ROBOTICKÉ STAVEBNICE

Transkript

1 ROBOTICKÉ STAVEBNICE

2 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky A3 ROBOTICKÉ STAVEBNICE RNDr. Ja Preclík, Ph.D

3 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky OBSAH Robotické stavebice a jejich využití ve výuce Lego Midstorms a Merkur Lego Midstorms Kde soutěžit? Robosoutěž ČVUT Robotický de MFF UK First Lego League Robotiáda RoboRave Motorola Diversity RobotChallege Jde to i bez soutěží Jak stavět? Spojováí kostiček NXT kostka základ stavebice Motor (servo motor) Dotykový sezor (touch) Ultrazvukový sezor (ultrasoic) Světelý sezor (light) Zvukový sezor (soud) Další sezory Jak programovat? Grafické programováí v EV Hlaví oko EV Ovládáí kostky Výpis a displej (Display) Čekáí (Wait) Zvuk (Soud) Motor (Large Motor) Pohyb (Move Steerig) Port View Cyklus (Loop) Dotykový sezor (Touch) Ultrazvukový sezor (Ultrasoic) Světelý sezor (Light) Paralelismus Sledováí čáry (Lie Follower) Programováí v NXC Prví program Motory = pohyb Zastaveí motorů Wait Motory = zatáčeí Motory další příkazy Sezory Čekáí a hodotu sezoru Řídící struktury podmíky Řídící struktury cykly Paralelí úlohy Cvičeí 09 cik-cak jízda po čáře Použité zdroje

4 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Robotické stavebice a jejich využití ve výuce Kde všude se dá stavebice využít ź předmět iformatika (RVP/ŠVP oblast algoritmizace) ź robotický kroužek ź volitelý předmět ź studetské projekty ź projektové dy/týdy Proč soutěžit? ź Ukázat, že ěco umím ź Porovat své schoposti s ostatími ź Zjistit, jak to dělají jide ź Naučit se prezetovat ź Týmová spolupráce ź Motivace pro další práci ź Zábava, hra, S čím soutěžit? ź stavebice Lego Midstorms (NXT ebo EV3) ź stavebice Merkur obrázek převzat z [4] obrázek převzat z [3] - 3 -

5 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Lego Midstorms a Merkur Lego Midstorms źřídící kostka źmotory źsezory (světelý, zvukový, dotykový, ultrazvukový, barevý, gyroskopický, GPS, ) źrůzé možosti programováí J sadá kostrukce, vhodé i pro začátečíky J jedoduché programováí ikoy, C, Java, Pytho J velké možství sezorů J možství ávodů, metodik J blbuvzdoré provedeí L omezeý počet vstupů a výstupů L origiálí sezory jsou drahé L meší mechaická odolost Merkur źosazeá řídící deska s procesorem źzákladem je procesor Atmel ebo PICAXE, resp. populárí platforma Arduio źmotory źsvětelá čidla, další průmyslově používaá čidla česká firma, má zájem J dostat se do škol L spíše pro zkušeější hůře se programuje možo použít stadardí J průmyslové sezory L méě ávodů, metodik, ukázek L eí tolik blbuvzdorá J možo libovolě rozšiřovat kvalitější mechaické J provedeí - 4 -

6 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Lego Midstorms Historie ź1988: počátky a MIT prví programovatelá kostka ź1998: RCX ź2006: NXT ź2009: NXT 2.0 ź2013: EV2 verze NXT ź3 stejé motory ź4 sezory (světelý, dotykový, ultrazvukový, zvukový) źa řídící kostce je Bluetooth modul + USB ź32bit 48MHz procesor + 64kB paměti RAM ź256kb flash paměti źdisplej 100 x 64 pixelů obrázek převzat z [3] verze EV3 obrázek převzat z [3] ź3 motory (2 stejé, jede rychlejší) ź4 sezory (světelý, dotykový, ultrazvukový, akcelerometr), lze využít sezory z NXT źa řídící kostce je Bluetooth modul + USB ź300mhz procesor + 64MB paměti RAM ź16mb flash paměti + volitelě SD karta źdisplej 178 x 128 pixelů - 5 -

7 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Kde soutěžit? Robosoutěž ČVUT Pořádá FEL ČVUT Praha, podzim (říje listopad), pro SŠ Každý rok jiý úkol růzorodé ź balacováí s míčkem ź překoáí řeky ź sbíráí míčků ź prohledáváí bludiště Pouze roboti ze stavebice Lego Midstorms ź zapůjčeí stavebic J Středoškolského kola se v roce 2014 zúčastilo cca 80 týmů z celé republiky ź atraktiví cey ź adstadardí občerstveí J Vítězové SŠ kola postupují do VŠ fiále, kde změří své síly proti vysokoškolákům ź vítězové SŠ kol jsou přijati a ČVUT J Robotický de MFF UK Pořádá MFF UK Praha, červe, bez rozdílu věku Růzé soutěží disciplíy ź Bear Rescue (záchraa medvěda z bludiště) ź Ketchup House (sbíráí plechovek) ź Lie Follower ź Mii Sumo ź Art, Robots & Etertaimet (otevřeá soutěž uměí/robotika/zábava) ź RoboCarts (závody) Rok robotů a 235 účastíků z 5 zemí Kostrukce robota eí omezea ź ale je vždy speciálí podkategorie stavebice

8 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky First Lego League Meziárodí robotická soutěž, týmy ve věku let, 3 až 10 čleů Jedoté téma, každý rok jié ź Nature's Fury ź Seior Solutios 4 soutěží disciplíy: ź Robot Game ź Výzkumý úkol ź Desig robota ź Týmová spolupráce Robotiáda Bro, prosiec a březe, pro 2. stupeň ZŠ Roboti ze stavebice Lego Midstorms Kategorie ź sledováí čáry ź záchraa medvěda (dálkově řízeá) ź robopřehlídka (+ prostor pro prezetaci týmu, školy ) obrázky převzaty z [9] RoboRave Meziárodí soutěž, 9 18 let, fiále v květu v Albuquerque, New Mexico árodí kolo v březu v Pardubicích V ČR kategorie ź hašeí ohě ź doprava míčků obrázek převzat z [10] - 7 -

9 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Motorola Diversity Pro smíšeé týmy (mi 50% dívek) Soutěž mii-sumo robotů ź předchází jí ávrh algoritmu a jeho testováí ve virtuálím prostředí, poté vybraé týmy dostaou soutěží HW ź součástí je video prezetace týmu a stavby robota obrázky převzaty z [11] RobotChallege Největší evropská soutěž robotů ź v roce 574 robotů ze 46 zemí (Kaada, Katar, Taiwa, Mexiko, ) kocem březa ve Vídi 15 růzých kategorií Jde to i bez soutěží projektové dy ź spojeí apříč předměty (výtvará výchova, divadlo ) přehlídka robotů - 8 -

10 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Jak stavět? Verze stavebic NXT a EV3 se po HW stráce liší źverze EV3 může používat motory i sezory z NXT źaopak je to problém (motory z EV3 fugují s NXT, sezory e) źnxt kostku je možo programovat softwarem pro EV3 Dále bude vše uváděo pro verzi NXT. Spojováí kostiček kostičky jako v LEGO źmeší pevost, lze využít díly z jiých stavebic spojováí pomocí čepů źpevější źmodré, čeré, červeé pevé spojeí ź bílé pohyblivé spojeí Stavět lze i virtuálě pomocí Lego Digital Desiger (

11 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky NXT kostka základ stavebice ˇ řídící jedotka připojeí k PC přes USB ebo Bluetooth dostupý i WiFi modul, lze ovládat přes chytrý telefo Kostka je schopa vyhodocovat údaje, které jsou dodáváy a vstupí porty růzými sezory a podle ich řídit akce. do jisté míry otevřeé řešeí lze ahrát jiý firmware a tím změit fukčost (lejos, xtosek, ) programovat lze v źnxt-g (grafické prostředí, komerčí) źnxt-g EV3 (grafické prostředí, Home verze volě) źrobotc (C, komerčí) źnxc (Not Exactly C, OpeSource) źnxj (Java, OpeSource) ź Defaultí zapojeí sezorů a motorů 4 vstupí porty (1, 2, 3, 4) ź 1 dotykový (touch) sezor ź 2 zvukový (soud) sezor ź3 světelý (light), barevý sezor ź 4 ultrazvukový (ultrasoic) sezor 3 výstupí porty (A, B, C) źb, C motory pro pohyb źa motor pro speciálí fukce, žárovička propojováí pomocí kabelů s koektory RJ12 (telefoí koektor) Motor (servo motor) volitelé úrově výkou (rychlosti otáčeí) źsižuje se výko vestavěý rotačí sezor přesost ±1 źpodobý jako u kolečka myši źvhodý pro přesé řízeí (ruka robota ) ochraa motoru proti přetížeí Dotykový sezor (touch) detekce stisku/uvolěí použití źtlačítko pro zaputí/vyputí źárazík źastavováí hodot opakovaým stiskem

12 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Ultrazvukový sezor (ultrasoic) měří cca cm s přesostí ± 3 cm vyžaduje kvalití odraz źpricip podobý orietaci etopýra v prostoru, ozvěa źideálí pro detekci velkých předmětů, pěové materiály a zaobleé předměty působí problémy použití źoči robota (vyhýbáí se překážkám robotický vysavač) źměřeí vzdáleosti źhledáí protivíka robo sumo Světelý sezor (light) rozlišuje světlo/tmu resp. měří itezitu světla (LED vyputa) měří itezitu odražeého světla v procetech (LED zaputa) použití źsledováí čáry a kotrastím podkladě (čerá lepicí páska ) źudržeí robota v kruhu (ohraičeo čárou) Zvukový sezor (soud) mikrofo měří itezitu zvuku v db ebo procetuálí vyjádřeí hlasitosti (dba) ź4-5 % ticho ź5-10 % vzdáleý hovor ź10-30 % hovor v blízkosti sezoru ź % hlasitá hudba Další sezory gyroskopický sezor źjedoosý gyroskopický sezor, hodota reprezetující rotaci vyjádřeou v počtu stupňů za sekudu źpoužití udržeí míčku a plošiě barevý světelý sezor źastave tak, aby rozpozával hlavě barvy použité u dílků stavebic, vrací čísla barev 0 17 źpoužití třídička letilek skládáí Rubikovy kostky

13 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Jak programovat? V grafickém prostředí pro začátečíky źnxt-g verze 2 pro verzi NXT, komerčí źev3 Home Editio pro NXT i EV3, volé Klasickým programovacím jazykem źzápis příkazů v textové podobě źbricx Commad Ceter, Ope Source NXC ź Robot C, komerčí C źjava + vývojové prostředí Eclipse, Netbeas Grafické programováí v EV3 Založeo a průmyslovém prostředí LabView Použitelé pro EV3 i NXT źv případě připojeí kostky NXT ebudou ěkteré volby dostupé źfukcioalita kostky NXT se erozšíří! źěkteré věci bohužel efugují, ale dá se to vyřešit Hlaví oko EV3 Ovládáí kostky or pst ±

14 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Výpis a displej (Display) Obrázky připravey pro EV3 mají pro NXT příliš velké rozlišeí źuto upravit jejich pozici a displeji Po zobrazeí je uto počkat, jiak program skočí a ic euvidíme Čekáí (Wait) Čekat lze a růzé hodot sezorů ebo po zadaý čas Zvuk (Soud) Motor (Large Motor) Akce Off = motor bude zastave źo způsobu zastaveí rozhoduje Brake/Coast. O = motor bude zaput a poběží tak dlouho, až ho jiá kostička vype źprogram mezitím poběží dál! O for Secods = motor poběží uvedeý čas źna této kostičce se čeká, až běh motoru bude ukoče! O for Degrees = motor se otočí o zadaý počet stupňů O for Rotatios = motor se otočí o zadaý počet otáček

15 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Pohyb (Move Steerig) Kostička ovládá dva motory a umožňuje jejich současý pohyb a zatáčeí změou poměru jejich otáček źituitivější ovládáí Podobou fukci má i kostička Move Tak, kde lze přímo astavit síly pro jedotlivé motory. źtoto ovládáí může být ěkdy přesější Port View Na kartě Port View můžeme velice sado odečítat hodoty ze vstupů i výstupů. źnapříklad úhel otočeí motoru ebo úroveň světla símaého světelým sezorem. źvhodé pro laděí. Cyklus (Loop) Opakováí źpředem zadaý počet opakováí źpo zadaý čas źdokud ebude zvoleá hodota sezoru Dotykový sezor (Touch) tlačítko Lze použít v cyklu, čekáí a podmíce Lze testovat źuvolěí (Released) źstiskutí (Pressed) źstiskutí a uvolěí (Bumped)

16 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Ultrazvukový sezor (Ultrasoic) Bohužel sezor z NXT eí přímo v EV3 Home Editio podporová L musíme si kostičku pro ěj doistalovat ručě źtools/block import, soubor Ultrasoic.ev3b źpoté se příslušá kostička objeví mezi sezory a lze ji používat v podmíkách, čekáí a cyklech. Příklad použití: Robot jede dopředu, jakmile se přiblíží k překážce, couve, pootočí se a zase pojede dopředu. Světelý sezor (Light) Problém! Software EV3 emá podporu pro Světelý sezor z NXT. źpouze pro Color Sesor z EV3 L Musíme to obejít tak, že importujeme další kostičku pro Zvukový sezor z NXT a te můžeme použít místo sezoru světelého. źtools/block import, soubor Soud.ev3b źpoté se příslušá kostička objeví mezi sezory a lze ji používat v podmíkách, čekáí a cyklech Pro práci se světelým sezorem tedy budeme používat kostičku NXT Soud Sesor. źje to ešikové, ale fukčí. źhodota db udává hodotu odražeého světla (Reflected Light) źhodota dba udává hodotu okolího světla (Ambiet Light) Příklad použití: Robot se saží udržet a bílém papíře, jakmile uvidí čerou čáru, leke se (zvuk?), couve, pootočí se a vyrazí jiým směrem. Robot se vype stiskem tlačítka

17 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Paralelismus Více úloh může běžet zároveň źv jedom vláku apříklad ovládáí motorů źa ve druhém hraje ějakou melodii Sledováí čáry (Lie Follower) Autoomí robot má projet co ejrychleji celou dráhu tak, že bude sledovat čerou čáru. Závodí se a čas, resp. ve dvojicích každý s každým. Pokud robot opustí čerou čáru, rozhoduje ujetá vzdáleost od počátku. źumístí se až za všemi, kteří dojeli do cíle źmůže čáru zovu ajít a avázat (pokud to zvláde) cik-cak algoritmus (zig-zag) źzatáčej doleva, dokud vidíš čerou (čáru) źaž uvidíš bílou (tj. opustíš čáru), zastav źzatáčej doprava, dokud vidíš bílou (tj. dokud jsi mimo čáru) źaž uvidíš čerou (čáru), zastav źopakuj od začátku jedoduchý stačí jede světelý sezor robot stále zatáčí ź eefektiví źáročé a motory źáročé a zdroje emá rád ostré zatáčky Problémy a ápady źsvětelý sezor esmí být příliš blízko země źpotom efuguje odraz světla od diody źreaguje i a zvlěý papír źideálí vzdáleost 0,5 až 1,5 cm źkolečka a papíře prokluzují źvybrat jiá? źzpomalit? źpásy? źdva sezory

18 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Programováí v NXC Bricx Commad Ceter źope Source, źjazyk NXC = Not exactly C Připojeí kostky Prví program program se skládá z úloh (task), hlaví úloha task mai() je spouštěa automaticky překlad programu (kompilace) F5 ahráí programu do kostky F6 ahráí a spuštěí Ctrl+F5 Motory = pohyb OFwd(OUT_BC, 100) příkaz pro otáčeí motoru ź OFwd (port(y), síla motoru) ź OUT_A(B,C), OUT_AB(AC,BC), OUT_ABC źsíla motoru se udává v procetech maximálího výkou, tj. 100 až 100 ORev(OUT_B, 75) otáčeí motoru a druhou strau ź ORev(OUT_B,75) = OFwd(OUT_B,-75) Zastaveí motorů Off(OUT_BC) zastaveí motorů (s brzdou) ź Off(OUT_BC) = OFwd(OUT_BC, 0) task mai() { TextOut(0, 0, "Ahoj!", 0); Wait(1000); } Float(OUT_BC) ěžé zastaveí motorů (dojezd) Wait Wait(2000) pozastaví běh programu ź Wait(počet milisekud) źezastaví pohyb robota!, ale a tomto místě programu se čeká, až uplye zadaý čas Příklad dopředu a dozadu task mai() { OFwd(OUT_BC, 100); Wait(2000); ORev(OUT_BC, 100); Wait(2000); } Motory = zatáčeí OFwdSyc(OUT_BC, 100, 50) síla rotace jedotlivých motorů ź OFwdSyc(OUT_BC, 100, 50) = OFwd(OUT_B,100); OFwd(OUT_C,50)

19 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Motory další příkazy RotateMotor(výstup, síla, úhel) RotateMotorEx(výstup, síla, úhel, zatáčeí, sychroizace, brzda) źzatáčeí ( 100, 100) poměr otáček jedotlivých motorů, 0 = jízda rově, 50 = jede motor stojí, druhý se točí, 100 = motory se točí proti sobě źsychroizace (true, false) sychroizovat otáčky motorů pro přesější pohyb ź brzda (true, false) Sezory SetSesorNázev(port) astaveí (iicializace) sezorů ź IN_1(2, 3, 4) Sesor(port) fukce, vrací hodotu ze sezoru a daém portu SENSOR_port proměé s hodotami ze sezorů Pozor pro Ultrasoic je trošku jié astaveí ź SetSesorTouch(IN_1) Sesor(IN_1) SENSOR_1 ź SetSesorSoud(IN_2) Sesor(IN_2) SENSOR_2 ź SetSesorLight(IN_3) Sesor(IN_3) SENSOR_3 ź SetSesorLowspeed(IN_4) SesorUS(IN_4) Čekáí a hodotu sezoru util(sensor_1 == 1) a tomto místě programu se bude čekat tak dlouho, dokud ebude podmíka splěa źjakmile bude podmíka splěa, běh programu pokračuje dalším příkazem. Příklad dotykový sezor task mai() { SetSesorTouch(IN_1);//astaveí dotykového sezoru OFwd(OUT_BC, 75); //pohyb dokud eí sezor stiskutý util(sensor_1 == 1); Off(OUT_BC); //zastaveí pohybu } Řídící struktury podmíky porováí: <, >, <=, >=, ==,!= ź if (podmíka) {příkazy} ź if (podmíka) {příkazy} else {příkazy}

20 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Řídící struktury cykly while (podmíka) {příkazy} for (iicializace, podmíka, ikremetace) {příkazy} repeat(počet) {příkazy} Příklad jízda do čtverce task mai() repeat(4) // opakuj 4krát { OFwd(OUT_BC,100); // jízda vpřed Wait(1000); Off(OUT_C); OFwd(OUT_B,75); // otočeí, Wait(800); // hodotu uto vyzkoušet } Paralelí úlohy Precedes (úloha_1, úloha_2, ) paralelí běh ěkolika úloh start jméo_úlohy spustí daou úlohu stop jméo_úlohy ukočí běh daé úlohy Příklad robot jede a bliká task svetlo() // blikající žárovka a portu A { repeat(5) { OFwd(OUT_A, 75); // rozsvítím žárovku Wait(1000); Off(OUT_A); // zhasu žárovku Wait(1000); } } task jizda() //jízda vpřed { OFwd(OUT_BC, 75); Wait(13000); } task mai() //spuštěí obou úloh paralelě { Precedes(svetlo,jizda); } Cvičeí 09 cik-cak jízda po čáře task mai() { SetSesorLight(IN_3, true); //astaveí světelého sezoru } while(true) { if (SENSOR_3 > 50) { // vidím bílou OFwd(OUT_B, 0); OFwd(OUT_C, 40); } else { // vidím čerou OFwd(OUT_B, 40); OFwd(OUT_C, 0); } } // a port 3 // ekoečý cyklus

21 Vzděláváí a podpora pedagogických pracovíků ZŠ a SŠ při itegraci ICT do výuky Použité zdroje [1] REFSDAL, Eirik. Golf bot. I: Wikipedia: the free ecyclopedia [olie]. Sa Fracisco (CA): Wikimedia Foudatio, [cit ]. Dostupé z: Lego_Midstorms_NXT#mediaviewer/File:Lego_Midstorms_Nxt-FLL.jpg. Licece CC BY 2.0. [2] Lego NXT i a commo cofiguratio. I: Wikipedia: the free ecyclopedia [olie]. Sa Fracisco (CA): Wikimedia Foudatio, [cit ]. Dostupé z: Licece PD. [3] EDUXE S.R.O. stráky společosti. [olie]. [cit ]. Dostupé z: [4] MERKUR TOYS s.r.o. stráky společosti. [olie]. [cit ]. Dostupé z: [5] Lego Midstorms RCX. I: Wikipedia: the free ecyclopedia [olie]. Sa Fracisco (CA): Wikimedia Foudatio, [cit ]. Dostupé z: Licece CC BY-SA 3.0. [6] Midstorms NXT. I: Wikipedia: the free ecyclopedia [olie]. Sa Fracisco (CA): Wikimedia Foudatio, [cit ]. Dostupé z: Licece CC BY-SA 3.0. [7] Lego midstorms ev3. I: Wikipedia: the free ecyclopedia [olie]. Sa Fracisco (CA): Wikimedia Foudatio, [cit ]. Dostupé z: File:Lego-midstorms-ev3.jpg?uselag=cs. Licece CC BY-SA 3.0. [8] ČVUT - KATEDRA ŘÍDICÍ TECHNIKY. Robosoutěž [olie]. [cit ]. Dostupé z: [9] Robotiáda [olie]. [cit ]. Dostupé z: [10] Gymázium, Pardubice. [olie]. [cit ]. Dostupé z: [11] Motorola Diversity. [olie]. [cit ]. Dostupé z: [12] RoboParade 2013 at Macomb Commuity College. [olie]. [cit ]. Dostupé z: [13] LEGO.COM. Uživatelská příručka EV3 Software [olie]. [cit ]. Dostupé z: [14] BENEDETTELLI, Daiele. Programovaie robotov LEGO NXT pomocou NXC [olie]. [cit ]. Dostupé z: [15] NXC Documetatio [olie]. [cit ]. Dostupé z: [16] MOC, Iva. LEGO Midstorms ávrh a realizace úloh, ávod pro programováí v NXC. Dostupé z: Bakalářská práce. ČVUT Praha

22 A1 A2 A3 VZDĚLÁVÁNÍ ŘEDITELŮ MENTORING METODIK ICT VE ŠKOLE B1 B2 B3 CO UŽ MÁME CO CHCEME OBOROVÉ DIDAKTIKY