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- Herausgeber: MITP
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: mitp Professional
- Sprache: Deutsch
Ein umfassender Einstieg in LEGO®MINDSTORMS®EV3 mit 8 spannenden Roboterprojekten
- Bau- und Programmieranleitungen: Schritt für Schritt
- Inkl. aller wichtigen EV3-Themen: Fortbewegung, alle Sensoren, drahtlose Kommunikation, Fernsteuerung, Zamor-Werfer uvm.
- Alle Roboter sind jeweils mit einem einzigen EV3-Set baubar
Aus dem Inhalt:
- Umfassende Einführung in die neue LEGO®-Roboter- Generation EV3
- Acht spannende Roboter-projekte:
- ein sechsbeiniges Roboterinsekt
- ein Roboterauto
- ein Raupenfahrzeug
- ein Mars-Rover zur Erkundung fremder Planeten
- ein Wächter, der entlang einer Linie Wache schiebt
- ein dreibeiniger und mit Kanonen bewaffneter Roboter-Droide
- eine automatische Marionette
- Kommunikation: der Trainer gibt Bewegungen vor, die ein Sportler nachahmt
- Fortbewegung mit Rädern, Ketten und Laufbeinen
- Einsatz aller Sensoren
- Verwendung des Zamor-Werfers
- Fernsteuerung
- Drahtlose Kommunikation zwischen mehreren Robotern
- Ohne Vorkenntnisse verständlich
Dieses Buch ist eine umfassende Einführung in die neue LEGO®-Roboter-Generation EV3. Es vermittelt nicht nur Einsteigern und Einsteigerinnen die Grundlagen, um eigene Roboter mit MINDSTORMS zu bauen und zu programmieren, sondern bietet auch Fortgeschrittenen vertiefte Kenntnisse und neue Ideen zum Set.
Anhand von acht spannenden Roboter-Projekten werden die Möglichkeiten der Robotik praxisnah eingeführt. Die anschaulichen vierfarbigen Schritt-für-Schritt-Bau- und Programmieranleitungen machen es auch ohne Vorkenntnisse einfach, die Roboter des Buchs nachzubauen und mit der LEGO®-eigenen Programmiersprache zum Leben zu erwecken. Alle Roboter im Buch können jeweils mit einem einzigen EV3-Set gebaut werden.
Sowohl die Home- als auch die Education-Edition werden voll unterstützt. Die Bauanleitungen für die Education-Edition werden kostenlos zum Download zur Verfügung gestellt.
Von der Fortbewegung mit Rädern, Ketten und Laufbeinen über den Einsatz aller Sensoren bis hin zu anspruchsvollen Aufgaben wie Linienverfolgung, Fernsteuerung und drahtloser Kommunikation zwischen mehreren Robotern führen die Autoren leicht verständlich in die Welt von LEGO®MINDSTORMS ein.
Nach Lektüre dieses Buchs verfügt man über das notwendige Handwerkszeug, um die neue Generation des MINDSTORMS-Universums selbstständig weiter zu erforschen und eigene tolle Roboter zu erschaffen.
Über die Autoren:
Matthias Paul Scholzist langjähriges Mitglied des LEGO®-internen MINDSTORMS Community Partner Programs und nimmt als offizieller »LEGO Robot Expert« an internationalen LEGO®-Events teil. Er ist Autor mehrerer erfolgreicher MINDSTORMS-Bücher.
Thorsten Leimbachist Jurymitglied bei mehreren Roboterwettbewerben u.a. beim RoboCup Junior und der FIRST®LEGO®League (FLL).
Beate Jostmöchte insbesondere das Interesse von Mädchen und jungen Frauen an der Robotik wecken, u.a. auch als Jurymitglied beim RoboCup Junior Dance.
Alle Autoren geben bei der Initiative »Roberta®– Lernen mit Robotern« des Fraunhofer-Instituts Roboter-Workshops für Kinder, Jugendliche, Studenten und Lehrer.
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Seitenzahl: 250
Veröffentlichungsjahr: 2014
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Das EV3 Roboter Universum
Ein umfassender Einstieg in LEGO® MINDSTORMS® EV3
mit 8 spannenden Roboterprojekten
Matthias Paul Scholz, Beate Jost, Thorsten Leimbach
Impressum
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
ISBN 978-3-8266-9645-9
1. Auflage 2014
www.mitp.de
E-Mail: [email protected]
Telefon: +49 6221 / 489 -555
Telefax: +49 6221 / 489 -410
© 2014 mitp, eine Marke der Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm GmbH Heidelberg, München, Landsberg, Frechen, Hamburg
LEGO, das LEGO-Logo, der LEGO-Stein, die Konfiguration der Noppen und die Minifigur sind Marken der LEGO Group. Die Buchinhalte sind nicht in Zusammenarbeit mit der LEGO Group entstanden und weder von LEGO autorisiert noch unterstützt
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Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Lektorat: Sabine Schulz
Sprachkorrektorat: Petra Heubach-Erdmann
electronic publication: III-satz, Husby, www.drei-satz.de
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Einleitung
An wen richtet sich dieses Buch?
Dieses Buch ist eine Einführung in das LEGO® MINDSTORMS EV3-System. Es richtet sich an Technik-interessierte Einsteigerinnen und Einsteiger, die vorher noch nicht mit LEGO® MINDSTORMS gearbeitet haben. Es richtet sich ebenfalls an fortgeschrittene Anwenderinnen und Anwender der Vorgängerversion, die bereits Erfahrung mit dem LEGO® MINDSTORMS-System haben, sie finden Anregungen für den Bau und die Programmierung von komplexeren Roboter-Modellen. Dieses Buch dient aber auch Personen mit pädagogisch-didaktischem Hintergrund als Ideengeber, um mit dem EV3-Set junge Menschen für Technik und Naturwissenschaften zu begeistern. Es ermöglicht einen leichten Einstieg in die Programmierung und den Bau eines EV3-Roboters und geht auf die jeweiligen Unterschiede zwischen der im Handel erhältlichen Home-Edition (Originalbezeichnung LEGO® MINDSTORMS EV3) und dem EV3-Education-Set (Originalbezeichnung: LEGO® MINDSTORMS Education EV3-Basis-Set) ein.
Die verschiedenen Kapitel sind in sich abgeschlossen. An unterschiedlichen Roboter-Modellen wird beschrieben, wie EV3-Roboter gebaut und programmiert werden können. Die im Buch vorliegenden Bauanleitungen basieren auf der Home-Edition des LEGO® MINDSTORMS EV3-Systems. Für alle Roboter-Modelle sind ebenfalls Bauanleitungen für die Education-Edition erhältlich. Diese Bauanleitungen finden Sie am Ende des Buches in Anhang C.
Dieses Buch richtet sich somit in erster Linie an:
Einsteigerinnen und Einsteiger ab 14 Jahre
Fortgeschrittene Anwenderinnen und Anwender, die bereits Erfahrung mit den Vorgängerversionen des LEGO® MINDSTORMS-Systems haben
Lehrerinnen und Lehrer aus allen Fachrichtungen und deren Schülerinnen und Schüler
Wichtig
Im Buch werden beide Versionen des EV3-Systems sowohl hinsichtlich der Software als auch hinsichtlich der Hardware behandelt. Die Bauanleitungen für das EV3-Education-Set finden Sie am Ende des Buches in Anhang C.
Was kann man von diesem Buch erwarten und was nicht?
Das vorliegende Buch soll der Leserin und dem Leser in erster Linie Spaß und Freude am Bau und an der Programmierung von EV3-Robotern vermitteln. Zunächst wird anhand von konkreten, im Buch beschriebenen Aufgaben und Roboter-Modellen das LEGO® MINDSTORMS EV3-System vorgestellt und Schritt für Schritt beschrieben. Daran anschließend finden sich in den jeweiligen Kapiteln Ideen und Anregungen, wie auf Basis der Beispiel-Modelle eigene Ideen mit dem jeweiligen LEGO® MINDSTORMS EV3-Set umgesetzt werden können. Dazu werden die grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit der Hard- und Software von EV3 vermittelt und wesentliche Programmierkonzepte vorgestellt.
An anschaulichen Roboter-Modellen kann erforscht werden, wie der Roboter durch entsprechende Programmierung und durch die Erweiterung mit Sensoren immer komplexere Aufgaben bewältigen kann. Es werden dabei ausschließlich die von LEGO® offiziell angebotene, grafische Programmierumgebung und die im Home- bzw. im Education-Set vorhandenen Sensoren verwendet.
Nachdem die Leserin und der Leser die dargestellten Experimente selbst nachgebaut und programmiert haben, werden sie und er in der Lage sein, selbstständig eigene Ideen mit dem EV3-System umzusetzen und sich an immer komplexere Herausforderungen heranzuwagen.
Selbstverständlich kann ein Buch allein nicht alle Möglichkeiten allumfassend behandeln, die das LEGO® MINDSTORMS EV3-Set bietet. Seit der Einführung der LEGO® MINDSTORMS-Serie 1998 hat sich eine riesige Fanszene entwickelt, die sich intensiv mit den Möglichkeiten und der Weiterentwicklung sowohl in der Konstruktion als auch in der Programmierung der LEGO® MINDSTORMS beschäftigt. Wer sich nach der Lektüre dieses Buches dazu entscheidet, intensiver in die Programmierung oder in die Konstruktion eines EV3-Roboters einzusteigen, wird ausreichend Anregungen, Beispiele und Tipps&Tricks im World Wide Web finden.
Da dieses Buch sowohl Einsteiger, Fortgeschrittene und Lehrkräfte gleichermaßen ansprechen möchte, können nicht alle Aspekte des EV3-Sets abgedeckt werden. Es sollte somit nicht als ein Programmierhandbuch oder als ein Referenzbuch für die konkrete Unterrichtsgestaltung angesehen werden.
Voraussetzungen
Um Nutzen aus diesem Buch zu ziehen, müssen die Leserin und der Leser weder über Vorkenntnisse in der Robotik, in der Programmierung noch mit der MINDSTORMS-Serie verfügen.
Vorkenntnisse aus diesen Bereichen können an der ein oder anderen Stelle hilfreich sein. Ebenfalls können (Konstruktions-)Erfahrungen mit einem Set aus der TECHNIC-Reihe von LEGO® beim Bau der EV3-Roboter nützlich sein, notwendig ist dies aber für das Verständnis der einzelnen Kapitel nicht. Das vorliegende Buch führt den Leser und die Leserin schrittweise heran, um von Grund auf zu verstehen, was benötigt wird, damit interessante Roboter mit LEGO® MINDSTORMS gebaut und programmiert werden können. Dabei werden auf spielerische Art grundlegende Konzepte des EV3-Systems erlernt.
Alles, was der Leser, die Leserin neben diesem Buch dazu benötigt, ist im EV3-Set der Home-Edition (Set# 31313) oder in der Education-Edition (Set #45544) enthalten. Alle Bauanleitungen wurden für beide EV3-Sets konzipiert.
Neben dem EV3-Set ist für die Programmierung der Roboter ein Computer erforderlich. Der Computer muss über ein für die in diesem Buch verwendete EV3-Programmierumgebung geeignetes Betriebssystem verfügen. Dies bedeutet, dass die EV3-Programmierumgebung unter Windows XP, Vista, Windows 7, Windows 8 32bit / 64 bit, Mac OS 10.6, 10.7 und 10.8 verwendet werden kann.
Downloads
Auf der Verlags-Website zum Buch unter www.mitp.de/9473 sind die im Buch enthaltenen Programme als bereits vollständige Projekte für die EV3-Software verfügbar, sowie ggf. weitere Informationen.
Aufbau des Buches
Das vorliegende Buch führt die Leserin und den Leser in die Grundlagen
des EV3-Systems,
die Programmierung mit der EV3-Software und
die Konstruktion von EV3-Robotern
ein.
Jedes Kapitel kann unabhängig von den anderen Kapiteln durchgearbeitet werden und ist in sich abgeschlossen. Bei der Konzeption des Buchs wurde darauf geachtet, dass sich Theorie und Praxis in einem ausgewogenen Verhältnis befinden. Der Anfang des Buches bietet einen einfachen Einstieg in Konstruktion und Programmierung eines EV3-Roboters. Der Schwierigkeitsgrad und die Komplexität der Experimente nimmt mit jedem weiteren Teil zu, wobei auch innerhalb dieser Kapitel darauf geachtet wurde, theoretische Erkenntnisse direkt praxisnah mit dem jeweiligen Roboter-Modell umsetzen zu können.
Zu jedem vorgestellten Modell ist eine Bauanleitung vorhanden. Die im Laufe des Buches dargestellten Bauanleitungen beziehen sich ausschließlich auf das im Handel erhältliche EV3-Set. Wie eingangs erwähnt, befinden sich die Bauanleitungen für das EV3-Education-Set in Anhang C. Die Bauanleitungen sind auch für Einsteigerinnen und Einsteiger leicht nachvollziehbar. Das jeweilige Roboter-Modell kann so leicht Schritt für Schritt nachgebaut werden. Zusätzliche LEGO®-Teile werden für die hier beschriebenen Roboter-Modelle nicht benötigt.
Wichtig
Da LEGO® im EV3-Set sehr viele schwarze Balken verwendet, wurde die Farbwahl für diese Balken leicht geändert. Somit lassen sich die einzelnen Konstruktionsschritte besser nachvollziehen.
Zu Beginn aller Kapitel werden der Schwierigkeitsgrad und die wesentlichen Punkte für die Konstruktion und Programmierung kurz skizziert. Am Ende der einzelnen Kapitel werden in einem zusätzlichen Abschnitt, »EV3+« genannt, Anregungen gegeben, wie die vorgestellten Experimente und Roboter selbstständig weiterentwickelt werden können.
Welche Inhalte haben die einzelnen Kapitel?
Das Buch gliedert sich in fünf Teile.
Begonnen wird mit einer generellen Einführung in das EV3-Set, in der die Komponenten des EV3-Systems und deren Verwendung vorgestellt werden. Ebenso geht Teil I des Buches umfassend auf die grafische Programmierumgebung ein, die EV3-Software. Sie wird von der Installation bis zum Erstellen eines ersten eigenen Programms beschrieben.
In Teil II des Buchs liegt der Schwerpunkt auf der Konstruktion von Roboter-Modellen. Drei verschiedene Modelle bieten die Möglichkeit, sich intensiv der Konstruktion von Robotern zu widmen und dabei mit den LEGO®-Teilen des EV3-Sets vertraut zu werden.
Wichtig
Roboter-Modelle, die mehr Zeit zum Bau benötigen, können bereits leicht an der Schreibweise erkannt werden. Eine »3« anstelle des Buchstabens »e« im Namen des Robot3r-Modells deutet auf eine etwas aufwendigere Konstruktion hin. Hierfür sollte entsprechend mehr Zeit eingeplant werden.
Teil III des Buchs stellt die Sensoren der EV3-Home- und Education-Edition vor und zeigt, wie diese in sinnvoller Art und Weise an dem Roboter-Modell Mars-Rov3r verwendet werden können. Dabei wird auf die Funktionsweise und die Programmierung jedes Sensors eingegangen. Das erlernte Wissen kann direkt am Mars-Rov3r getestet werden.
Mit dem Wissen aus den vorangegangenen Abschnitten werden in Teil IV komplexere Varianten sowohl in der Konstruktion als auch in der Programmierung eines EV3-Roboters veranschaulicht. Unter anderem wird gezeigt, wie ein Roboter einer Linie folgen kann oder wie man eine EV3-Marion3tt3 baut und programmiert.
In Teil V wird anhand eines Beispiels aus der Sportwelt dargestellt, wie die Bluetooth-Kommunikation zwischen zwei EV3-Robotern funktioniert. Dabei macht ein Train3r-Roboter Bewegungen vor, die ein Sportl3r-Roboter nachahmt.
Hier ist ein Kurzüberblick zu den Inhalten des Buchs:
Teil I – Einführung
Was ist LEGO® MINDSTORMS?
Geschichte und Einsatzmöglichkeiten
Inhalt des EV3-Education-Sets
Unterschiede zwischen Home-Edition und Education-Edition
Nutzen und Einsatzmöglichkeiten der elektronischen Teile
Nutzen und Einsatzmöglichkeiten einiger TECHNIC-Teile
Der EV3-Stein: Eigenschaften und Funktionen
Die Programmierumgebung
Installation und erste Schritte
Programmier-Paradigmen
Anbindung des Roboters mit USB und Bluetooth
Der Programmier-Zyklus: Entwickeln, Speichern, Herunterladen, Testen (abgeschlossenes »Hello World«-Tutorial)
EV3-Software für den NXT
Teil II – Bewegung
Raupenfahrzeug – Konstruktion eines Roboters mit Kettenantrieb
Roboter-Auto – Bau und Programmierung eines Roboters mit Radantrieb durch Einsatz der Motor-Drehsensoren
Laufroboter Krabbl3r – Konstruktion eines sechsbeinigen Roboters und Programmierung verschiedener Gangarten
Teil III – Sensoren
Mars-Rov3r – Konstruktion und Programmierung eines Roboters mit Greifer und verschiedenen EV3-Sensoren
Berührungssensor
Infrarotsensor
Ultraschallsensor
Farbsensor
Kreiselsensor (Gyroskop)
Teil IV – Anwendung fortgeschrittener Konzepte
Ein Wächt3r-Roboter veranschaulicht, wie ein Roboter einer Linie folgen kann.
Eine Marion3tt3 als Roboter, geht das? Wir zeigen, wie.
Ein Dr3ifuß-Roboter zeigt, wie der Zamor-Launcher aus der Home-Edition genutzt werden kann.
Teil V – Kommunikation mit dem Roboter
Kommunikation unter Robotern mit Bluetooth
Sicherstellen, dass sich zwei Roboter auch »verstehen«
Umsetzung der Kommunikation anhand eines Train3r-Roboters und eines Sportl3r-Roboters. Der Train3r macht die Übung vor, die der Sportl3r nachmachen soll.
Erklärung der verwendeten Bezeichnungen und Symbole
In den Bauanleitungen bezeichnen Zahlen an einem Bauteil, wie oft dieses Teil im jeweiligen Schritt zu verwenden ist. Bei Balken und Achsen wird zusätzlich in kursiver Schrift die Länge des Teils in Modulen angegeben, siehe Abbildung 1.
Abb. 1: Balken der Länge 7M, der zweimal benötigt wird
Ein Rotationspfeil in einem Schritt deutet an, dass das Modell vor dem Anbringen der jeweiligen Bauteile in die entsprechende Richtung gedreht werden muss.
Ein (oder mehrere) Pfeil/e in einem Schritt einer Bauanleitung markiert Stellen am Modell, in die ein bestimmtes Bauteil einzufügen ist. Dies wird nur dann verwendet, wenn es nicht anderweitig ersichtlich ist (Abbildung 2).
Abb. 2: Stelle, an der ein Teil (hier: eine Achse) einzufügen ist
Verwendete Werkzeuge
Das Manuskript dieses Buches wurde mit OpenOffice verfasst. Bei der Erstellung der virtuellen Robotermodelle kamen MLCAD zum Einsatz. Daraus wurden die Bilder und Bauanleitungen mit den Werkzeugen LPUB und LDVIEW erzeugt. Für die Bildbearbeitung und die Erzeugung der Screenshots wurden GIMP und Paint.NET verwendet. Die Diagramme zur Visualisierung des Programmablaufs entstanden mit dem Werkzeug Astah Community.
Anmerkung
Aus Gründen der besseren Lesbarkeit verzichten die Autoren im weiteren Verlauf des Buchs auf die gleichzeitige Verwendung männlicher und weiblicher Sprachformen. Sämtliche Personenbezeichnungen gelten gleichwohl für beiderlei Geschlecht.
Teil I: Grundlagen
In diesem Teil:
Kapitel 1
LEGO® MINDSTORMS – Von RCX zu EV3
Kapitel 2
Die Komponenten des EV3-Sets
Kapitel 3
EV3-Softwareumgebung – von der Einführung bis zum ersten Programm
Kapitel 4
Wissenswertes zur Programmierung mit der EV3-Software
Kapitel 5
Grundlegende EV3-Blöcke zur Steuerung des Programmablaufs
Kapitel 1: LEGO® MINDSTORMS – Von RCX zu EV3
Im Jahr 1998 wurden von The LEGO Group® die ersten Komponenten der MINDSTORMS-Serie veröffentlicht: Das Robotic Invention Set (RIS) enthielt eine zentrale programmierbare Steuereinheit, den sogenannten Robotic Command Explorer (RCX). Mit dem RCX wurden elektrische Motoren und Sensoren entwickelt. Standardmäßig ließen sich der RCX-Stein und die Motoren mit den sonstigen LEGO®-Komponenten aus den SYSTEM- und TECHNIC-Serien verbinden.
Im August 2006 wurde das Robotic Invention Set durch das Nachfolgesystem LEGO® MINDSTORMS NXT abgelöst. Das mit dem RIS eingeführte Konzept wurde mit dem NXT fortgeführt. Das zentrale Element der LEGO® MINDSTORMS blieb der intelligente »Stein« der NXT, an dem wieder Sensoren und Motoren angeschlossen werden konnten. Sowohl der NXT-Stein als auch die Sensoren waren aber im Vergleich zu dem RCX erheblich leistungsfähiger. Eine weitere wesentliche Neuerung gegenüber dem Vorgänger war die Offenlegung der Hardware- und Softwarespezifikationen. Diese Öffnung und die Gründung verschiedener Partnerprogramme, z. B. der MINDSTORMS Community Partners MCP und das MINDSTORMS Developer Partners Program, verhalfen dazu, das große Potenzial der LEGO- und Robotik-begeisterten Gemeinschaft zu nutzen und die Möglichkeiten des NXT-Systems in großem Maße auszuschöpfen.
Abb. 1.1: Von RCX zu EV3
War die Bandbreite der verfügbaren Sensoren für das RCX-Set noch recht überschaubar, gibt es für den NXT eine große Anzahl an Sensoren von Drittfirmen wie HiTechnic, Mindsensors oder Vernie. Somit können bereits Kinder und Jugendliche leicht in die Konstruktion und Programmierung eines Roboters einsteigen. Aber auch auf Hochschulniveau bietet das NXT-System für Studenten und Erwachsene ausreichend Möglichkeiten von der fortgeschrittenen Programmierung und Konstruktion bis hin zum Eigenentwurf von elektronischen Bauteilen, wie z. B. Sensoren. Nicht zuletzt nutzen Initiativen in den USA (LEGOEngineering) und Europa (Roberta® – Lernen mit Robotern) das NXT-System, um Kinder, Jugendliche, Studentinnen/Studenten und Lehrkräfte für Technik und Naturwissenschaften zu begeistern.
Seit August 2013 wurde die LEGO® MINDSTORMS-Serie um ein neues Mitglied mit dem Namen EV3 (EV für Evolution und 3 für das dritte System der MINDSTORMS-Serie) erweitert. Mit EV3 hat LEGO® konsequent die beiden erfolgreichen Vorgängersysteme weiterentwickelt. Sowohl der intelligente »Stein« als auch die elektrischen Komponenten wurden an den heutigen Stand der Technik angepasst.
Um nur eine Weiterentwicklung herauszugreifen, sei an dieser Stelle die Auto-ID-Funktion der Motoren und Sensoren erwähnt. Schließt man beispielsweise den Farbsensor an einen Sensorport des EV3-Steins an, erkennt die offizielle LEGO® EV3-Software automatisch den Port, an dem der Sensor angeschlossen ist – vorausgesetzt, der EV3 ist eingeschaltet und mit dem PC verbunden (siehe in Kapitel 3 den Abschnitt 3.6.2).
1.1 Der intelligente LEGO®-Stein EV3
Es handelt sich um einen Computer, der selbstständig Programme ausführen kann, die mittels einer dazu geeigneten Software in ein für den Stein verständliches Format übersetzt wurden. Der Stein kann somit als Gehirn des Roboters bezeichnet werden.
EV3 ist im Vergleich zum NXT mit einem schnelleren Prozessor und mehr Speicher ausgestattet. Firmware und Programme werden im Flash-Speicher abgelegt und bleiben auch ohne Stromversorgung längere Zeit erhalten. Mit EV3 wird zudem Linux als Betriebssystem eingesetzt.
Kommunikation mit dem PC ist bei EV3 ähnlich geregelt wie beim NXT. Zusätzlich zur Verbindung der Steuereinheit (»intelligenter Stein«, engl. intelligent brick) zu PC via USB und Bluetooth gibt es die Möglichkeit, den Stein per USB mit einem weiteren Stein (sogenanntes daisy chain) zu verbinden.
Abb. 1.2: LEGO® MINDSTORMS EV3 Education-Set (Quelle: LEGO Education)
Wie Abbildung 1.2 zeigt, können am EV3-Stein vier Sensoren angeschlossen werden. Die Anzahl der Motorausgänge blieb im Vergleich zum NXT mit vier Anschlüssen gleich. Zur Verbindung zwischen EV3 und Sensoren bzw. Motoren werden die vom NXT bekannten Kabel mit RJ12-Stecker (vergleiche Abbildung 1.3) verwendet.
Tabelle 1.1 zeigt die Unterschiede zwischen EV3- und NXT-Stein. Die Angaben beziehen sich auf die von LEGO® veröffentlichten Spezifikationen.
NXT
EV3
Prozessor
Atmel 32-Bit ARM AT91SAM7S256
48 MHz
256 KB FLASH-RAM
64 KB RAM
ARM9
300 MHz
16 MB Flash
64 MB RAM
Co-Prozessor
Atmel 8-Bit AVR, ATmega48
8 MHz
4 KB FLASH-RAM
512 Byte RAM
Betriebssystem
Proprietär
Linux
Sensoranschlüsse
4
Analog
Digital: 9600 bit/s (IIC)
4
Analog
Digital, bis zu 460,8 Kbit/s
USB-Kommunikation
Maximalgeschwindigkeit (12 Mbit/s)
Maximalgeschwindigkeit (480 Mbit/s)
USB-Host
Schnittstelle
Daisy chain (3 levels)
WiFi-Kommunikation
USB-Speichermedium
SD-Card-Lesegerät
MicroSD-Karte, bis 32 GB
Verbindungsmöglichkeit mit anderen Mobil-Geräten
Betriebssystem: Android
Betriebssystem: Apple, Android
User-Interface
4 Knöpfe
6 Knöpfe inkl. Beleuchtung (z. B. um Fehler im Programm zu beheben)
Display
LCD Matrix, monochrom
100 x 64 Pixel
LCD Matrix, monochrom
178 x 128 Pixel
Kommunikation
Bluetooth
USB 2.0
Bluetooth v2.1DER
USB 2.0 (Kommunikation zum PC)
USB 1.1 (Kommunikation zwischen zwei EV3-Steinen – Reihenschaltung, engl. daisy chain)
Tabelle 1.1: Vergleich technische Details zwischen NXT und EV3 (Quelle: The LEGO® Group 2012)
Die Sensoren und Motoren können, einmal an den Stein angeschlossen, von diesem angesteuert werden. Mit einem geeigneten Programm kann man also Motoren starten, stoppen und in verschiedenen Geschwindigkeiten laufen lassen. Ebenso können Sensorwerte ausgelesen und auf ihre Veränderungen reagiert werden. Wie oben bereits erwähnt, wird zur Verbindung von Sensoren und Motoren das mit dem NXT eingeführte Kabel vom Typ RS-12 (siehe Abbildung 1.3) verwendet.
Abb. 1.3: EV3-Kabel (Typ: RS-12)
Ähnlich wie beim NXT befindet sich auch beim EV3 das Anzeigefenster (Display), in dem Text und Grafiken angezeigt werden, auf der Oberseite des Steins, dort können Systemeinstellungen vorgenommen werden. In erster Linie dient das Display zur Auswahl der auf dem EV3-Stein befindlichen Programme und zur Einstellung der Parameter Lautstärke, Sleep-Timer, Bluetooth und WiFi (mit einem USB-Dongle).
Unterhalb des Displays befinden sich beim EV3 sechs beleuchtete Knöpfe (siehe Abbildung 1.4).
Abb. 1.4: Intelligenter EV3-Stein (LEGO® Education)
Knopf zum Einschalten, zur Menü-Auswahl und zum Ausschalten
Knopf zum DE-SELECT, um eine Menüebene zu verlassen und zur Auswahl des »Ende-Dialogs«, um den EV3-Stein auszuschalten
Navigationsknöpfe zur Menü-Navigation nach links/rechts und oben/unten
Das Menü des EV3-Steins besteht aus folgenden Oberpunkten:
Programme auswählen (Play/Start-Symbol)
Projekte auswählen (Dokument-Symbol)
EV3-Kontrollinstrumente (Sechser-LEGO®-Stein-Symbol)
EV3-Einstellungen (Werkzeugschlüssel-Symbol)
Abb. 1.5: Menüstruktur des EV3-Steins
Während bei den ersten beiden Menüpunkten die jeweiligen auf dem EV3-Stein geladenen Programme und Projekte ausgewählt und ausgeführt werden können, kann mit den Kontrollinstrumenten und Einstellungen die Funktionalität des EV3-Steins überprüft oder geändert werden. Das Menü EV3-Konstrollinstrumente bietet beispielsweise die Möglichkeit, die Motoren und den Infrarotsensor zu testen oder im Menüpunkt Brick Datalog die angeschlossenen Motor- und Sensorwerte anzuzeigen. Mit dem Menü Brick Programm (der sogenannten: On-Brick-Programmierung) können erste einfache (Test-)Programme erstellt werden, wobei die Handhabung leider nicht sehr intuitiv ist.
Ebenso wie der NXT verfügt der EV3 auch über einen Lautsprecher, mit dem sowohl einzelne Töne als auch ganze Sound-Dateien abgespielt werden können.
Zur eigenen Energieversorgung und zum Betrieb der angeschlossenen elektronischen Komponenten benötigt der Stein sechs handelsübliche AA-Batterien.
Hinweis
Wir empfehlen aus Kosten- und Umweltschutzgründen, wiederaufladbare Batterien bzw. den bei LEGO® Education erhältlichen Akku-Pack zu verwenden. Das Akku-Pack kann direkt am EV3 geladen werden. Hierfür kann das Ladegerät der NXT-2.0-Serie verwendet werden – LEGO® Transformator 8887 (10V).
1.2 Home- und Education-Edition
Wie bereits mit dem NXT-System eingeführt, erscheint auch das EV3-Set in zwei Varianten – die für Privatanwender konzipierte Home-Edition, die im Spielwarenhandel erhältlich ist, und das für den Lehrbereich angepasste Education-Set (erhältlich über LEGO® Education). Die Aufteilung in ein Home- und ein Education-Set hat im Wesentlichen Vermarktungs- und vertriebliche Gründe.
Der Inhalt des EV3-Education-Sets unterscheidet sich aufgrund der Zielgruppe sowohl in den elektronischen wie auch in einigen nicht elektronischen Komponenten. Beispielsweise enthält das Education-Set einen Ultraschallsensor statt eines Infrarotsensors, wie ihn die Home-Edition enthält.
Zusätzliches Unterscheidungsmerkmal ist der im Education-Set enthaltene Akku, der in das Batteriefach des EV3-Steins passt, wodurch sich allerdings die Gesamthöhe des Steins ändert.
Hinweis
Alle im Laufe dieses Buches beschriebenen Roboter-Modelle berücksichtigen das Home-Set. Die Bauanleitungen für das EV3-Education-Set finden Sie am Ende des Buches in Anhang C.
Da die Education-Edititon für den Einsatz an Schulen und im universitären Bereich gedacht ist, wird sie über die Kanäle von LEGO® Education vertrieben und üblicherweise nicht in Spielwarengeschäften angeboten.
Kapitel 2: Die Komponenten des EV3-Sets
Die Komponenten des EV3-Sets können in folgende Kategorien eingeteilt werden:
Elektronische Teile
Nicht elektronische Teile
Zu den elektronischen Teilen gehören die Sensoren, die Motoren sowie der EV3-Stein.
Wichtig
Die Angaben zu den Sensoren und Motoren beziehen sich auf die von LEGO® veröffentlichten Spezifikationen.
Die nicht elektronischen Teile sind die LEGO®-Steine wie Zahnräder, Balken oder Verbindungsstücke.
2.1 Nutzen und Einsatzmöglichkeiten der elektronischen Teile
Erst die elektronischen Komponenten verleihen unserem Roboter »Intelligenz«. Mithilfe von Sensoren, Motoren und dem EV3-Stein, bei dem alle Daten zusammenlaufen und verarbeitet werden, können wir unseren Roboter programmieren, auf seine Umwelt zu reagieren.
Im folgenden Abschnitt werden alle im EV3-Set (Home- und Education-Edition) enthaltenen elektronischen Komponenten aufgeführt. Im Teil III des Buches wird am Beispiel des Mars-Rov3r-Roboters gezeigt, wie die jeweiligen Sensoren sinnvoll eingesetzt werden können.
2.2 Elektronische Komponenten
2.2.1 Großer Motor
Die großen Motoren sind sogenannte Servos, das heißt, dass ihre Position und ihr Zustand von außen kontrolliert und abgefragt werden können. Durch einen eingebauten Drehsensor (Rotationssensor) kann die Drehung des Motors auf 1° genau gesteuert werden. Ebenso kann die Drehgeschwindigkeit sehr exakt bestimmt werden. Dies ermöglicht es, mehrere Motoren miteinander synchron laufen zu lassen. Wie dies praktisch umgesetzt werden kann, zeigt Kapitel 6Raupenfahrzeug in Teil II des Buches. Im Vergleich zum mittleren Motor ist der Große Motor langsam, dafür aber leistungsstärker.
Abb. 2.1: EV3, großer Motor
Winkelgenauigkeit: 1°
Anzahl der Drehungen: 160 bis 170 U/min
Drehmoment für Rotationen: 20 Ncm
Drehmoment für Stillstand: 40 Ncm
Gewicht: 76 g
Auto-ID gilt für EV3-Software
Anzahl: Home-Set: 2; Education-Set: 2
2.2.2 Mittlerer Motor
Auch beim mittleren Motor handelt es sich um einen Servomotor. Dieser ist gut geeignet für den Einsatz, wenn eine hohe Drehzahl benötigt wird. Auch der mittelgroße Motor kann aufgrund des integrierten Drehzahlmessers mit einer Genauigkeit von 1° gesteuert werden (siehe Teil II, Kapitel 8»Der Krabbl3r«).
Abb. 2.2: EV3, mittlerer Motor
Anzahl der Drehungen: 240 bis 250 U/min
Drehmoment für Rotationen: 8 Ncm
Drehmoment für Stillstand: 12 Ncm
Gewicht: 36 g
Auto-ID gilt für EV3-Software
Anzahl: Home-Set: 1, Education-Set: 1
2.2.3 Farbsensor
Wie der Name bereits ausdrückt, kann der Farbsensor verschiedene Farben erkennen. Hierzu wird ein Gegenstand nacheinander mit rotem, grünem und blauem Licht bestrahlt. Aus der jeweiligen Reflexion wird die »Gesamtfarbe« ermittelt. Der Sensor kann Farben zuverlässig aus bis zu 2 cm Entfernung erkennen, allerdings ist er sehr anfällig bei ungünstigen oder sich verändernden Lichtverhältnissen. Der Farbsensor kann in den drei Modi:
Farbmodus,
Modus »Stärke des reflektierten Lichts« und
Modus »Stärke des Umgebungslichts«
betrieben werden.
Im Farbmodus können bis zu sieben Farben unterschieden werden.
