojených do kostky může robot prozkoumávat své okolí a reagovat na různé situace. Firma Lego standardně dodává v balení spolu s kostkou několik senzorů. Jmenovitě to jsou tlakový senzor, zvukový senzor, ultrazvukový senzor a světelný senzor. Společnost HiTechnic původem ze Spojených států amerických dodává na náš trh další externí senzory navržené přímo pro stavebnici Lego Mindstorms. Jejich cena je ovšem oproti normálním senzorům z dílny Lego zhruba trojnásobná. Výběr několika zajímavých senzorů nabízených firmou HiTechnic: NXT Gyroskop analogový senzor, který periodicky počítá úhel a směr otáčení. [3] NXT Kompas funguje jako azimutový kompas, podle magnetického pole Země určuje světové strany.[3] NXT Senzor akcelerace měří velikost zrychlení v trojrozměrném prostředí (měří ve třech osách). [3] NXT EOPD Senzor měření vzdálenosti senzor s vlastním světelným zdrojem, u kterého nedochází ke zkreslení vlivem cizích rušivých událostí. Vzdálenost měří velmi přesně, dosah je 30cm. [3] Ultrazvukový senzor Tento senzor připomíná svojí funkcí sonar, používaný na ponorkách. V tomto dílu jsou pohromadě umístěny vysílač i přijímač ultrazvukového signálu. S tímto signálem lze zjišťovat vzdálenost robota od překážky, slouží tedy k provádění tzv. echolokace. Dosah vysílače je až 255cm s přesností ± 3cm. Vzdálenosti je možno měřit v centimetrech, nebo v palcích. Při práci se senzorem je důležité přizpůsobit citlivost senzoru prostředí ve kterém se bude senzor využívat. Princip tohoto senzoru je ve vyslání ultrazvukové vlny, jejího odrazu od překážky a vrácení zpět do přijímače signálu. Vzdále-

11 Teoretické základy 11 nost se spočte díky časové informaci za jak dlouho se odražená vlna vrátila zpět ke zdroji. Je nutné podotknout, že ne od všech tvarů a materiálů se ultrazvuk odráží stejně. Pro práci senzoru jsou nejlépe vyhovující rovné, ploché objekty bez výstupků a oblých částí. Obr. 2 Ultrazvukový senzor Tlakový senzor Tlakové čidlo snímá tři různé stavy: uvolněný stav, stlačený stav a zmáčknutí. Senzor tedy detekuje dva stavy, 0 a 1 (stlačeno, nestlačeno). Dá se tedy použít ke sčítání jednotlivých stlačení, nebo se může s jeho pomocí mapovat prostor ve kterém se robot pohybuje. Obr. 3 Tlakový senzor Zvukový senzor Tento senzor reaguje na hlukové podněty. S trochou nadsázky se dá říci, že se jedná o robotovy uši. Senzor měří zvukovou intenzitu ve stejném rozsahu frekvencí jako lidské ucho ( Hz). Zvukovým podnětem o nastavené intenzitě se může robot např. uvádět do chodu, nebo se s pomocí tohoto senzoru dá činnost robota zastavit.

12 Teoretické základy 12 Obr. 4 Zvukový senzor Světelný senzor Světelný senzor zaznamenává úroveň světla v okolí. Lze zaznamenávat i příznak zda se robot pohybuje ve světle, nebo ve tmě. Součástí senzoru je také zdroj infračerveného světla, díky tomu může senzor snímat odrazivost povrchu snímaných objektů. Tento zdroj světla lze softwarově vypnout. Díky tomuto senzoru může robot např. sledovat černě nakreslenou čáru na bílém pozadí (lze samozřejmě použít i jiné kontrastní barvy). Obr. 5 Světelný senzor 2.4 Robotické motory Dříve než se seznámíme se servomotorem, který firma Lego dodává k sadě Mindstorms, budou stručně uvedeny obecné možnosti, jak robota přimět k pohybu. Dnes se v zásadě můžeme setkat se dvěma přístupy. První se snaží inspirovat přírodou a využít principů, jakými se pohybují zvířata. Příkladem mohou být robotičtí hadi, psi, nebo robot, který na první pohled připomíná kozu. Druhý přístup se dá stanovit za použití kolových, pásových, nebo kolopásových (tzv. hybridních) podvozků. Tyto musejí být nějakým způsobem poháněny a právě zde dochází k možnosti výběru z několika typů motorů vhodných pro pohyb robota. Motory, které jsou k pohybu robotů nejčastěji používány jsou elektromotory. Ty pracují na elektromagnetickém principu (využívající Lorentzův zákon síly), kdy na sebe uvnitř motoru působí magnetická pole rotující části (rotor) a pevně ukotvené části (stator). Elektromotory se dále mohou dělit na střídavé a stejnosměrné, ty se od sebe vzájemně liší vnitřním uspořádáním součástek. Dalším typem motorů, které mohou být použity jsou motory krokové. Tyto motory ke svému chodu potřebují neustálé dodávání elektrického proudu. A to i ve chvíli kdy stojí. Základní princip krokového motoru je úplně jednoduchý. Proud procházející cívkou statoru vytvoří magnetické pole, které přitáhne opač-

13 Teoretické základy 13 ný pól magnetu rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které otáčí rotorem. [4] Lego NXT servomotor K jízdě a k provádění ostatních rotačních pohybů robota slouží u stavebnice Mindstorms tzv. interaktivní servomotor 3. V servomotoru je zabudován rotační senzor, pomocí nějž je možné měřit vzdálenost a rychlost a který zařizuje zpětnou vazbu vůči NXT kostce. Servomotor lze řídit úhly rotace s přesností na ±1. Otáčky servomotoru se dají programovat pomocí délkových jednotek (centimetry, palce), pomocí otáček, nebo pomocí stupňů. Více motorů lze společně synchronizovat na jednu rychlost. Obr. 6 Interaktivní servomotor 2.5 Programovací jazyk Java Programovací jazyk Java je produktem firmy Sun Microsystems (oficiální představení bylo 23. května 1995), od 8. května 2007 je Java vyvíjena jako tzv. open source 4. V dnešní době se jedná o jeden z nejpoužívanějších programovacích jazyků na světě (používá se při programování webových aplikací, v mobilních telefonech, v distribuovaných systémech, ). Svoji zásluhu na tomto faktu mají jistě i velice kvalitní a rozšířené materiály k technologii Java. Jedná se jak o kurzy a podrobnou dokumentaci rozhraní API, která je postavená na technologii JavaDoc, tak i veliké množství tištěné i elektronické literatury vydané pro podporu Javy. Programovací jazyk Java je jazykem vyšší úrovně. To znamená, že zdrojový kód je nezávislý na architektuře stroje na kterém je spouštěn. Překlad z vyššího jazyku do strojového kódu je zajištěn kompilátorem. Tím pádem lze o programovacím jazyku Java prohlásit, že má následující vlastnosti: Jednoduchost 3 Servomotor zkráceně servo je motor pro pohony u kterých lze na rozdíl od běžného motoru nastavit přesnou polohu natočení osy. [5] 4 Open source nebo také open-source software (OSS) je počítačový software s otevřeným zdrojovým kódem. Otevřenost zde znamená jak technickou dostupnost kódu, tak legální dostupnost - licenci software, která umožňuje, při dodržení jistých podmínek, uživatelům zdrojový kód využívat, například prohlížet a upravovat (na rozdíl od proprietárního software). [6]

14 Teoretické základy 14 Objektovou orientaci Distribuci Nezávislost na architektuře zařízení Přenositelnost Robustnost Bezpečnost Dynamičnost Vysokou výkonnost Výše zmíněné vlastnosti jsou vysvětleny v dokumentu The Java Language Environment, který sepsali pánové James Gosling a Henry McGilton, dostupný z Jako vše na světě nemá Java jen kladné vlastnosti. Nevýhodou Javy oproti jiným programovacím jazykům (např. C++, o němž bude pojednáno dále) je velká náročnost na paměť výpočetního zařízení, která je dána faktem, že při běhu programu musí být v paměti celé běhové prostředí 5. Dále je oproti jazykům, u kterých se provádí statická kompilace pomalejší start programů, z důvodu, že je nejprve nutné celý program přeložit a až poté spustit lejos NXJ Pod označením lejos NXJ se skrývá open source vývojové prostředí k programování NXT kostky. NXJ v názvu značí vazbu k NXT. Původní lejos byl vytvořen z projektu TinyVM. Ten implementoval Javu VM do Lego Mindstorms RCX kostky (předchůdce NXT kostky). Autorem TinyVM a rozhraní lejos pro RCX kostku byl Jose Solorzano. Firmwarem lejos je nutné přehrát původní firmware, který firma Lego implicitně nasazuje do NXT kostek. Vývojové prostředí přináší následující výhody při práci s Lego NXT: [7] Nahrazuje firmware standardně dodávaný firmou Lego, ten obsahuje Java Virtual Machine Obsahuje knihovnu Java tříd, která implementuje lejos NXJ API 6 Dále nabízí API rozhraní pro PC, to zahrnuje editor pro psaní programů v Javě, debugging, nahrávání programů do kostky pomocí Java proudů - je možné použít USB propojení nebo bezdrátové propojení Bluetooth 5 Běhové prostředí (anglicky run-time system) je v informatice skupina software, určená na podporu realizace počítačových programů napsaných v některém z programovacích jazyků. Toto běhové prostředí poskytuje softwarové služby jako podprogramy a knihovny. [8] 6 API (Application Programming Interface) představuje rozsáhlou sbírku hotových softwarových komponent, které poskytují mnoho užitečných možností. Člení se do knihoven se souvisejícími třídami a rozhraními. [9, s. 27]

15 Teoretické základy 15 Poskytuje vysoce přesné řízení motorů Jedná se o multiplatformní projekt, je podporován v operačních systémech Windows, Linux a Mac OS X Umožňuje si vybrat profesionální vývojové prostředí Eclipse a Netbeans Eclipse Vývojové prostředí Eclipse, které je v současné době vyvíjeno firmou Eclipse Foundation ( jako Open source, je jedním ze dvou pravděpodobně nejvíce používaných IDE 7 na vytváření aplikací v jazyce Java. Projekt Eclipse vznikl pod taktovkou firmy IBM a byl vytvořen firmou Object Technology International z předchozího projektu VisualAge. V listopadu roku 2001 se uvolnily zdrojové kódy, v této době se cena projektu odhadovala na zhruba 40 milionů amerických dolarů. V lednu 2004 se vytvořila firma Eclipse Foundation, která se o Eclipse stará do dnes. V současné době je dostupná verze (Helios). Příští verze 3.7 se plánuje na červen roku 2011 pod názvem Indigo. [11] Ač je Eclipse profilován jako prostředí pro vývoj aplikací v jazyku Java, je možné jej pomocí pluginů obohatit o podporu dalších programovacích jazyků jako je např. C++ nebo PHP. Pomocí pluginů se Eclipse také může rozšířit o podporu UML 8, či zápis XML. V současné době se na tvorbě pluginů podílí široká veřejnost, díky čemuž je zajištěno profesionální zázemí pro každého, kdo si pro svůj projekt vybere toto vývojové prostředí Netbeans Prostředí Netbeans je ono dříve jmenované druhé nejpoužívanější IDE pro psaní Java aplikací. Za vývojem tohoto programátorského nástroje stojí firma Sun Microsystems, čili ta samá firma, která stojí za vznikem programovacího jazyku Java. Zajímavostí je, že pod záštitu firmy Sun Microsystems se Netbeans dostalo v roce 1999, kdy Sun Microsystems koupilo stejnojmennou českou firmu. Hlavní vývoj se tedy provádí v pražské pobočce Sun Microsystems v Chodově. Od roku 2000 je Netbeans vyvíjeno jako Open source. Vývojové prostředí Netbeans je projekt multiplatformní, je tedy možné jej spustit na operačních systémech Windows, Linux, Solaris a Mac OS X. [13] Stejně jako Eclipse je Netbeans primárně určeno pro psaní aplikací v Javě, opět lze podporu jiných programovacích jazyků přidat pomocí pluginů (od verze 6.0 např. C++, Ruby, PHP). Netbeans dále využívá modulový systém, kdy si uživatel tohoto vývojového prostředí instaluje přídavné moduly, které mohou plnit 7 IDE (Integrated Development Environment) je software usnadňující práci programátorů, většinou zaměřené na jeden konkrétní programovací jazyk. Obsahuje editor zdrojového kódu, kompilátor, případně interpret a většinou také debugger. [10] 8 Jazyk UML (Unified Modeling Language) je univerzální jazyk pro vizuální modelování sytémů. [12, s. 28]

16 Teoretické základy 16 funkci knihoven, nebo nových uživatelských funkcí. Jedná se vlastně o přidávání řešení různých, na sobě nezávislých poskytovatelů softwaru. 2.6 Programovací jazyk C a C++ Programovací jazyk C++ je objektově orientovaný programovací jazyk, který vyvinul Bjarne Stroustrup rozšířením jazyka C. Původní C je univerzální programovací jazyk, vyznačující se úspornými výrazy, moderním řízením běhu, moderními datovými strukturami a bohatou množinou operátorů. C není jazykem vysoké úrovně, ani velkým jazykem a není specializován pro žádnou konkrétní oblast nasazení. Ale nepřítomnost omezení a jeho obecnost ho dělají vhodnějším a efektivnějším pro většinu úloh, než jiné mocnější jazyky. [14, s. 15] V jazyku C je napsán operační systém Unix, programovací jazyk C původně pro tento účel vznikl. C++ vzniklo roku 1983 v laboratořích AT&T. S programovacím jazykem C není stoprocentně kompatibilní. Čili ne všechny programy napsané v C půjdou v C++ přeložit, zpravidla se ale jedná o výjimky. I když bývá nejčastěji označován jako objektový, není to jeho jediný přívlastek. Hodí se ještě uvést, že je to jazyk procedurální a generický NXC Označení NXC znamená Not exactly C. Jedná se o jazyk velmi podobný jazyku C (oba jazyky jsou např. case-sensitive), který funguje v prostředí BricxCC (Bricx Command Center) a slouží k programování Lego NXT kostky. NXC může fungovat na implicitně dodávaném Lego firmwaru, tím pádem není nutné jej přepisovat jako v situaci, kdy chceme programovat v Javě a musíme použít lejos NXJ. Programovací jazyk NXC je freeware software fungující pod licencí MPL (Mozilla Public Licence). [16] Výše zmíněné vývojové prostředí (IDE) BricxCC je nyní ve verzi 3.3. BricxCC slouží pro správu NXT kostky. S pomocí tohoto programu lze přehrávat firmware kostky, organizovat soubory v kostce, používat diagnostické funkce, které jsou v BricxCC obsaženy, nebo použít přímé ovládání robota. Hlavní částí BricxCC je editor pro psaní kódu (implicitně NXC, dále C, C++, Pascal, Java a další), který nabízí základní funkce jako je zvýraznění syntaxe, poskytuje předdefinované metody určené přímo k ovládání NXT kostky nebo ovládání pomocí maker. 9 Generické programování je ještě další postup podporovaný C++. S OOP sdílí cíl vytváření jednoduššího kódu pro znovupoužití a postup abstrakce obecných představ. Zatímco OOP zdůrazňuje datové hledisko programování, programování pomocí šablon zdůrazňuje algoritmické hledisko. [15]

17 Teoretické základy LabView Vývojové prostředí LabView (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je dílem americké firmy National Instruments. Prostředí nabízí možnost tzv. grafického programování (někdy též nazýváno jako G-jazyk). Mimo grafické programování se program LabView používá při měření a zkoumání signálů. Další (a možná nejvýznamnější) schopností tohoto vývojového prostředí je virtuální instrumentace, což je způsob, jak řešit problém, který je časově, nebo z hlediska technického vybavení velmi náročný. Děje se tak metodou softwarové virtualizace problému, pomocí grafických a vizualizačních funkcí. Takto získané řešení je ovšem jen teoretické, od reality se může lišit. Oproti výše zmíněným jazykům a prostředím není LabView freeware, ani open-source program. Je proto nutné pro jeho používání program zakoupit, nebo se spokojit s demoverzí. 2.8 Lego Mindstorms Education NXT software Posledním programovacím prostředkem o kterém bude zmíněno je software dodávaný společně s kostkou. Je založen na prostředí LabView a svým zaměřením je určen spíše pro začátečníky. Stejně jako LabView se jedná o ikonický software a stejně tak není volně šířitelný, což ovšem vzhledem k tomu, že je již dodáván v balení NXT není závažnou překážkou při jeho používání. Škála možných nastavení jednotlivých robotických částí je značně menší než v ostatních případech, tím pádem se tato práce nebude programováním v Lego Mindstorms Education NXT software podrobně zabývat. 2.9 Ovládací menu NXT kostky Pomocí ovládacího menu lze v kostce měnit její nastavení, zapínat a vypínat bezdrátovou technologii Bluetooth, provádět správu nahraných programů a souborů, nebo používat funkce na zkoušení jednotlivých komponent. Podoba menu je závislá na použitém firmwaru a také na jeho použité verzi. Vždy se ovšem těsně pod horním okrajem displeje zobrazuje stavový řádek. Ten ukazuje stav baterie, zda je kostka připojena k USB a zda je zapnuto Bluetooth Menu pod Lego NXT firmwarem Ve standardním balení se v kostce nachází firmware ve verzi V této verzi se po zapnutí v menu nachází 6 horizontálně uspořádaných podnabídek. První je průzkumník souborů, s jehož pomocí jdou spouštět a mazat soubory nahrané v kostce. Může se jednat o programy, nebo zvukové soubory. Druhá podnabídka se jmenuje NXT program. Zde lze vytvořit jednoduchý program sestávající z pěti bloků. Lze tak říci, že robota lze programovat (ale skutečně velmi omezeně) i bez použití počítače. Třetí podnabídka je pojmenována View a lze v ní zkoušet jednotlivé senzory. Např. u ultrazvukového senzoru se v reálném čase na displeji

18 Teoretické základy 18 zobrazuje vzdálenost od překážky v palcích. Dalším blokem v menu je Bluetooth. Zde se dá funkce zapínat a vypínat, dají se zde spárovat zařízení a nastavovat viditelnost kostky. Předposlední, pátou podnabídkou je sekce nastavení. Zde se může nastavovat hlasitost zvuků robotem produkovaných, doba za kterou se robot při nečinnosti sám vypne a také se zde může kontrolovat verze softwaru a firmwaru v kostce nahraná. Poslední podnabídka nese název Try Me. Jak název napovídá, dají se zde opět zkoušet jednotlivé senzory a motory. Další verzí Lego firmwaru, kterou je možno do kostky nahrát je verze Ta přináší rozšíření např. v možnosti výběru délkové jednotky u ultrazvukového senzoru, nyní je možný výběr z palců a centimetrů. Navíc tato verze přináší do hlavního menu jednu novou podnabídku. Jmenuje se NXT Datalog a je díky ní možné ukládat hodnoty naměřené senzory (nebo např. provedené otáčky v případě motorů) během provádění programů. Nejnovější verze 1.29 přináší oproti verzi 1.26 jen malé změny. V menu se jedná jen o přidání podpory pro barevný senzor do příslušných nabídek. Jinak vše zůstává stejné jako u předešlých verzí Menu pod lejos Menu pod firmwarem lejos (aktuální verze lejos je 0.85) je uspořádáno vertikálně, což může být z počátku matoucí vzhledem k tomu, že ovládací tlačítka na kostce jsou umístěna horizontálně. Ovládací menu neobsahuje zdaleka tolik funkcí jako menu na Lego firmwaru. Je zde možné pouze procházet a spravovat soubory nahrané v kostce, používat technologii Bluetooth (s obdobným nastavením jako u firmwaru popsaného výše) a nastavovat pouze základní věci, jakými jsou například nastavení zvuků a nastavení času samovolného vypnutí při nečinnosti.

19 Teoretické základy Srovnání programovacích možností Tab. 1 Tabulka 1: Srovnání programovacích možností Java + LeJOS NXC + BrixCC LabView + NXT Toolkit Typ jazyku Java (Not exactly) C Grafický Firmware LeJOS verze Standardní Standardní (1.26 a vyšší) Integrované prostředí Ne (nutno použít nxj pluginy do jiných IDE) Ano Ano Multiplatformní Ano Ano Ano Podpora Bluetooth Ano Ano Ano Freeware Ano Ano Ne Zdroj: Práce autora

20 Metodika řešení 20 3 Metodika řešení Ke srovnání jednotlivých programovacích přístupů na zvolené úloze je nejdříve nutné sestavit samotného robota a z jeho konstrukce při programování dále vycházet. Poté je potřeba uskutečnit propojení mezi robotickou kostkou a počítačem, na kterém bude kód vytvářen. S tím je spojena instalace jednotlivých vývojových prostředí a zajištění jejich komunikace se softwarem kostky. V dalším kroku se bude práce zabývat samotnou implementací úlohy sledování čáry na jednotlivých programovacích prostředcích a jejím testováním. Na zjištěných poznatcích bude formulováno výsledné srovnání jednotlivých programovacích přístupů a budou vyjmenovány jednotlivé rozdíly v použitých řešeních, jakožto i výhody a nevýhody zvolených prostředí.

21 Vlastní řešení 21 4 Vlastní řešení 4.1 Technická konstrukce robota Robot se kterým se v této bakalářské práci pracuje je kompletně sestaven pouze z jednoho balení stavebnice Lego Mindstorms. Žádné další přídavné kostky, ani jiný spojovací materiál nebyl pro konstrukci robota použit. Stejně tak byly použity jen standardně dodávané Lego senzory a motory. Hlavní důraz při sestavování robota byl kladen na robustnost, soudržnost a stabilitu celé konstrukce. Z tohoto důvodu je robot postaven symetricky s osou uprostřed kostky. Ta je umístěna na vrcholu robota kde svírá s dvěma servomotory úhel přibližně 45. Motory jsou umístěny kolmo k zemi, těsně vedle sebe. Zatáčení robota je zajištěno protichůdným chodem obou motorů, inspirací bylo konstrukční provedení malých stavebních bagrů (tzv. UNC). V první fázi konstrukce bylo nejdůležitější zajištění pevného spojení motorů s kostkou. V další fázi konstruování se k robotovi přidávala kola. Byl vybrán největší dostupný typ kol. Na zadní části robota, resp. podvozku je umístěno jedno kolečko pro zajištění komfortní jízdy robota. Toto kolečko je schopno otáčet se kolem své osy o celých 360. Senzory jsou na konstrukci umístěny dva. V zadní části robota je umístěn senzor dotykový, používaný zpravidla pro zastavování chodu robota. Druhým senzorem je senzor nezbytný pro možné řešení cvičné úlohy. Světelný senzor je umístěn na ramenu, které je vysunuté před oba motory, na které je uchyceno, a je otočen tak, aby jeho čidlo bylo umístěno paralelně se zemí ve vzdálenosti cca 1cm. Na kostce jsou přístupné všechny důležité prvky. Bez problémů lze přistupovat ke všem vstupním a výstupním portům. S menšími problémy jde také přistupovat ke zdířce napájení. Samozřejmostí je ničím nerušený přístup k tlačítkům a k LCD displeji. Kostka je ke konstrukci připojena ve čtyřech bodech, tudíž není velký problém ji při případné potřebě od zbylé konstrukce robota oddělit. Poslední věcí o které je nutno se zmínit je zapojení jednotlivých komponent do konektorů. Levý servomotor je zapojen do portu A, pravý pak do portu B. Konektory motorů a kostky jsou velice blízko u sebe, přebytek kabelu je proto namotán na přední část ramena, kde je umístěn světelný senzor (umístěný do portu 1). Dotykový senzor je připojen do portu 4.

22 Vlastní řešení 22 Obr. 7 Perspektivní a boční pohled na robota

23 Vlastní řešení Teoretické řešení úlohy sledování čáry Postup vytváření programu na sledování čáry byl ve všech programovacích prostředcích podobný, jednotlivé implementační rozdíly budou uvedeny v popisu konkrétních programových řešeních. V prvním kroku bylo nutné určit hranici mezi bílou barvou, představující podklad po kterém se robot pohyboval a černě namalovanou čárou. V dalším kroku byla vytvořena metoda pro jízdu přímo vpřed, při nalezení hodnoty odpovídající barvě čáry. Poté co tato metoda skončila, bylo jasné, že robot vyjel z čáry někam na bílou plochu. Vzhledem k tomu, že byl k dispozici pouze jeden světelný senzor, nedalo se zjistit na jakou stranu od čáry vyjel. V této části algoritmu tedy muselo dojít k hledání kde se čára nachází. Vzhledem k rozdílům v programovacích možnostech toto bylo řešeno v každém programovacím jazyku mírně odlišně. Po opětovném nalezení čáry se robot opět pohyboval přímo vpřed dokud znovu nevyjel z čáry. Celý cyklus se neustále opakoval, ukončovací operací bylo buď stisknutí dotykového senzoru, nebo zmáčknutí ukončovacího tlačítka na kostce. 4.3 Práce s robotem s využitím Java technologií Instalace Netbeans a propojení s LeJOS Pro vytvoření aplikace v jazyku Java bylo vybráno prostředí Netbeans. Instalace tohoto prostředí na operační systém Windows XP se provádí jako instalace většiny jiných programů. Na stránkách výrobce ( se stáhne instalační soubor, který se následně nainstaluje. Stejně tak se stáhne LeJOS NXJ ( a nainstaluje. Zde se volí adresář pro instalaci LeJOS a adresář pro LeJOS projekty. Hned po instalaci LeJ- OS do PC se spustí možnost přeflashování firmwaru kostky. Plně postačí kostku připojit přes USB kabel s počítačem a program už se o vše postará sám. Jediné nač si musí uživatel dát pozor je výmaz veškerých dat v kostce. Pokud by se automatický přepis firmwaru nepovedl, nebo ho uživatel potřeboval využít znovu je nutné si otevřít příkazovou řádku a zde zadat příkaz nxjflashg. Poté se spustí program na přeflashování firmwaru stejně jako po instalaci LeJOS. Možností jak propojit Netbeans s robotem Lego NXT je více. Asi nejjednodušším řešením je v prostředí Netbeans otevřít nový projekt a zde vybrat adresář Samples, nacházející se v adresáři, který jsme určili při instalaci LeJOS jako výchozí pro ukládání projektů. Tímto krokem se v záložce projects otevřou zkušební programy pro Lego NXT a uživatel může jednoduše některý z nich přepsat. Druhou možností je nainstalovat NXJ plugin, který se nachází v adresáři kam se ukládají LeJOS projekty. Po instalaci pluginu se ještě musí správně namapovat soubory s třídami LeJOS, které se nacházejí v adresáři instalace LeJ- OS.

24 Vlastní řešení Sledování čáry programované v Javě a NXJ Celý program na sledování čáry je realizován pomocí jedné třídy a jejích metod. Prostředí Netbeans s podporou NXJ přidává ke standardním javovským funkcím a metodám své vlastní pro řízení NXT kostky, jejich kompletní výčet je popsán online na stránkách LeJOS (dostupné z Konkrétní řešení vypracované v jazyce Java se skládá ze sedmi metod, z nichž jsou vždy metody posunu a vyhledávání doprava a doleva napsány stejně, jediné co se mění je orientace chodu motorů a s tím spojená aktualizace směrových proměnných. Chování robota a jeho vyhledávání čáry se řídí jeho předchozí jízdou. V programu se předpokládá, že pokud robot vyjel z čáry na levé straně, tak že i při příští ztrátě čáry má jako první opět vyhledávat směrem doprava (vyhledává na stejnou stranu jako při předchozím hledání). Nyní bude následovat výpis několika použitých metod a jejich zapouzdření. Metoda pro jízdu vpřed: public void vpred() { nalezeno = false; while (svetlo.getlightvalue()< bila) { LCD.drawInt(svetlo.getLightValue(), 0, 0); Motor.A.setSpeed(75); Motor.B.setSpeed(75); Motor.A.forward(); Motor.B.forward(); Tato metoda obsahuje jen jediný cyklus a pouze uvádí do chodu oba motory pro jízdu vpřed dokud je vstupní hodnota, načítaná ze světelného senzoru menší než nejmenší naměřená hodnota pro bílou barvu podložky. Metody pro vyhledávání čáry: public void hledejdoleva () { if (vpravo == true) doleva(); else { int i; Motor.A.stop(); for (i=1; i < 10; i++) { Motor.B.setSpeed(100); Motor.B.rotate(i); if (svetlo.getlightvalue() < bila) { nalezeno = true;

25 Vlastní řešení 25 vpravo = false; break; if (nalezeno == false) hledejdoprava(); Motor.B.rotate(3); public void doleva(){ while (svetlo.getlightvalue() >= bila){ Motor.B.setPower(60); Motor.A.stop(); Motor.B.forward(); vpravo = false; Tyto metody slouží pro opětovné nalezení čáry směrem doleva. V programu jsou obsaženy ještě dvě metody pro vyhledání směrem doprava, jsou ovšem totožné až na orientaci chodu motorů, tudíž jim zde již není věnován prostor. V první metodě na jejím začátku se zjišťuje, zda je binární proměnná vpravo rovna hodnotě true, pokud ano, znamená to, že již proběhlo postupné vyhledávání čáry směrem doprava a tím pádem je jasné, že je nutné vyhledávat na druhou stranu. K tomu slouží metoda doleva(), ta nedělá nic jiného, než že otáčí robotem směrem doleva do té doby, než se senzor dotkne čáry. Pokud je ovšem na začátku metody proměnná vpravo rovna hodnotě false, tak nastává postupné vyhledávání směrem doleva. To je řešeno cyklem for, v němž se stále zvětšuje úhel otáčení pravého motoru a tím otáčení celého robota. Po každé iteraci se testuje hodnota světelného senzoru, při nalezení je příkazem break cyklus ukončen a jsou také inicializovány stavové proměnné vpravo a nalezeno. Na konci metody je ještě přidána otočka pravého motoru, tak aby se světelné čidlo posunulo více do středu čáry. Metoda SledovaniCary: public void SledovaniCary(){ while(!bump.ispressed()) { vpred(); if (vpravo == true){ hledejdoprava(); else {hledejdoleva();

26 Vlastní řešení 26 Tato metoda zapouzdřuje výše popsané metody a provádí je do chvíle kdy je stisknut dotykový senzor. Při zjednodušeném pohledu je celý algoritmus postaven na opakování metody pro jízdu vpřed a pro vyhledávání vpravo nebo vlevo. Ukázka funkce Main: public static void main(string[] args) { SledujCaru objekt = new SledujCaru(); objekt.sledovanicary(); V metodě Main se pouze vytváří jeden objekt ze třídy SledujCaru a je u něj spouštěna jediná metoda SledovaniCary. Ještě je zakomentováno použití metody pro výpis aktuální hodnoty světelného senzoru, která byla použita pro zjišťování hodnot bílé a černé barvy. Metoda pro zjištění aktuální hodnoty světelného senzoru getsvetlo: public void getsvetlo(){ while(!bump.ispressed()){ LCD.drawInt(svetlo.getLightValue(), 0, 0); 4.4 Práce s robotem za využití programovacího jazyka C Instalace BrixCC a propojení s robotem Pro vytváření ovládacích aplikací pro NXT kostku v jazyce C je možno využít vývojové prostředí BricxCC, dostupné z Po jednoduché instalaci do uživatelem zvoleného adresáře je toto prostředí připraveno k použití. Při spuštění je uživatel dotázán na druh kostky, způsob připojení a použitý firmware. Nutno podotknout, že při volbě jiného než standardního firmwaru nebude na výběr jiná než RCX kostka. Po této volbě už nic nebrání samotnému psaní kódu, jeho kompilaci a nahrávání přímo do kostky. Uživatel tedy není nucen k další manipulaci jak s kostkou a jejím firmwarem, tak s přidáváním různých pluginů a dalších přídavných modulů. Pro spouštění aplikací napsaných v jazyce NXC se dá využít kterákoliv dostupná verze standardního Lego firmwaru, jmenovitě to jsou verze 1.05, 1.26, a Sledování čáry programované v NXC Fungování sledování čáry napsané v jazyku NXC je podobné jako řešení napsané v jazyce Java. Ovšem na rozdíl od Javy zde není použito objektového přístupu. Celý program je rozdělen do jednotlivých metod a úloh. Rozdíl mezi metodou a

27 Vlastní řešení 27 úlohou je ten, že jazyk NXC umožňuje spouštět více úloh v jednom okamžiku, jak bude také demonstrováno dále. Je ovšem nutné při spouštění dvou a více úloh současně ošetřit použití stejných periferií jako jsou senzory a motory. Program napsaný v jazyce NXC se skládá stejně jako program napsaný v Javě ze sedmi metod. Navíc zde jsou použity ještě dvě úlohy (anglicky task). Obdobně jsou zde použity metody pro vyhledávání na každou stranu, opět zde nebudou uvedeny všechny, protože jsou si jednotlivé metody velice podobné až na protichůdný běh motorů a opačnou inicializaci proměnných. Metoda pro vrácení hodnoty světelného senzoru a úloha pro její výpis na LCD dispej: inline int vratsvetlo(){ SetSensor(IN_1, SENSOR_LIGHT); SetSensorType(IN_1,IN_TYPE_LIGHT_ACTIVE); return Sensor(IN_1); task getsvetlo(){ while (true){ NumOut(10,LCD_LINE1,vratSvetlo()); Metoda vratsvetlo() nejprve nastaví do portu č. 1 světelný senzor a poté aktivuje světelnou diodu. Senzor totiž může snímat odražené světlo i bez zapnutí této diody. V posledním kroku metoda vrátí hodnotu z portu 1. Úloha getsvetlo() vypisuje na LCD panelu kostky aktuální hodnotu naměřeného odraženého světla. Využívá k tomu metodu vratsvetlo(), která je vložena do cyklu while s podmínkou true, což znamená nekonečný cyklus. Tato metoda byla použita hlavně na srovnání hodnot odražené bílé a černé barvy. Metoda pro jízdu vpřed: inline void rovno(){ while (vratsvetlo() < bila) { OnFwd(OUT_AB, rychlost); Off(OUT_AB); Metoda drží v chodu oba motory celou dobu co metoda vratsvetlo() vrací hodnotu menší než je nejnižší naměřená hodnota pro bílou barvu. Důležité je po ukončení cyklu vypnout oba motory, protože k tomu nedojde automaticky, jak se tomu děje např. při programování v Javě.

28 Vlastní řešení 28 Metody pro vyhledávání čáry: inline void nahotoc(){ int nahcislo = Random(100); Off(OUT_AB); if (nahcislo < 50) { doprava(); else{ doleva(); Při vyjetí z čáry se jako první spustí metoda nahotoc(). V tomto programu není implicitně nastaveno na kterou stranu se má při ztrátě čáry vyhledávat jako první. K tomu je použito funkce na výpočet náhodného čísla (ve skutečnosti je to číslo pseudonáhodné 10 ), jednoduchým dotazem na velikost tohoto čísla se rozhodne zda se bude robot posouvat doleva, nebo doprava. Tímto je do chování robota přidán náhodný prvek, tím pádem se robot nebude chovat nikdy stejně. inline void doprava(){ nalezeno = false; OnFwd(OUT_A,20); //doprava OnRev(OUT_B,20); Wait(150); Off(OUT_AB); if (vratsvetlo() < bila) nalezeno=true; else vpravo = true; V této metodě se nejdříve inicializuje proměnná nalezeno na false, ta je využívána v další části programu pro rozhodování jak dále vyhledávat. Protichůdným chodem obou motorů se pak robot pootočí o kousek doprava. Za předpokladu, že robot vyjel z čáry na levou stranu, by se nyní nacházel opět na čáře. Proto je aktivována metoda vratsvetlo() a podmíněným příkazem If je zjištěno zda se tak skutečně stalo. Pokud ano, inicializuje se proměnná nalezeno na true. Pokud ne, tak se pouze inicializuje proměnná vpravo na true, jako příznak že již bylo směrem doprava vyhledáváno. 10 Pseudonáhodná čísla jsou čísla vytvářející posloupnost, která se zdá být náhodná, ale ve skutečnosti je generována deterministickým algoritmem. Používají se v mnoha odvětvích informatiky, kdy je pro nějakou aplikaci potřeba náhodnost, kterou ovšem na deterministickém počítači nelze přímo dosáhnout. [17]

29 Vlastní řešení 29 inline void hledejdoprava(){ while(vratsvetlo()>bila){ OnFwd(OUT_A,rychlost); //hledani doprava OnRev(OUT_B,rychlost); Off(OUT_AB); Tato metoda se spouští pokud je v proměnných nalezena a vpravo uložena hodnota false. Robot se protichůdným pohybem motorů otáčí doprava tak dlouho, dokud nedosáhne čáry. Úloha jizda: task jizda(){ SetSensorTouch(IN_4); while (SENSOR_4 == 0){ rovno(); nahotoc(); if (nalezeno==false){ if (vpravo){ hledejdoleva(); else { hledejdoprava(); else rovno(); Tato úloha v sobě zapouzdřuje všechny ostatní metody. Celý cyklus se provádí do doby než je stisknut dotykový senzor, jehož připojení do portu č. 4 se provádí na začátku této úlohy. V cyklu se nejdříve spouští jízda vpřed (předpokládá se, že je robot na začátku své jízdy položen na čáru, není to však podmínkou). Po skončení této metody je jasné že robot vyjel z čáry, nastává náhodné otočení a testování zda tak opět dosáhl čáry, či nikoliv. Pokud ne, spouští se hledání na opačnou stranu než se náhodně otočil. Poté opět běží cyklus od začátku. Funkce main: task main(){ Precedes(jizda,getSvetlo); Funkce main je opět pojatá velmi minimalisticky. Obsahuje jediný příkaz Precedes, jako jeho parametry se udávají úlohy (nikoliv metody), které mají být spuštěny simultánně. V tomto případě se jedná o úlohy jizda pro realizaci pohy-

30 Vlastní řešení 30 bu a vyhledávání a getsvetlo pro kontrolu hodnoty snímanou světelným senzorem. 4.5 Práce s robotem v prostředí LabView Instalace prostředí LabView a propojení s NXT kostkou K instalaci plné verze programovacího prostředí LabView je potřeba si program zakoupit. K vyzkoušení je ovšem možné využít demo verzi, která je online ke stažení na Pro stažení je nutné vyplnit bezplatnou registraci. Při instalaci se pouze vybírá adresář kam se má instalace uložit. Stejným způsobem se ze stránek stáhne NXT toolkit, který se po instalaci integruje do menu LabView. Po nainstalování rozšíření pro NXT je možné začít vytvářet aplikace pro robota. Díky toolkitu je možné provést změnu firmwaru, toolkit v sobě implicitně obsahuje verzi 1.26, pod nižší verzí firmwaru programy napsané v LabView nefungují. Toto se děje v NXT terminálu, ve kterém je dále možné zkontrolovat aktuální nabití baterie, volnou paměť, verzi firmwaru, měnit jméno robota, nebo ho odpojovat a připojovat k počítači. Prostředí LabView neposkytuje tak široké možnosti programování kostky jako předešlé dvě varianty. Obsahuje pouze jedinou variantu cyklu (cyklus while). Větvení programu se zde neděje pomocí příkazů if, ale v části nazvané case, jedná se ovšem o ekvivalenty. Samotné programování se provádí přidáváním bloků do tzv. blokového schématu. Zde jsou jednotlivé příkazy prováděny v pořadí v jakém se nachází ve schématu, které se čte zleva doprava. Pokud se bloky umístí nad sebe, budou se provádět paralelně. Každý blok má své vstupní a výstupní parametry a program v každé chvíli vyhodnocuje, zda je uživatelem provedené spojení jednotlivých prvků v pořádku. Pokud tomu tak není, vypíše chybové hlášení a důvod chyby. Nevýhodou programování v jazyce LabView je jeho nepřehlednost a obtížná orientace při větvení programu (zvláště pokud se jedná o zanořené větvení). U podmíněných bloků case je na obrazovce vždy zobrazena jen část true nebo false pro daný dotaz (části if a else v jiných programovacích jazycích). Programátor tedy nikdy na jedné obrazovce neuvidí celý kód, ale jen jeho poměrnou část, vždy záleží na množství použití podmíněných příkazů case Sledování čáry programované v LabView Díky omezením programovacího prostředí bylo nutné program navrhnout co nejjednodušeji. Také se v tomto případě nebude hovořit o použití jednotlivých metod, takové řešení programovací jazyk LabView nenabízí. Řešení realizované v prostředí LabView je celé uzavřeno do cyklu while, který skončí po stisknutí dotykového senzoru. Na začátku cyklu se testuje hodnota světelného senzoru, pokud je její hodnota menší než naměřená hodnota pro bílou barvu, jsou současně spuštěny oba motory pro jízdu vpřed, jak je vidět na obrázku 8.

31 Vlastní řešení 31 Obr. 8 Část programu v LabView 1 Při nesplnění vstupní podmínky (tedy že hodnota načítaná světelným senzorem je větší než hodnota bílého podkladu) vstupuje program do části false. Zde se nejdříve zastaví oba motory a poté se motor otočí o kousek doleva. Otáčka je nastavena vzhledem k tloušťce čáry a jednoduše se předpokládá, že jestli robot vyjel z čáry na pravou stranou, tímto manévrem jí opět dosáhne. Pokud v této chvíli světelný senzor tuto skutečnost potvrdí (dalším case příkazem se stejnou podmínkou jako na začátku programu), hlavní cyklus se opět posouvá na svůj začátek, protože ve větvi true nejsou žádné bloky k provedení. Ovšem za situace kdy při testování robot čáru nenaleznul se opravdu vstupuje do posledního case příkazu, jmenovitě do větve false. Zde je umístěn cyklus while, který protichůdně spouští oba motory do doby, než je opět nalezena čára. Celý sled bloků je znázorněn na obrázku 9.

32 Vlastní řešení 32 Obr. 9 Část programu v LabView 2 Celkové řešení problému vyhledávání a sledování čáry naprogramované v jazyce LabView je o poznání hloupější než ve zbylých dvou jazycích. Na zvoleném podkladu ovšem díky zjednodušení dosahoval robot rychlejší jízdy než v předešlých programech napsaných v Javě nebo v NXC, kdy odpadl buď prvek náhody, nebo vyhledávání na obě strany. Cenou za to je ovšem menší univerzálnost celého řešení. Dá se předpokládat, že při ostrých levotočivých zatáčkách by robot mohl čáru ztratit (při první otáčce by se neotočil dostatečně) a tím pádem by začal vyhledávat na druhou stranu a celý se otočil na špatnou stranu.

33 Diskuze 33 5 Diskuze Z vyzkoušených programovacích jazyků, potažmo vývojových prostředí nelze jednoznačně určit, že by byl jeden lepší pro vytváření ovládacích aplikací než jiný. Vždy závisí na konkrétním problému, který chce uživatel těchto prostředí řešit. 5.1 Diskuze nad programováním jednotky NXT v Javě Jako nejvhodnějším řešením pro psaní aplikací se na první pohled může zdát programovací jazyk Java. Kód lze psát v profesionálních prostředích, která jdou dále rozšířit o přímou podporu pro NXT. Také podpora při řešení vzniklých problémů je pravděpodobně nejrozsáhlejší ze všech uváděných možností. Neoficiální podpora je řešena uživatelskou komunitou, sdružující se na internetovém fóru (dostupné online na Stejně tak je pro nové uživatele připravena řada tutoriálů, které pokrývají jak propojení vývojových prostředí s instalací lejos (tutoriály pro Eclipse a Netbeans), tak i programování přímo z příkazové řádky. Dále jsou k dispozici návody na použití funkcí k ovládání hardwaru robota. Obecně platí, že to co člověk nenalezne v tutoriálech, se dozví na výše uvedeném fóru. Nutností je aktivní znalost angličtiny. Co hovoří proti použití lejos je nutnost přepsání původního Lego firmwaru a s tím spojená ztráta záruky. Dalším problémem spojeným se změnou firmwaru je omezený počet těchto přepsání (na se ovšem uvádí tento počet v řádech tisíců, takže běžný uživatel by s tím neměl mít žádný problém). Samotné spojení lejos s programovacím prostředím je poměrně nepříliš uživatelsky přívětivé a oproti ostatním možnostem zabere nepoměrně více času. Naprogramované sledování čáry v jazyce Java se může pyšnit asi nejspolehlivějším vyhledáváním ztracené čáry. V každém kroku programu se kontroluje hodnota načítaná světelným senzorem a neustále se vyhledává. Není zde použit prvek náhodného chování. Autorovi se nepodařilo spojit funkce nabízené standardní Javou pro výpočet náhodného čísla s možnostmi NXT kostky. Díky neustálému vyhledávání je pohyb robota pomalejší než v ostatních případech. Také překlad programu trvá déle než u konkurence. 5.2 Diskuze nad programováním jednotky NXT v jazyku C Použití programovacího jazyka (NX)C se může zdát jako ideální volba. Jedná se o vyšší programovací jazyk se vším co k tomu patří. Instalace vývojového prostředí BrixCC je o mnoho jednodušší než je tomu u instalace prostředí pro psaní aplikací v Javě. Spojení počítače s kostkou je také snazší a navíc není potřeba přepisovat firmware kostky a tím zasahovat do jejího hardwarového řízení. Podpora, kterou lze nalézt pro jazyk NXC je mnohem menší než pro lejos. Jedná se o tutoriál základního ovládaní a řídících prvků jazyka NXC (dostupný

34 Diskuze 34 online na Žádné rozsáhlé fórum aktivních uživatelů není na internetu k nalezení. Také je nutné přihlédnout pro jakou verzi firmwaru kostky jsou aplikace vytvářeny, protože mezi verzemi jsou určité rozdíly (např. v rozsahu hodnot snímaných světelným senzorem). Sledování čáry napsané v jazyce NXT již do chování robota přináší prvek náhody. Zde nebyla generace náhodného čísla žádným problémem. Z části tak může občas odpadnout nutnost hledání čáry, protože se na ni robot sám náhodně posune. Pokud se tak nestane, spustí se vyhledávání. Rychlost pohybu robota byla ovšem v průměru srovnatelná s rychlostí pohybu robota naprogramovaného v Javě. Doba kompilace byla nepatrně kratší. 5.3 Diskuze nad programováním jednotky NXT v LabView Pokud se uživatel rozhodne pro programování jednotky NXT využít program LabView, čeká na něj několik nutných kroků. Prvním z nich je zakoupení programu (oproti předchozím dvěma možnostem, které jsou zdarma), dalším krokem je registrace na stránkách NI (National Instruments), díky čemuž si dále může stáhnout NXT toolkit potřebný pro spojení programu LabView s kostkou. Poslední věcí, kterou musí uživatel LabView vykonat aby mohl začít vytvářet programy pro NXT je aktualizovat firmware minimálně na verzi 1.26, na nižší verzi nepůjdou programy v kostce spustit (toto tvrzení platí pro verzi LabView 8.6.1). Co se týká podpory pro LabView při programování NXT je pro uživatele připraven dostatek profesionálních dokumentů přímo na stránkách firmy NI (dostupné z Pro seznámení s NXT toolkitem je také připraven video průvodce, který demonstruje použití základních funkcí na zhruba desítce cvičných programů, které jsou součástí tohoto toolkitu. Řešení úlohy sledování čáry vytvořené v LabView se oproti ostatním možnostem liší. Co se týká univerzálnosti, je to nejhorší řešení. Ovšem rychlost pohybu robota byla ze všech možností nejlepší. Je to dáno podobou algoritmu, který je použit. Ten musel být kvůli omezení jazyka co nejjednodušší. Při větvení programu totiž dochází k jeho znepřehledňování. Několik do sebe vnořených podmínkových příkazů (což u vyšších programovacích jazyků není žádný problém) by vedlo k velmi těžko čitelnému kódu. Z tohoto důvodu je program zjednodušen tak, aby byl funkční. Děje se tak ovšem na úkor jeho univerzálnosti co se tvaru sledované čáry týče. Díky neustálé kontrole vytvářeného programu se do kostky kompiluje a nahrává kód bez syntaktických chyb. Překlad je tedy velmi rychlý. 5.4 Závěrečné srovnání Na výše popsaných poznatcích se dá formulovat doporučení pro výběr vhodného programovacího prostředku k vytváření aplikací pro robota NXT. Ovšem jak již