А филиппов Робототехника для детей и родителей Под редакцией д ра техн наук, проф а л фрадкова Издание 3- е, дополненное и исправленное Санкт Петербург наука 2013
 Скачать 6.61 Mb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
| РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт проблем машиноведения Серия « Шаги в кибернетику » С А Филиппов Робототехника для детей и родителей Под редакцией д - ра техн наук , проф А Л Фрадкова Издание 3- е , дополненное и исправленное Санкт - Петербург « НАУКА » 2013 УДК 621.86/.87 ББК 32.816 Ф53 Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2013. 319 с. ISBN 978-5-02-038-200-8 Уже много лет мы читаем в книгах и газетах, слышим по радио и из телеви- зора, что скоро нас будут окружать умные, добрые и интересные роботы. Однако в реальной жизни роботов все нет и нет. Лишь несколько лет назад знаменитая дат- ская компания Lego сделала роскошный подарок любителям мехатроники, роботов и других кибернетических игр и игрушек: выпустила робототехнический конст- руктор Lego Mindstorms NXT, который с успехом используется как дома, так и в учебе. Эта книга одна из первых на русском языке поможет не только самому стро- ить и программировать разнообразных роботов из Lego, но и научить этому дру- гих школьников, студентов. В ней рассматриваются основы конструирования, программирования на языках NXT-G, Robolab и RobotC, а также элементы теории автоматического управления. В третьем издании добавлены описания усовершенствованых конструкций роботов, а также рассмотрены новые задачи: прохождение лабиринта, роботы- манипуляторы, инверсная линия и др. По-прежнему большое внимание уделено алгоритмам управления: от П- и ПД-регулятора для движения по линии до ПИД- регулятора для балансирующего робота-сигвея. Предназначена для преподавателей кружков робототехники школ и вузов, для широкого круга читателей. Р еце нз ент д-р техн. наук, проф. Б. Р. Андриевский ISBN 978-5-02-038-200-8 © С.А. Филиппов, 2013 © Издательство «Наука», 2013 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие..............................................................................................................8 Предисловие автора к третьему изданию............................................................10 Глава 1. Знакомство с конструктором ................................................................11 Введение...............................................................................................................11 Как он может попасть к Вам в руки.....................................................................12 Наборы для школы и дома ...................................................................................14 Основной состав набора: что мы купили? ...........................................................15 Электроника ................................................................................................................15 Детали для конструирования .....................................................................................18 Что потребуется еще? .................................................................................................18 Обзор дополнительных возможностей ................................................................19 Программное обеспечение...................................................................................20 Зарубежные разработки..............................................................................................20 Отечественные разработки.........................................................................................23 Глава 2. Конструирование....................................................................................24 Способы крепления деталей ................................................................................24 Различия принципов конструирования RIS и NXT..................................................24 Первая игра: фантастическое животное....................................................................25 Высокая башня ............................................................................................................26 Механический манипулятор ......................................................................................26 Механическая передача .......................................................................................28 Передаточное отношение ...........................................................................................29 Волчок..........................................................................................................................33 Редуктор.......................................................................................................................36 Глава 3. Первые модели........................................................................................38 Моторы вперед!....................................................................................................38 NXT Program................................................................................................................38 NXT-G ..........................................................................................................................39 Robolab 2.9...................................................................................................................40 RobotC ..........................................................................................................................40 Тележки ................................................................................................................41 Одномоторная тележка...............................................................................................41 Полноприводная тележка ...........................................................................................44 Тележка с автономным управлением ........................................................................45 Тележка с изменением передаточного отношения...................................................50 Робот-тягач ..................................................................................................................52 4 Шагающие роботы ...............................................................................................57 Введение ......................................................................................................................57 Четвероногий пешеход ...............................................................................................59 Универсальный ходок для NXT 2.0...........................................................................66 Маятник Капицы ..................................................................................................73 Двухмоторная тележка.........................................................................................75 Трехточечная схема ....................................................................................................75 Простейшая тележка...................................................................................................76 Программирование без компьютера..........................................................................82 Компактная тележка ...................................................................................................89 Полный привод............................................................................................................91 Глава 4. Программирование в NXT-G ................................................................93 Введение...............................................................................................................93 Знакомство с NXT-G ............................................................................................93 Новая программа.........................................................................................................94 Интерфейс NXT-G ......................................................................................................95 Ветвления.....................................................................................................................97 Циклы...........................................................................................................................98 Переменные .................................................................................................................98 Robo Center...........................................................................................................99 TriBot..........................................................................................................................100 RoboArm.....................................................................................................................101 Spike ...........................................................................................................................103 Alpha Rex ...................................................................................................................104 Глава 5. Программирование в Robolab............................................................. 107 Введение............................................................................................................. 107 Режим «Администратор» ................................................................................... 108 Режим «Программист»....................................................................................... 109 Основные окна ..........................................................................................................110 Готовые примеры программ.....................................................................................111 Взаимодействие с NXT.............................................................................................112 Типы команд ...................................................................................................... 113 Команды действия.............................................................................................. 114 Базовые команды.......................................................................................................115 Продвинутое управление моторами ........................................................................116 Моторы NXT .............................................................................................................119 Команды ожидания ............................................................................................ 120 Ожидание интервала времени..................................................................................120 Ожидание показаний датчика ..................................................................................122 Ожидание значения контейнера ..............................................................................123 Ожидание значения таймера ....................................................................................123 5 Управляющие структуры ................................................................................... 124 Задачи и подпрограммы ...........................................................................................125 Ветвления...................................................................................................................126 Прыжки ......................................................................................................................130 Циклы.........................................................................................................................131 События .....................................................................................................................135 Модификаторы ................................................................................................... 135 Модификаторы-константы.......................................................................................137 Контейнеры ........................................................................................................ 138 Операции с выражениями ........................................................................................143 Интерфейс NXT.................................................................................................. 145 Библиотеки пользователя................................................................................... 147 Глава 6. Программирование в RobotC.............................................................. 148 Введение............................................................................................................. 148 Firmware.....................................................................................................................148 Hello, world! ...............................................................................................................149 Структура программы...............................................................................................150 Управление моторами........................................................................................ 150 Состояние моторов ...................................................................................................150 Встроенный датчик оборотов ..................................................................................151 Синхронизация моторов...........................................................................................152 Режим импульсной модуляции ................................................................................153 Зеркальное направление ...........................................................................................154 Датчики .............................................................................................................. 154 Настройка моторов и датчиков ................................................................................154 Тип датчика ...............................................................................................................156 Задержки и таймеры........................................................................................... 157 Задержки ....................................................................................................................157 Таймеры .....................................................................................................................157 Параллельные задачи......................................................................................... 158 Управление задачами................................................................................................158 Работа с датчиком в параллельных задачах............................................................160 Параллельное управление моторами.......................................................................160 Графика на экране NXT............................................................................................162 Массивы.....................................................................................................................165 Операции с файлами.................................................................................................167 Глава 7. Алгоритмы управления....................................................................... 170 Релейный регулятор ........................................................................................... 170 Управление мотором ................................................................................................171 Движение с одним датчиком освещенности...........................................................172 Движение с двумя датчиками освещенности .........................................................174 Пропорциональный регулятор........................................................................... 176 6 Описание....................................................................................................................176 Управление мотором ................................................................................................176 Синхронизация моторов...........................................................................................180 Взять азимут ..............................................................................................................181 Следование за инфракрасным мячом ......................................................................184 Движение по линии...................................................................................................185 Движение по линии с двумя датчиками..................................................................187 Движение вдоль стенки ............................................................................................188 Пропорционально-дифференциальный регулятор ............................................ 190 Движение вдоль стенки на ПД-регуляторе.............................................................190 Движение по линии...................................................................................................193 Кубическая составляющая ................................................................................. 194 Плавающий коэффициент.................................................................................. 195 ПИД-регулятор................................................................................................... 196 Формат RAW.............................................................................................................198 Элементы теории автоматического управления в школе.................................. 200 Глава 8. Задачи для робота................................................................................. 204 Управление без обратной связи ......................................................................... 204 Движение в течение заданного времени вперед и назад .......................................204 Повороты ...................................................................................................................207 Движение по квадрату..............................................................................................208 Управление с обратной связью.......................................................................... 209 Обратная связь...........................................................................................................209 Точные перемещения................................................................................................209 Кегельринг.......................................................................................................... 210 Танец в круге .............................................................................................................210 Не упасть со стола.....................................................................................................212 Вытолкнуть все банки...............................................................................................212 Не делать лишних движений....................................................................................215 Движение по спирали ...............................................................................................220 Движение вдоль линии....................................................................................... 224 Один датчик...............................................................................................................224 Два датчика................................................................................................................232 Слалом........................................................................................................................247 Инверсная линия .......................................................................................................248 Путешествие по комнате.................................................................................... 250 Маленький исследователь ........................................................................................250 Защита от застреваний..............................................................................................251 Дополнительный датчик...........................................................................................253 Объезд предметов .............................................................................................. 256 Новая конструкция....................................................................................................256 Поворот за угол .........................................................................................................257 Фильтрация данных ..................................................................................................260 7 Роботы-барабанщики ......................................................................................... 262 Предыстория..............................................................................................................262 Калибровка и удар.....................................................................................................263 Управление с помощью датчика..............................................................................265 Создаем свой ритм ....................................................................................................266 Барабанщик с двумя палочками...............................................................................268 Барабанщик на П-регуляторе ...................................................................................269 Запоминание ритма ...................................................................................................270 Лабиринт ............................................................................................................ 272 Виртуальные исполнители .......................................................................................272 Полигон......................................................................................................................272 Робот для лабиринта .................................................................................................273 Известный лабиринт .................................................................................................276 Правило правой руки ................................................................................................279 Удаленное управление ....................................................................................... 281 Передача данных.......................................................................................................281 Кодирование при передаче.......................................................................................286 Дополнительный режим джойстика ........................................................................292 Передача данных в RobotC.......................................................................................295 Роботы-манипуляторы ....................................................................................... 296 Стрела манипулятора................................................................................................296 Манипулятор с захватом ..........................................................................................298 Три степени свободы ................................................................................................300 Шестиногий робот ............................................................................................. 304 Заключение ........................................................................................................... 309 Литература ............................................................................................................ 310 Приложения .......................................................................................................... 311 П.1. Названия деталей ...................................................................................... 311 П.2. Правила состязаний .................................................................................. 312 Регламент соревнований роботов «Кегельринг»....................................................312 П.3. Интернет-ресурсы по Lego Mindstorms NXT............................................ 314 Языки и среды программирования для Lego Mindstorms NXT.............................314 Правила состязаний роботов....................................................................................314 Неофициальный гид изобретателя Lego Mindstorms NXT ....................................315 8 Предисловие Уже много лет мы читаем в книгах и газетах, слышим по радио и из телевизора, что скоро нас будут окружать умные, добрые и интерес- ные роботы. Однако в реальной жизни роботов все нет и нет. И так же часто в научно-технических журналах мы читаем о мехатронике — удивительной науке на стыке механики, электроники, компьютеров и теории управления (кибернетики). Однако и мехатронными устройст- вами ученые тоже что-то не торопятся нас окружить. И вот несколько лет назад знаменитая датская компания Lego сде- лала роскошный подарок любителям мехатроники, роботов и других кибернетических игр и игрушек: выпустила робототехнический конст- руктор Lego Mindstorms. Из него можно собрать не только фантастиче- ские человекоподобные и другие роботы, не только разнообразные ме- хатронные устройства, но и приборы для измерения, связи, контроля и т.п. Главное же, этот конструктор позволяет легко и с удовольствием научиться самому строить такие штуковины и учить этому молодежь, начиная с возраста 8—10 лет. Следующее поколение киберконструкто- ра, Lego Mindstorms NXT, обладает новыми возможностями: общение по протоколу Bluetooth, богатый набор бортовых датчиков, включая видеокамеры. Неужели скоро мы сами сможем окружить себя киберне- тическими помощниками? Проблема только в одном: нет пока на русском языке подходящих учебников для такого обучения. Однако предлагаемая вниманию чита- теля книга позволяет, кажется, решить и эту проблему. Из ее названия как раз и ясно, что она предназначена научить практической робототех- нике детей и родителей. Причем учить этому, пользуясь советами опытного наставника, который сам прошел все этапы кибертворчества. Сергей Александрович Филиппов имеет опыт руководства круж- ками робототехники в нескольких школах Санкт-Петербурга. Ведет се- минары и мастер-классы для школьных учителей, методистов, для чле- нов команд города на олимпиадах по роботам. Сам ездит на олимпиады и конференции со своими замечательными учениками 1 . Наверное, по- этому книга получилась и увлекательной, и поучительной, и доступной. Поучительной не только для детей и родителей, купивших конструктор, но и для учителей школ, руководителей кружков и преподавателей ву- зов, стремящихся помочь своим ученикам сделать первые шаги в мир техники будущего, в мир робототехники и мехатроники. 1 В ноябре 2012 г. команда из Санкт-Петербурга Hand-Friend под руково- дством С. А. Филиппова в составе сборной России завоевала золотую медаль на Всемирной олимпиаде роботов в г. Куала-Лумпур, Малайзия, с проектом «Грета играет в ладушки». Вот имена чемпионов: Мария Муретова, Денис Никитин, Анд- рей Свечинский. 9 Удовольствие от чтения получат даже те, у кого еще пока нет ки- берконструктора: книга, как золотой ключик, откроет дверь в фантасти- ческую страну кибернетических игр и игрушек, удивительно похожих на многие серьезные автоматические приборы и системы. Мне особенно приятно, что часть описанных в книге идей и прие- мов родилась в ходе нашего совместного проекта «Киберфизическая лаборатория», начатого в 2008 г. физико-математическим лицеем №239 и кафедрой теоретической кибернетики математико-механического фа- культета СПбГУ под эгидой института проблем машиноведения Рос- сийской академии наук (ИПМаш РАН) и поддержанного программой президиума РАН «Поддержка молодых ученых» и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Среди других проектов отмечу Санкт-Петербургские олимпиады по кибернетике, проводимые с 1999 г. ведущими вузами города под эгидой ИПМаш РАН. Дальнейшую информацию об олимпиадах, книгах и других наших проектах можно найти на сайте www.cyber-net.spb.ru. Желая книге С. А. Филиппова успеха у читателей, отмечу и то, что за ней должны последовать другие, поскольку она открывает серию на- учно-популярных книг и учебных пособий «Шаги в кибернетику», предназначенную как для школьников и студентов, так и для родителей и преподавателей. Книги серии помогут выбрать будущую профессию, а тем, кто уже сделал свой выбор, помогут сделать первые шаги на пути к профессионализму, познакомиться «изнутри» с современной киберне- тикой: роботами и киборгами, оптимизацией и адаптацией, искусствен- ным интеллектом и управлением хаосом. Девиз серии «Учись играя» означает, что книги будут нацелены не только на обучение, но и на раз- влечение, на воспитание новых поклонников и фанатов увлекательной науки кибернетики, которой так много предстоит сделать в XXI веке. В серии « Шаги в кибернетику » в 2011 — 2013 гг. вышли сле- дующие книги: ¾ В. Г. Быков «От маятника к роботу. Введение в компьютерное моделирование управляемых механических систем», ¾ Р. М. Лучин «Программирование встроенных систем. От модели к роботу», ¾ С. А. Филиппов «Робототехника для детей и родителей», 2-е и 3-е издания, ¾ «Санкт-Петербургские олимпиады по кибернетике 1999—2012». Зав. лабораторией «Управление сложными системами» Института проблем машиноведения РАН доктор технических наук, профессор А. Л. Фрадков | Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
