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

12
Как
он
может
попасть
к
Вам
в
руки
Если за последнее десятилетие Вам не удалось познакомиться с
RIS или другими наборами на базе RCX, не стоит огорчаться. Практи- чески все их возможности и даже гораздо больше можно получить, ис- пользуя новое поколение конструкторов — NXT. Гладкие детали от
Lego Technic
1
, усовершенствованные моторы с датчиками и принципи- ально новый контроллер — вот основные внешние отличия от коробко- образных роботов прошлого поколения.
Рис. 1.2. Наборы серии Lego Minstorms NXT с роботом Alpha Rex на обложке:
слева 8527, справа 8547 NXT 2.0.
Практически в любом отделе Lego магазина игрушек есть набор
Lego Mindstorms NXT с кодами 8527 или 8547 (рис. 1.2). На его облож- ке изображен робот, напоминающий андроида: сплющенная голова с круглыми глазками, руки без кистей, ноги с широченными ступнями и контроллер NXT вместо туловища. Забавно, но не стоит обольщаться: самое интересное будет не в этой модели Alpha Rex, которая служит в основном для привлечения внимания покупателей, а на деле не очень функциональна. Инструкцию по сборке вместе с соответствующим про- граммным обеспечением можно найти на прилагающемся к набору компакт-диске. Но настоящее творчество начнется в тот момент, когда из тех же деталей счастливый обладатель конструктора соберет и за- программирует совершенно нового робота, которого придумает сам.
1
Если у Вас уже есть Lego Technic, будьте уверены: они с Lego Mindstorms дополнят друг друга.

13
Набор 8547 носит гордое имя NXT 2.0, хотя изменений в нем со- всем немного: разработаны несколько новых деталей и конструкций, изменен состав датчиков и улучшена среда программирования для ма- лышей. Неприятным открытием оказалось уменьшение числа шестере- нок, которые так важны юному робототехнику. Недостающие детали теоретически можно приобрести у компании Lego, но в России это сде- лать трудно.
В Интернет-магазине робототехнические наборы будут стоить не- много дешевле
1
, чем в обычном. Это так называемое «коммерческое
Lego», версия для дома.
Существует также версия «образовательного Lego», представлен- ная компанией Lego Education. Такой набор найти в отделе игрушек в
России нельзя. Поставки конструкторов Lego Mindstorms NXT Edu с кодом 9797 ведутся централизованно по школам через представитель- ство Lego Education в России. Однако такой же конструктор, а также ресурсный набор к нему (с кодом 9695) можно приобрести через Ин- тернет-магазины, которые не так давно появились в России, хотя за границей это будет существенно дешевле. К сожалению, из Интернет- магазина https://www.legoeducation.us доставка в Россию так называемо- го «образовательного Lego» не осуществляется (по крайней мере, на момент написания этой главы), поэтому, желая сэкономить, придется искать обходные пути, приобретать через посредников либо на Интер- нет-аукционах. Кроме того, к набору 9797 не прилагается программное обеспечение. Его можно приобрести отдельно.
Если наш читатель уже продвинутый робототехник и готов усо- вершенствовать конструктор, дополнив его новыми датчиками, то в этом помогут производители дополнительных устройств и расширений для Lego Mindstorms NXT: компании HiTechnic (www.hitechnic.com),
MindSensors (www.mindsensors.com), Vernier (www.vernier.com) и др.
Интернет-магазины, расположенные на сайтах этих компаний, как пра- вило, осуществляют доставку в нашу страну. Дополнительные ком- плектующие теоретически можно приобрести и в Интернет-магазине
Lego (https://shop.lego.com), но, как было сказано выше, с доставкой за- казов в Россию у Lego не все гладко.
1
В связи с прекращением выпуска набора 8527 в некоторых Интернет- магазинах остались раритетные экземпляры, цена на которые может быть завыше- на. Зато цена набора 8547 пока что держится стабильной.

14
Наборы
для
школы
и
дома
Итак, наборы Lego Mindstorms NXT продаются двух видов: для школы (9797) и дома (8527, 8547). Набор для школы (рис. 1.3) уложен в красивый белый пластиковый контейнер с двухуровневым хранилищем деталей внутри: сверху в оранжевых ячейках — основные строительные элементы; внизу — электронные элементы, колеса и некоторые другие крупные детали. На специальных карточках нарисовано, в какой ячейке сколько должно быть деталей определенного типа. Такой набор можно использовать для работы в нескольких различных группах и всякий раз в начале и в конце занятия проверять, все ли детали на месте.
Рис. 1.3. Образовательный набор Lego Mindstorms NXT 9797 (слева) и ресурс-
ный набор 9648 (справа).
Детали набора для дома хранятся все вместе в красочной картон- ной коробке, и рассортировать их представляется непростой задачей.
Находчивые робототехники приобретают недорого в строительных ма- газинах контейнеры для хранения мелких деталей, и конструктор пере- езжает на новое место жительства. Однако, несмотря на некоторый бес- порядок, набор для дома содержит многие полезные элементы, отсутст- вующие в школьной версии. В связи с этим вместе с конструктором
9797 рекомендуется приобретать ресурсный набор 9695 (ранее 9648), который стоит недорого и содержит все необходимое (рис. 1.3).
Школьный набор укомплектован также некоторыми устройствами, отсутствующими в наборе для дома. И здесь тоже не все гладко. Во- первых, следует упомянуть аккумулятор Lego, который позволяет заме- нить шесть пальчиковых аккумуляторов или батареек, но без блока пи- тания его использование не имеет смысла (а этот блок питания к набору

15 не прилагается). Во-вторых, провода-конвертеры для поддержки уст- ройств RCX и три соответствующие лампочки. И наконец, дополни- тельный датчик касания, для которого, по необъяснимым причинам, не предусмотрено место в коробке с датчиками.
Ни к одному из наборов не прилагается Bluetooth-адаптер для со- единения с компьютером, его надо покупать отдельно. А если решите использовать свой адаптер, будьте внимательны при установке драйве- ров: для соединения с NXT у Lego есть определенные требования
1
Правда, для загрузки программ на NXT в этом нет необходимости: к каждому набору прилагается стандартный USB-кабель.
Основной
состав
набора
:
что
мы
купили
?
Электроника
Компания Lego продает базовый набор, содержащий все основные детали системы NXT. Он включает в себя несколько электронных уст- ройств, среди которых микрокомпьютер, датчики и моторы. Микро- компьютер называется процессорным блоком (контроллером) NXT, и это разумный, управляемый компьютером блок, играющий роль «моз- га» ваших робототехнических конструкций. Программы управляют им для получения входных данных с датчиков, для активации моторов, проигрывания звуков и многого другого. Сам по себе он является ин- теллектуальным компьютерным строительным блоком Lego, который дает возможность роботу Mindstorms становиться «живым» и выпол- нять различные операции.
Процессорный блок NXT (рис. 1.4) имеет семь основных портов, два из которых связаны с возможностью загружать на него программы.
На одной стороне процессорного блока есть порт для подключения
USB-кабеля. После того как кабель уже подключен, можно использо- вать его для закачки программ на NXT. У процессорного блока также есть встроенный Bluetooth, который делает возможной беспроводную загрузку программ и сообщение с другими процессорными блоками, мобильными телефонами, оборудованными Bluetooth, и другими BT-
1
Поддерживаемое программное обеспечение для адаптера Bluetooth –
Widcomm® Bluetooth для Windows не ниже версии v.1.4.2.10 SP5 и драйверы для поддержки технологии Bluetooth, включенные в Microsoft Windows XP с Service
Pack 2 или Service Pack 3, Windows Vista или Vista Service Pack 1, Apple MacOS X
10.3.9, 10.4 и 10.5.

16 устройствами. Четвертый порт датчиков оснащен возможностью соеди- нения двух контроллеров обычным проводом NXT по стандарту HS485.
LCD-дисплей на верхней панели процессорного блока может пока- зывать тексты и рисунки, а динамик может проигрывать музыку (как мог и RCX), так же как и заранее записанные звуковые файлы. Напри- мер, вы можете запрограммировать вашего робота говорить фразы типа
«Привет!» или «Как дела?» через динамик. Это свойство позволяет вы- вести роботов на новый уровень контакта с человеком и дает детям еще больше удовольствия от игры.
Рис. 1.4. Порты контроллера NXT.
Кнопки NXT выполняют следующие функции:
¾
оранжевая кнопка — включение/ввод/запуск;
¾
светло-серые стрелки — используются для перемещения вправо и влево в меню NXT;
¾
темно-серая кнопка — очистить/назад/выход.
Для управления моторами и получения входных данных от датчи- ков у блока NXT есть три выходных и четыре входных порта. Датчики могут быть подключены к входным портам, пронумерованным от одно- го до четырех, соединительными кабелями, которые также прилагаются в системе NXT. Как только датчики подсоединяются к устройству, они начинают посылать информацию об окружающей среде процессорному блоку, и эта информация впоследствии используется для воздействия на поведение робота. Моторы могут быть подключены к трем выходным портам — A, B и C — после этого они служат для того, чтобы робот ходил, поднимал предметы или проделывал многие другие движения.
Моторы NXT являются сервомоторами. Они более мощные, чем моторы RCX, поэтому позволяют создавать более сильных и быстрых роботов. У них также есть встроенные датчики вращения, которые из- меряют обороты мотора (в градусах или в полных оборотах), — эта особенность позволяет делать движения робота очень точными.

17
Всего в стандартной системе NXT существует четыре вида датчи- ков: 1) касания (Touch Sensor), 2) звука (Sound Sensor), 3) освещенности
(Light Sensor), 4) ультразвуковой датчик (Ultrasonic Sensor) (рис. 1.4). В версии 8547 появился новый датчик цвета (Color Sensor), который заме- няет собой датчик освещенности и, кроме того, может определять цве- та. Однако его быстродействие существенно ниже.
У датчиков касания есть кнопка, которая чувствует, когда на нее нажимают, отпускают или ударяют по ней. Этот датчик может быть по- лезен для роботов, которые должны обнаруживать препятствия или реа- гировать на прикосновение.
Датчик звука контролирует громкость звуков окружающей среды.
Роботы могут использовать этот датчик для реагирования на голосовые команды.
Датчики освещенности выявляют интенсивность света вокруг них, и они также оборудованы красным светодиодом, так что ваш робот мо- жет определять интенсивность отраженного света. Эти датчики позво- ляют роботу делать множество вещей, например, оценивать уровень освещенности в помещении или двигаться по линии. В некоторых зада- чах могут быть использованы сразу три или четыре таких датчика.
Датчик цвета в наборе 8547 совмещен с датчиком освещенности и обладает широким спектром возможностей по определению цветовых оттенков. С помощью него можно, например, сортировать цветные ку- бики или шарики.
Ультразвуковой датчик измеряет время, которое требуется звуко- вой волне, чтобы отразиться от объекта и вернуться, для измерения рас- стояния между датчиком и объектом. У этого датчика много видов применения, таких как картографирование окружающей среды робота, выявление препятствий, предотвращение столкновений, выявление движения и др.
Технические параметры блока NXT
¾
32-битовый микроконтроллер ARM7: тактовая частота 48МГц, оперативная память (RAM) 64 Кбайт, внешняя память (FLASH) 256 Кбайт;
¾
8-битовый микроконтроллер AVR: тактовая частота 8МГц, опера- тивная память (RAM) 512 байт, внешняя память (FLASH) 4 Кбайт;
¾
беспроводной канал Bluetooth (устройство соответствует требова- ниям Bluetooth Class II V2.0);
¾
скоростной порт USB (12 Мбит/с);
¾
четыре порта входа, шестипроводной кабель для цифровой плат- формы (один из портов включает порт расширения, соответствующий тре- бованиям IEC 61158 Type 4/EN 50 170 для использования в будущем);

18
¾
три порта выхода, шестипроводной кабель для цифровой плат- формы;
¾
графический ЖК-дисплей 100
´ 64 пикселя;
¾
громкоговоритель — качество аудио 8 КГц, аудиоканал с 8- битовым квантованием и частотой семплирования 2—16 КГц;
¾
источник питания: шесть батарей типа AA или аккумулятор
1
Lego.
Детали для конструирования
Для создания корпуса робота в системе NXT имеются строитель- ные части, какие можно было бы ожидать от набора Lego. Однако они не являются типичными деталями Lego: у большинства из них нет вы- ступов. Как уже было упомянуто ранее, строительные детали системы
NXT — серии Technic. И хотя может показаться, что придется потра- тить много времени, чтобы привыкнуть к конструированию с этими де- талями без выступов, они дают больше гибкости и силы конструкциям.
Наряду с базовыми деталями серии Technic, такими как балки, штифты, оси, базовый набор NXT включает и другие, которых не было в RIS. Например, этот набор включает в себя два шарика Lego, пово- ротные диски и зубцы. Одни из этих деталей были добавлены для об- легчения создания конструкций на основе серии Technic, а другие — просто для раскрытия бóльших возможностей. В наборе 8547, а также в новой версии набора 9797 v.95 добавлены дополнительные детали, ко- торые оказались наиболее востребованы пользователями.
В общем и целом разнообразие составных частей, включенных в набор, обеспечивает вас почти бесконечным запасом конструкций ро- ботов. Если не брать во внимание малое число крупных зубчатых колес, с 612 элементами вряд ли ощутится недостаток деталей (или идей!) для конструирования в ближайшем будущем.
Что потребуется еще?
Убедитесь, что Вы не забыли укомплектовать конструктор 6-ю (а лучше 12-ю) пальчиковыми аккумуляторами типа AA и зарядным уст- ройством для них. Запасной комплект аккумуляторов иметь полезно, чтобы не терять время, если они сядут в самый неподходящий момент.
Батарейки тоже подойдут, на них роботы будут двигаться несколько резвее, но все хорошее быстро кончается, и придется снова идти в мага- зин за элементами питания.
1
Входит в комплект образовательного набора Lego Mindstorms NXT 9797.

19
Если говорить о выборе батареек для NXT, то по этой теме прове- дена масса исследований. Главный критерий в том, что приобретать стоит батарейки для высокотехнологичных устройств. По мнению ав- тора, неплохим выбором являются: Varta High Energy (высокая дли- тельность работы), Energizer Ultimate Lithium (наиболее стабильное на- пряжение, но стоят они дороже). Из самых доступных и разрекламиро- ванных вариантов можно назвать Energizer Maximum и Duracel Turbo, хотя они имеют средние показатели.
Еще потребуются гладкая светлая однотонная поверхность площа- дью не менее 1 м
2
(стол, щит или пол), черная изолента или самоклею- щаяся пленка и разнообразные вспомогательные предметы: горки, ко- робки, пластиковые стаканчики, банки из-под лимонада и т.п. Кстати, картонные коробочки, в которые были упакованы детали конструктора, не рекомендуем выбрасывать — они тоже могут пригодиться.
Обзор
дополнительных
возможностей
В настоящий момент помимо датчиков, поставляемых в стандарт- ном наборе, существуют также датчики «компас», датчики ускорения, гироскопические датчики, цветовые и температурные датчики, и пока вы читаете это, их выпускается еще больше. Компания Lego и компа- нии-партнеры, такие как HiTechnic (https://www.hitechnic.com) или
Mindsensors (https://www.mindsensors.com), посвящают много времени увеличению числа датчиков, работающих с NXT (рис. 1.5). С их помо- щью можно значительно расширить функциональность роботов.
Вас интересует новая электроника? Теперь с контроллером NXT могут работать почти любые сервомоторы благодаря разработке комапании
Mindsensors — сервоконтроллеру NXTServo. В январе 2013 г. была анонсирована новая серия конструкторов Lego Mindstorms EV3, которые совместимы с датчиками и моторами NXT, но обладают бóльшими возможностями. Однако можно быть уверенным, что с тем множеством расширений, которые были созданы для плат- формы NXT, еще долгие годы она будет использоваться и в учебе, и в науке, и для развлечений. Lego с партнерами осознает популярность
Mindstorms и активно работает над усовершенствованием старых дета- лей, над новыми деталями и устройствами для пользователей, которые жаждут создавать еще более быстрых, умных и сложных роботов.
Рис. 1.5. Датчик
от Hitechnic.

20
Программное
обеспечение
Зарубежные разработки
Серия конструкторов Lego Mindstorms нашла своих поклонников как среди детей, увлеченных изобретательством, так и среди взрослых инженеров, занимающихся серьезными разработками. Поэтому и про- граммное обеспечение для роботов NXT было выпущено с ориентацией на различный возраст и уровень подготовки пользователей.
Вместе с наборами «для дома» поставляется оригинальная графи- ческая среда программирования Lego Mindstorms NXT. Версия Lego
Mindstorms NXT Edu, предназначенная для школ, отличается от «до- машней» только тремя буквами в названии и электронным руково- дством пользователя. Язык программирования системы NXT, именуе- мый NXT-G, — это графический, drag-and-drop язык, который является не только очень простым для освоения, но еще и мощным. Если вы ис- пользовали программное обеспечение ROBOLAB с RCX, возможно, вы обнаружите некоторую схожесть.
Однако в школах, по мнению автора, для изучения робототехники следует использовать именно ROBOLAB версии 2.9, которая поддер- живает NXT. Это связано с ресурсоемкостью среды NXT-G: при доста- точно широких возможностях в ней можно создавать только очень ма- ленькие программы. Причем не на всех компьютерах NXT-G нормально заработает. Обе среды были разработаны как дополнения к высоко оце- ниваемому профессиональному языку программирования, называемому
LabVIEW, и многим обязаны ему. LabVIEW, далеко не игрушка, ис- пользуется в сложных системах сбора данных и системах управления по всему миру, служит гибким и мощным орудием для ученых и инже- неров
1
. Robolab по своим возможностям существенно ближе к Lab-
VIEW и менее требователен к ресурсам, чем NXT-G. Одним из его дос- тоинств Robolab 2.9 можно назвать наглядность и схожесть с языком блок-схем. Приобрести его можно, например, в Интернет-магазине
Lego Education по адресу https://www.legoeducation.us. Полноценная под- держка осуществляется на сайте https://www.legoengineering.com; там же следует скачивать патчи, расширяющие возможности Robolab, в том числе по работе с датчиками различных производителей.
Надо признать, что большим сюрпризом в NXT-G стало то, что его чрезвычайно просто освоить. Пользователи, у которых совсем нет опы- та программирования, могут втянуться очень быстро. Lego мудро ре-
1
В 2010 г. в России вышла книга «Программируем микрокомпьютер NXT в
LabVIEW» [8], ориентированная на старших школьников.

21 шила включить множество инструкций и рекомендацийпо программи- рованию в программное обеспечение; они демонстрируют многие ос- новные управляющие блоки, а также различные техники программиро- вания, которые принесут пользу как начинающим, так и продвинутым пользователям.Графический пользовательский интерфейс так прост в обращении и интуитивно понятен, что многие, погружаясь в него, на- чинают экспериментировать с программным обеспечением, постигая его работу путем проб и ошибок. Поэтому, надеясь на увеличение мощ- ностей компьютеров в будущем (объем памяти, частота процессора, размеры экрана), стоит не отвергать NXT-G и позиционировать его, как язык для начального самостоятельного освоения программирования ро- ботов, тем более, что он поставляется вместе с конструкторами 8527 и
8547 «для дома».
Гибкость системы NXT допускает программирование и на других языках. Три наиболее общепринятых — это NBC, NXC и RobotC. NBC и NXC — свободные языки, созданные Джоном Хансеном. Оба они текстовые, а NXC похож на язык С (NXC расшифровывается как Not eXactly C — не совсем С). Их можно бесплатно скачать на сайте
https://bricxcc.sourceforge.net/nbc. Надо признать, что эти языки не рас- крывают всю мощь текстового программирования для NXT. RobotC — тоже текстовый язык, очень похожий на С, — обладает существенно большими возможностями. Продукт Carnegie Mellon University’s Robot- ics Academy может быть скачан с https://www.robotc.net. Полнофункцио- нальная 30-дневная демоверсия RobotC бесплатна, по прошествии этого срока можно приобрести лицензию за доступную сумму (80$ США).
Остановив свой выбор на трех языках — NXT-G, Robolab 2.9 и
RobotC, — рассмотрим классификацию по возрасту и уровню подго- товки пользователей, приведенную в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Среды программирования роботов на базе NXT
Среда
Язык
Возраст
Назначение
Lego Mindstorms
NXT Software
NXT-G
8—12 лет
(дети и родители)
Самостоятельное изучение дома, основы
Robolab 2.9.4 1
Robolab 8—16 лет,
(дети, родители, учителя)
Изучение на уроках робото- техники, использование на состязаниях роботов
RobotC for
Mindstorms
RobotC
14—99 лет
(преимущественно программисты)
Использование личного опы- та программирования на язы- ке C для создания роботов с широкими возможностями
1
Robolab 2.9 с установленным патчем до версии 2.9.4.

22
У компании Lego Education свой взгляд на возраст пользовате- лей конструкторов.
Он выражен в диаграмме с сайта
https://www.legoengineering.com, относящейся ко времени появления сре- ды Lego Mindstorms NXT (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Программное обеспечение для Mindstorms к августу 2006 г.
В 2010 году Lego совместно с National Instruments выпустила продукт LabView for Mindstorms для старшей школы, чтобы заполнить существующий на данный момент пробел между «игрушечной» средой графического программирования Lego Mindstorms NXT и «взрослой» средой LabView, которую используют инженеры (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Планы развития программного обеспечения к 2010 г.
До тех пор обновленная версия Robolab 2.9.4 была призвана временно заполнить пробел и обеспечить безболезненный переход к
NXT-программированию. Однако, несмотря на появление новой версии

23
LabVIEW для школ, стандартом по-прежнему остается Robolab, полю- бившийся пользователям за свою функциональность, простоту и на- глядность. Последним подтверждением преимущества Robolab стало разработанное дополнение к образовательной версии LabView, которое полностью реализует его функционал и носит название Robolab 2.9.4d.
Обратите внимание на то, что в диаграммах отсутствует даже на- мек на RobotC или аналогичный язык. К сожалению, текстовые среды программирования в школах не распространены в силу всеобщей ори- ентации на более доступный графический интерфейс. Такая тенденция присутстует во всем. В итоге робототехникой может заниматься чело- век, который по сути не является программистом. В этом есть и плюсы, и минусы: с одной стороны, роботы входят в нашу жизнь, становятся реальностью, с которой необходимо считаться. Благодаря средам гра- фического программирования можно существенно повысить общий уровень грамотности учащихся в этой сфере. С другой стороны, серьез- ными специалистами, скорее всего, станут только те, кто имеет глубо- кую алгоритмическую подготовку.
Отечественные разработки
Россия сильна своими математиками и программистами. И хотя нет пока отечественного робототехнического конструктора, но уже появи- лась серьезная альтернатива зарубежным средам программирования роботов, которая в ближайшем будущем сможет превзойти их по всем параметрам. Это разработка ГУП «Терком», базирующегося на матема- тико-механическом факультете Санкт-Петербургского государственно- го университета. Программный продукт QReal:Robots — это среда гра- фического проектирования, позволяющая не только быстро создавать программы, похожие на блок-схемы, но и сразу просматривать их тек- стовый аналог на языке Си.
Для генерации исполняемого кода используется свободнораспро- страняемая операционная система реального времени nxtOSEK, задача которой состоит в управлении контроллером NXT. Для специалистов nxtOSEK сама по себе интересна быстродействием и эффективным ис- пользованием ресурсов контроллера.
Для детей и преподавателей QReal:Robots интересна как много- фунциональная среда, содержащая возможности графического и тек- стового программирования одновременно. Начиная с красочных пикто- грамм, учащиеся постепенно переходят к строгому и функциональному коду на языке Си. Кроме того, QReal снабжена режимом моделирова- ния поведения робота в виртуальной среде. Этим могут «похвастаться» разве что Microsoft Robotics Studio, RobotC Virtual Worlds и MatLab с соответствующими надстройками.

24

перейти в каталог файлов