LEGO MINDSTORMS Education EV3 — полный обзор образовательного конструктора

Что такое LEGO Mindstorms?

LEGO Mindstorms – робототехнический конструктор для ребят в возрасте от 10 лет. В качестве строительных блоков для робота используются детали LEGO Technic – многие ребята уже знакомы с ними по конструкторам «Технология и физика», «Пневматика», «Возобновляемые источники энергии». Но построить каркас робота недостаточно: надо «научить» его получать информацию из окружающей среды и реагировать на нее.

Для этого используются специальные устройства — сенсоры: они позволяют определять цвет, освещенность, расстояние до ближайших предметов и многое другое. Реагировать на «раздражители» робот может с помощью моторов — либо уехать куда-нибудь, либо что-нибудь сделать — например, укусить обидчика за палец. А «мозгом» робота является программируемый блок, к которому подключаются все моторы и датчики.

Состав набора LEGO Mindstorms EV3

1 программируемый блок EV3 — центральный элемент системы.

• 2 больших мотора
• 1 средний мотор

• 2 датчика касания
• 1 датчик цвета
• 1 ультразвуковой датчик расстояния
• 1 гироскоп

• Аккумуляторная батарея для робота
• 528 деталей LEGO Technic

Сравнение EV3 и предыдущей версии NXT

Рассмотрим, что же изменилось в EV3 по сравнению со старой версией NXT.

В наборе будет 3 мотора, но один из них будет отличаться как по размерам, так и по техническим характеристикам.

Датчик звука был заменен на гироскоп. Остальные типы датчиков остались прежними.

Еще одной особенностью является авто-определение датчиков и моторов при их подключении к блоку — о данной особенности я расскажу в разделе, описывающем новую среду программирования EV3.

Характеристики датчиков и моторов представлены ниже.

Датчик касания EV3 очень похож на датчик предыдущей версии. Он определяет, когда кнопка нажата или отпущена, также он может подсчитывать одиночные или многократные нажатия.

Датчик цвета EV3 различает 7 цветов и может определить отсутствие цвета. Как и в прошлой версии, он может работать как датчик освещенности.

• Измеряет отраженный красный свет и окружающее освещение
• Способен определять различия между белым и черным или цветами: синим, зеленым, желтым, красным, белым и коричневым
• Частота работы: 1 кГц

Гироскопический датчик EV3 измеряет вращательное движение робота и изменение его положения.

• Может использоваться для определения текущего направления вращения
• Точность: +/- 3 градуса на 90 градусов оборота (в режиме измерения наклона)
• Частота работы: 1 кГц

К основной функции ультразвукового датчика EV3 добавилась еще одна — он также может "слушать" ультразвуковые колебания, испускаемые другими датчиками ультразвука.

• Может измерять расстояние в диапазоне 3 - 250 см
• Точность измерений: +/- 1 см
• Дискретность результата: 0.1 см
• Может быть использован для поиска других активных ультразвуковых датчиков (режим прослушивания)
• Красная LED подсветка вокруг "глаз"

Большой сервомотор EV3 очень похож на предыдущую версию мотора NXT, однако корпус мотора стал чуть больше (виртуально занимает 14×7×5 отверстий против 14×6×5). Также были изменены места крепления и тип мотора.

• Максимальные обороты: 160–170 об/мин
• Заданный крутящий момент - 12 Н/см
• Реальный крутящий момент - 8 Н/см
• Встроенный датчик угла поворота (энкодер) мотора с точностью 1 градус

Средний мотор

Средний сервомотор EV3 основан на Power Function моторе аналогичного размера. Дополнительное место потребовали только датчик угла поворота и порт для подключения. Этот мотор отлично подойдет для работы под низкими нагрузками и высокими скоростями.

• Максимальные обороты - 240- 250 об/мин.
• Заданный крутящий момент - 12 Н/см
• Реальный крутящий момент - 8 Н/см.
• Встроенный датчик угла поворота (энкодер) мотора с точностью 1 градус

NXT датчики, моторы и кабели совместимы с EV3, таким образом все ранее построенные роботы могут управляться новым блоком.

Программируемый блок EV3

Серьезные изменения произошли и с микрокомпьютером EV3. По сравнению с NXT, EV3 блок имеет более быстрый процессор, больше памяти. Прошивка блока EV3 базируется на свободно распространяемой ОС Linux, что дает возможность создавать свои прошивки для блока. Подключить робота к компьютеру теперь возможно не только через USB и Bluetooth, но и по Wi-Fi. Между собой роботы также могут «общаться» по USB, Bluetooth и Wi-Fi.

Программирование с EV3

С EV3 в комплекте поставляется новая графическая среда разработки на базе LabView, похожая на NXT-G. Работать она будет, как и NXT-G, на ОС Windows и Mac.

Среда разработки EV3 была значительно улучшена. Теперь все материалы для робота: программы для робота, документацию, результаты экспериментов, фото и видео - можно хранить в проекте. Был также добавлен инструмент zoom, который позволяет масштабировать программу, чтобы, например, увидеть всю программу целиком. Стоит отметить, что NXT блок можно программировать с помощью новой среды EV3, однако старый блок поддерживает не все особенности нового языка программирования.

Перечислим основные нововведения среды программирования EV3:

• Тесная интеграция среды программирования с блоком:
• Добавлена специальная страница с подключенным оборудованием. Она позволяет отслеживать статус EV3 блока и получать значения с датчиков в реальном времени.
• Датчики и моторы распознаются при подключении автоматически, благодаря функции auto-id. Это позволяет не указывать, что к такому-то порту подключен такой-то датчик или мотор.
• Новый режим отладки:
• В процессе работы программы подсвечивается выполняемый блок. Это позволяет точно понимать поведение программы.
• На программном блоке загорается специальный символ, если к данному порту подключен другой датчик или мотор.
• Добавлена возможность просматривать значения, передаваемые через каналы данных (data wires).
• Новые возможности программных блоков:
• Сцепление блоков друг с другом позволило отказаться от "балки исполнения", на которой располагались блоки в среде NXT-G.
• У блоков нет такого понятия, как панель настройки, - поведение теперь настраивается непосредственно на блоке, что привело к увеличению их размера. Программу теперь намного легче читать – сразу видно как настроены датчики и моторы.
• Появились блоки "ждать изменения", которые позволяют реагировать на факт изменения значения, а не на изменение до определенного значения как в NXT-G.
• Добавлена возможность работы с массивами.
• Стал возможен досрочный выход из цикла.
• Улучшения в передачи данных от блока к блоку позволяют упростить преобразование типов (теперь не нужно вручную преобразовывать, например, число в строку).
  

Кроме нового языка программирования появились программы под Android и iPhone\iPad для управления роботом. Также на базе программы Autodesk Invertor Publisher создана программа для создания и просмотра пошаговых 3D инструкций. В этой программе можно масштабировать и вращать модель на каждом этапе сборки, что позволяет строить более сложных роботов по инструкциям.

Базовые модели роботов

Классическая задача по сортировке предметов (в данном случае - Lego деталей) по цвету.

Робот-сигвей, использующий гироскоп для балансировки.

Робот-собачка, которую можно гладить, кормить. Спать и справлять нужду она также умеет :) Напоминает тамагочи.

Позволяет перемещать предметы. Для EV3 набора был подготовлен ресурсный набор LEGO MINDSTORMS Education EV3, позволяющий собирать другие модели, используя новые детали.

Практическое применение EV3 в образовании

LEGO Mindstorms EV3 активно используется в школьных уроках, кружках и проектах по робототехнике.

Учащиеся могут разрабатывать проекты, решая задачи с помощью роботов EV3.

Роботы LEGO Mindstorms активно участвуют в международных соревнованиях по робототехнике.

Заключение и рекомендации

LEGO MINDSTORMS Education EV3 — это мощный образовательный инструмент, объединяющий робототехнику, программирование и техническое творчество. Благодаря обновлённому аппаратному обеспечению, гибкой программной среде и широким возможностям для сборки моделей, EV3 отлично подходит как для школьных уроков, так и для проектной деятельности и соревнований. Набор остаётся актуальным даже на фоне появления новых решений вроде LEGO Spike Prime и может стать отличной базой для обучения в стиле STEM.