Programmierung mit LEGO MINDSTORMS NXT. I. Informatik und algorithmisches Problemlösen

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1 Programmierung mit LEGO MINDSTORMS NXT I. Informatik und algorithmisches Problemlösen Prof. Dr. Karsten Berns Arbeitsgruppe Robotersysteme Fachbereich Informatik Technische Universität Kaiserslautern Motivation Zielsetzung Vermittlung von informationstechnischen Inhalten und Entwicklungsabläufen Begeisterung für Informatik steigern Interesse an technischem Studium wecken Vermittlung von wissenschaftlichem Arbeiten Grundlagen LEGO MINDSTORMS-Roboter als Motivation Für viele Schülerinnen und Schüler bekannte Hardware Gute Wissensvermittlung unterschiedl. Ingenieursdisziplinen Vielfältige Erweiterungsmöglichkeiten Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 2 1

2 Definition Informatik Begriffsklärung Informatik (technische Sicht): Die Informatik umfasst Wissenschaft, Technik und Anwendung der maschinellen Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Information. (Prof. Broy, TU München) Begriffsklärung Informatik (Aufgabensicht): Informatik ist die Wissenschaft von der Automatisierung geistiger Tätigkeiten und nicht-physikalischer Abläufe in Lebewesen oder Organisationen. (Prof. Dr. Poetzsch-Heffter, TU KL) Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 3 Systematische Informationsverarbeitung Entwicklungsumgebung Test: - Simulation - realer Roboter Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 4 2

3 Warum Robotik? Interessantes Anwendungsgebiet der Informatik Adressiert viele Fragestellungen Eingebetteter Systeme Vielfältige Problemstellungen der Informationsverarbeitung (von der Mechatronik bis zur KI) Zusätzlich Wissensvermittlung unterschiedl. Ingenieursdisziplinen Problemkomplexität kann beliebig skaliert werden Für alle Alterstufen interessant Alle Aspekte der Informatik enthalten Erleben von Informatik Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 5 Warum LEGO MINDSTORMS? LEGO MINDSTORMS-Roboter einfach zu entwickeln Kostengünstig im Vergleich zu anderen Robotersystemen Umfangreiche Sensorik vorhanden Robuste Technologie Einfache und komplexe Programmierung möglich Direkte Überprüfung der Programme möglich Schnelle Erfolgserlebnisse für Einsteiger Vielfältige Erweiterungsmöglichkeiten Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 6 3

4 LEGO MINDSTORMS NXT Programmierbarer Baustein (NXT) Anschlüssen für bis zu 4 Sensoren und 3 Motoren USB- und Bluetooth-Verbindung 3 Servomotoren mit integrierten Rotationssensoren 4 Sensoren in Basis-Set enthalten über 500 LEGO-Technik-Elemente Graphische Programmierumgebung und Compiler NXT-G Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 7 Grundkasten und Prozessor 32 Bit ARM-Prozessor 48 MHz 256 KByte Speicher 64 KByte Arbeitsspeicher 8 Bit Co-Prozessor für Messwertvorverarbeitung Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 8 4

5 Sensoren und Motor Tast-, Geräusch-, Licht- und Ultraschallsensor, Motor Erweiterungen: Drehsensor, Farbsensor, Beschleunigungssensor, Kompasssensor, GPS, RFID-Sensor, Kamera, Temperatursensor, über 40 Sensoren von Vernier (über Adapter), uvm. Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 9 Vielzahl von Robotermodellen Informatik und algorithmisches Problemlösen I

6 Anwendungsbeispiel Navigation Roboter Navigation in unbekannter Umgebung Roboterkinematik Wandfolgen und Hindernisvermeidung Lokalisierung Kartenerstellung Navigation mit Karten Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 11 Warum Systemanalyse? Frage zu der Programmieraufgabe Nr. 45 Drehen um einen bestimmten Winkel aus dem Buch Programmierung mit LEGO MINDSTORMS NXT : Es ist selten möglich, eine exakte Drehung um 90 durchzuführen. Wird die Winkelgeschwindigkeit hoch gesetzt, wird die Drehung noch ungenauer. Eigentlich müsste aber doch der Algorithmus unabhängig der Winkelgeschwindigkeit exakt ausgeführt werden können. Lediglich die Drehung müsste bei einer höheren Winkelgeschwindigkeit schneller ausgeführt werden. Analyse der Anforderungen und des Systems notwendig Informatik und algorithmisches Problemlösen I

7 Systemanalyse Mechanik / Kinematik Vorgabe: Robotergeschw., Winkelgeschw. Berechnung des Drehradien Berechnung der Einzelradgeschw. Probleme: Fahrzeugparameter (Radradien, -abstände) nicht exakt Radschlupf Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 13 Systemanalyse Sensorik Ultraschall, Taster, Kompass Messprinzip Ultraschall: Probleme: Mehrdeutigkeiten Fehlmessungen 255 cm +/- 3cm 40 khz 60 Informatik und algorithmisches Problemlösen I

8 Systemanalyse Motoren Pulsweitenmodulierte Motoransteuerung Vorgaben: Leistung/Geschwindigkeit Rotation Probleme: Leistung ggf. nicht ausreichend (ungeregelte Vorgaben) Motordrehung nicht exakt Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 15 Systemanalyse Anforderungsanalyse Was muss das System leisten? Fragestellungen: In welcher Umgebung soll sich der Roboter zurecht finden? Gibt es ein festes Raster (z.b. im Labyrinth)? Welche Hindernisse müssen erkannt werden? Wie genau muss/kann die Lokalisierung sein? Welche Genauigkeit der Karte ist erforderlich? Informatik und algorithmisches Problemlösen I

9 Systementwurf Aus welchen Komponenten muss das System bestehen und wie sollen diese umgesetzt werden? nur Entwurf des Steuerungssystems (nicht der Hardware) Teilaufgabe: Geradeausfahrt mit Hindernisvermeidung Beschreibung der unterschiedlichen algorithmischen Aspekte: 1. Mit Ultraschallsensor Entfernung in Fahrtrichtung messen 2. In Entfernungswert erkennen, ob Hindernis in Reichweite ist 3. Die Fahrtrichtung ändern / rückwärts fahren 4. Die Messungen und sofern notwendig das Hindernisausweichen regelmäßig wiederholen Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 17 Systementwurf Modellierung der Hindernisvermeidung Schleife (endlos) Einfache Verzweigung d < d Grenze Entfernung d mit Sensor messen Entfernung d mit Grenzwert d Grenze vergleichen d d Grenze Datenstrukturen: Variable d Konstante n, d Grenze Datenfelder: Historie der Messwerte Methoden und Funktionen: Raddrehen Bestimmen des Sensorwerts Linkes Rad stoppen, rechtes Rad n drehen Vorwärts fahren Informatik und algorithmisches Problemlösen I

10 Codierung Umsetzung des Entwurfs Wie muss das vollständige System aussehen? Umsetzung in einer konkreten Programmiersprache Unterstützung des Prozesses durch Entwicklungsumgebung und weitere Werkzeuge Codierung der Hindernisvermeidung: 01 repeat { 02 entfernung = MesseEntfernungUltraschall(); 03 if ( entfernung > 0.3 ) 04 { StopMotor(LINKS); DreheMotor(RECHTS, 90); } 05 else 06 { DreheMotor(LINKS, 90); DreheMotor(RECHTS, 90); } 07 } 08 until ( false ); Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 19 Übersetzung und Testen Übersetzung des Codes durch Compiler in Maschinensprache Übertragung des Programms auf den LEGO Roboter Testen und Analyse des Programms Weicht der Roboter rechtzeitig aus? (Ist der Grenzwertes gut gewählt?) Dreht sich der Roboter weit genug weg? (Sind die Umdrehungswerte korrekt?) Erkennt der Roboter alle Hindernisse? (Ist der Sensor korrekt positioniert und richtig angeschlossen?) Zyklische Wiederholung der Entwicklungsphasen Anpassung von Spezifikationen oder Programm Informatik und algorithmisches Problemlösen I

11 Weitere Inhalte Rechensystem Duale Arithmetik Befehlssatz Arbeitsspeicher und Register Datenübertragung Datenformate Beispiel Prozessor NXT Informatik und algorithmisches Problemlösen I - 21 Informatikausbildung mit LEGO MINDSTORMS Prinzipien der Informationsverarbeitung Schritte zur maschinellen Informationsverarbeitung am Beispiel von Roboterfragestellungen Spezifikation Anforderungsanalyse Programmierung Verwendung von NXT-G für Mittelstufe Verwendung von LeJOS für Oberstufe Informatik und algorithmisches Problemlösen I