3. Fahrbarer Roboter. Roboterprogrammierung. Autor: Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik Campus Soest

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1 3. Fahrbarer Roboter Einführungs Autor: Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik Campus Soest

2 Hinweise zur Bearbeitung Alle Aufgaben innerhalb dieses Praktikums beinhalten verschiedene Aspekte der Arbeit mit den LEGO Mindstorms Komponenten und der Programmiersoftware LabVIEW. Um eine möglichst intuitive Bearbeitung der Aufgaben zu ermöglichen werden innerhalb der Dokumentation die folgenden Symbole und Notationen benutzt. d Symbol / Notation Menüpunkt 1 Menüpunkt 1 Befehl A projekt1.c projekt2.c Abbildung 1 1 Task main() 2 { 3 Motor[port3] = 0; 4 } Bedeutung Das Symbol der Maus deutet auf Bereiche innerhalb des Praktikums hin, in denen bestimmte Bereiche selbstständig gelöst werden sollen. Die nebenstehende Zahl ordnet jeder Lektion eine eindeutige Nummer zu um die Orientierung zu erleichtern. Textbausteine, die fett gedruckt und in alternativer Schriftart abgedruckt sind sollen auf Menüpunkte oder Befehle innerhalb von LabVIEW hinweisen. Der Pfeil zwischen zwei fett gedruckten Texten deutet auf eine Sequenz von Menüpunkten oder Befehlen hin. Hier soll also der Befehl A unter dem Menüpunkt 1 ausgeführt werden. Die Diskette deutet auf Dateizugriffe hin. An diesen Stellen werden entweder Dateien gespeichert (Schreibende Hand) oder geöffnet (Offene Hand). Der jeweilige Dateiname ist neben dem Diskettensymbol angeordnet. Hier soll also das aktuelle Projekt unter dem Dateinamen projekt1.c gespeichert werden und ein anderes Projekt mit dem Dateinamen projekt2.c geladen werden. Die hellblaue Schrift deutet auf Abbildungen, Tabellen oder andere im Text eingebettete Elemente hin. Texte oder Grafiken in einer solchen geschweiften Zelle deuten daraufhin, dass hier nur Ausschnitte einer größeren Ansicht dargestellt sind. Texte die in der nebenstehenden Art und Weise formatiert sind deuten immer auf Code-Abschnitte hin. Hierbei wird zur besseren Orientierung immer die Zeilennummer angegeben. Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

3 Ein führung Während des letzten Praktikumstermins wurden Grundlagen der Programmierung mit LabVIEW vorgestellt. Hierzu wurde ein fahrbarer Roboter aufgebaut und eine erste einfache Applikation (Hindernisdetektion) realisiert. Basierend auf diesem Modell sollen nun während dieses zweiten Praktikums weitere wichtige Funktionen eingeführt werden. Hierbei soll im ersten Teil (Aufgabe 3.1) das bereits bestehende Programm zur Hindernisdetektion so erweitert werden, das der Roboter in der Lage ist ein unbekanntes Labyrinth selbstständig zu durchfahren. In diesem Zusammenhang sollen zunächst einfache Regeln definiert werden die dies ermöglichen. Aufgabe 3.1 Labyrinth Mit Hilfe des Ultraschallsensors wurde während des letzten Praktikums realisiert, dass der Roboter automatisch einem Hindernis ausweicht. Auf dieser Grundidee und dem zugehörigen Programm soll in der ersten Aufgabe dieses Praktikums aufgesetzt werden um einen Roboter zu entwickeln der selbstständig durch ein Labyrinth fahren kann und den Ausgang findet. Hierzu wird erneut der Ultraschallsensor eingesetzt, wobei diesmal die Wände des Labyrinthes sicher erkannt werden müssen. Zunächst ist es aber entscheidend dass man das gewünschte Verhalten des Roboters definiert. Eine solche Handlungsvorschrift nach der ein Roboter agieren soll nennt man einen Algorithmus. Dieser ist zunächst einmal unabhängig von einer spezifischen Programmiersprache, da es sich hierbei um eine allgemeine Beschreibung der notwendigen Schritte zur Lösung eines Problems handelt, die dann aber später in einem Programm implementiert wird. In der Regel werden solche Algorithmen zunächst einmal in einer allgemeinen Form notiert. Diese Form sollte es ermöglichen den jeweiligen Algorithmus in jeder beliebigen Programmiersprache implementieren zu können. Hierzu stehen zahlreiche Beschreibungsmöglichkeiten zur Verfügung. Die einfachste Art ist die Beschreibung durch sogenannten Pseudo-Code. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für eine textuelle Programmbeschreibung mittels Pseudo-Code. 1 Roboter starten 2 Solange kein Button auf NXT gedrückt wurde 3 Auslesen des Ultraschallsensors und Anzeige auf dem Display 4 Wenn Hindernis erkannt dann 5 Roboter stoppen 6 Roboter im Bogen zurückfahren 7 Roboter wieder starten 8 sonst 9 Roboter stoppen 10 PROGRAMMENDE Abbildung 1 Beispiel für die Beschreibung eines Programmes mit Hilfe von Pseudo-Code Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

4 Wie das Beispiel in Abbildung 1 zeigt liegt das Augenmerk beim Pseudo-Code wirklich auf der Beschreibung des Verhaltens eines Systems. Wie einzelne Punkte (z.b. Auslesen des Ultraschallsensors) im Programm zu implementieren sind spielt hierbei noch keine Rolle. Sei nun im Folgenden die gegebene Labyrinth-Aufgabe betrachtet: Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Labyrinth und die Startposition des Roboters. Abbildung 2 Beispiel für ein einfaches Labyrinth Pseudo-Code zur Beschreibung des Roboterverhaltens 1. Entwickeln Sie einen Algorithmus der es dem Roboter ermöglicht aus einem einfachen Labyrinth selbstständig hinauszufinden. 2. Entwickeln Sie den Pseudo-Code für Ihren Algorithmus. Verwenden Sie dabei möglichst eindeutige Aktionsbeschreibungen Benutzung der Rotationssensoren Innerhalb des Labyrinthes ist es notwendig, dass der Roboter Drehungen ausführt. So werden auch in Ihrem Pseudo-Code wahrscheinlich Aktionen auftauchen wie Roboter dreht sich nach links oder Roboter fährt Rechtskurve. Im letzten Praktikum wurde das Wendemanöver dadurch gelöst, dass einfach für eine definierte Zeit die Motoren entsprechend gesteuert wurden. Wie könnten wir aber den Roboter nun exakt eine 90 -Drehung ausführen lassen ohne mit Verzögerungen zu arbeiten? Hierzu steht innerhalb jedes Motors ein Rotationssensor zur Verfügung welcher es ermöglicht die Bewegung des Motors nach einem bestimmten Winkel zu stoppen. Abbildung 3 illustriert beispielhaft die Funktion des Rotationssensors bei laufendem Motor. Wie dort zu sehen ist kann der Block Rotation Sensor genutzt werden um den aktuellen Stand des Rotationssensors abzufragen. Dieser Block ist in der folgenden Bibliothek zu finden: AddOns NXTToolkit NXT Library Input. Hierbei ist es jedoch wichtig zu beachten, dass der zurückgegebene Wert keinen Absolutwert darstellt, d.h. um zum Beispiel eine 90 -Drehung des Motors aus der aktuellen Motorposition auszuführen muss der Stand des Rotationssensors zunächst auf Null gesetzt werden. Dies geschieht über den zusätzlichen booleschen Anschluss Reset des Rotation Sensor -Blocks der auf True gesetzt werden muss. Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

5 Abbildung 3 Zur Benutzung des Rotationssensors Um nun einen Motor (hier: einen Motor an Ausgangsport A) genau eine Umdrehung (360 ) fahren zu lassen, könnte das in Abbildung 4 dargestellte Programm genutzt werden. Hierbei wird auf der linken Seite der Pseudo-Code angegeben und auf der rechten Seite das Blockdiagramm in LabVIEW. Pseudo-Code LabVIEW-Diagramm 1 Rotationssensor an Port A zurücksetzen 2 3 Motor an Port A starten 4 5 Solange Wert des Rotationssensors < Wert des Rotationssensors anzeigen 8 9 sonst Motor an Port A stoppen 12 Abbildung 4 Gegenüberstellung Pseudo-Code und Blockdiagramm zum Ausführen einer 360 -Drehung eines Motors Ausführen einer 90 -Drehung des Roboters 1. Entwickeln Sie auf Grundlage des in Abbildung 4 dargestellten Codes ein Programm welches den Roboter eine 90 -Drehung ausführen lässt. 2. Im Fall des Labyrinthes sollte der Wendekreis des Roboters möglichst klein sein um ein anecken an den Wänden des Labyrinthes zu vermeiden. Ideal wäre hierbei eine Drehung des Roboters auf der Stelle. Wie ließe sich so etwas realisieren und welche Änderungen müssten an dem Programm vorgenommen werden? In LabVIEW steht dieser Code auch als fertiger Block in der Output-Library unter dem Namen Motor distance zur Verfügung. Die folgende Abbildung zeigt das Interface dieses Blocks. Hierbei kann über den Anschluss Distance in Degrees der zu fahrende Winkel definiert werden. Ansonsten kann dieser analog zu dem bisher genutzten Motor Unlimited -Block genutzt werden. Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

6 Abbildung 5 Interface des Blocks Motor distance 3. Die folgende Abbildung 6 zeigt das Grundgerüst für eine Realisierung einer 90 -Drehung auf der Stelle innerhalb von LabVIEW. Bitte implementieren Sie diesen Code und testen Sie ihn. Welche Änderungen müssen Sie vornehmen um den Roboter nun eine 90 -Rotation auf der Stelle ausführen zu lassen? Der Code ist kommentiert um Ihnen die Funktionsweise zu verdeutlichen, wobei generell das Beispiel aus Abbildung 4 nur um einen weiteren Motor (mit dazugehörigem Rotationssensor) erweitert wurde. An der Abbruchbedingung der benutzten while-schleife wurden zwei boolesche Ausdrücke mit Hilfe einer booleschen Verknüpfung kombiniert (Diese finden Sie in der folgenden Bibliothek: AddOns NXTToolkit Boolean). Hierbei handelt es sich um eine sog. ODER-Verknüpfung, d.h. sobald mindestens eine der beiden logischen Abfragen wahr ist, ist auch das Verknüpfungsergebnis wahr. Dies wird im Programm genutzt um sicherzustellen, dass beide Motoren ihre jeweiligen Zielwerte erreichen bevor das Programm die Motoren stoppt. Abbildung 6 Beispielprogramm um einen Roboter auf der Stelle drehen zu lassen in LabVIEW Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

7 Mit dem nun entwickelten Programm sind Sie in der Lage Drehungen des Roboters auf der Stelle auszuführen. Dieses soll als Muster für zukünftige Entwicklungen gespeichert werden. Um den Umgang hiermit zu erleichtern wurde das gesamte Programm in einem neuen Block zusammengefasst, deren Interface in der folgenden Abbildung dargestellt ist. Abbildung 7 Rotate-Block Drehen.vi Speichern Sie Ihr Programm Um nun eine Implementierung Ihres entwickelten Pseudo-Code zu realisieren empfiehlt es sich auf dem Programm aus dem letzten Praktikum aufzubauen, da dieses bereits entsprechend benötigte Funktionalitäten (Benutzung des Ultraschallsensors, etc.) enthält. Hindernis.vi Öffnen Sie Ihr Programm aus dem letzten Praktikum Implementierung des Labyrinth-Roboters in LabVIEW 1. Implementieren Sie nun auf Grundlage des Programmes aus dem letzten Praktikum und unter Zuhilfenahme des eben erstellten Programmes für das Drehen auf der Stelle, entsprechenden LabVIEW-Code der eine Implementierung ihres in Aufgabe entwickelten Pseudo-Codes entspricht. 2. Testen Sie Ihr Programm an einem real aufgebauten Labyrinth. Wo liegen noch Verbesserungspotentiale bzw. in welchen Fällen könnte der von Ihnen vorgeschlagene Algorithmus Probleme verursachen. Labyrinth.vi Aufgabe 3.2 Speichern Sie Ihr Programm unter neuem Dateinamen Linienverfolgung In der nächsten Aufgabe soll im Folgenden nun ein Lichtsensor eingesetzt werden um zu ermöglichen, dass der Roboter einer schwarzen Linie folgt. Hierzu soll der Roboter das in Abbildung 8 dargestellte Verhalten aufweisen: Abbildung 8 Einfaches Verfolgen einer Linie Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

8 Dieses Verhalten lässt sich sehr einfach in Form der folgenden zwei Regeln beschreiben: Wenn der Lichtsensor eine helle Fläche erkennt, dann drehe leicht nach rechts Wenn der Lichtsensor eine dunkle Fläche erkennt, dann drehe leicht nach links Erstellen Sie ein neues Programm (VI-File) Erstellen des Programmes zur Linienverfolgung 1. Verbinden Sie als erstes einen freien Eingangsport des NXT-Bricks mit einem Lichtsensor und platzieren Sie die Sensoreinheit so, dass dieser zum Erkennen der Linie dienen kann. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in Abbildung 9 dargestellt. Abbildung 9 Linienerkennung mit einem Lichtsensor 2. Nehmen Sie die Werte auf, die der Lichtsensor liefert wenn er sich über der schwarzen Linie befindet und wenn er sich über der normalen Tischoberfläche befindet. Entwickeln Sie hierzu ein Programm welches die benötigten Sensorwerte auf dem Display des NXT-Bricks anzeigt und notieren Sie sich die entsprechenden Werte. 3. Fügen Sie Ihrem Programm nun eine geeignete Implementierung der zwei Regeln hinzu. Welche Strukturelemente können Sie hierzu in LabVIEW verwenden? Wie würde der Pseudo-Code aussehen? Testen Sie Ihr Programm an einer der aufgeklebten Linien im Labor. Welche Verbesserungen fallen Ihnen ein? In Aufgabe 3.1 wurde der Rotationssensor benutzt um die Motoren eine definierte Bewegung ausführen zu lassen. Natürlich ist es im Gegenzug genauso möglich die Sensorwerte zu nutzen um zum Beispiel die gefahrene Strecke des Roboters zu bestimmen Streckenmessung mit dem Roboter 1. Überlegen Sie zunächst wie die Werte der Rotationssensoren umgerechnet werden müssten, damit daraus die gefahrene Strecke ermittelt werden kann. Welche Größe müssten Sie dafür kennen. Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

9 2. Einfache arithmetische Rechenoperationen können in LabVIEW sehr einfach durchgeführt werden. Die folgende Abbildung zeigt hierfür mehrere einfache Beispiele, wobei Sie die entsprechenden Operationen in der Numeric-Bibliothek finden können: Abbildung 10 Beispiele für arithmetische Operationen in LabVIEW Fügen Sie in Ihr bestehendes Programm zur Linienverfolgung nun geeignete Operationen ein damit während der Linienverfolgung die jeweils gefahrene Strecke auf dem Display des NXT - Bricks angezeigt wird. 3. Testen Sie Ihr Ergebnis mit Hilfe einer geraden Strecke und ein em Zollstock. Was könnten Gründe für eventuell vorhandene Ungenauigkeiten sein? LinieStrecke.vi Speichern Sie Ihr Programm unter neuem Dateinamen Aufgabe 3.3 SumoBOT Basierend auf den Lösungen der vorangegangen Aufgaben soll nun abschließend alle Teams gemeinsam an einem Turnier teilnehmen und so den besten Roboter ermitteln. Eigens hierzu wurde der Robotersport SumoBOT entwickelt. Die Regeln seien nachfolgend kurz dargestellt: 1. Jeweils zwei fahrbare Roboter treten in einem SumoBOT-Match gegeneinander an. 2. Beide Roboter werden zu Beginn innerhalb eines Spielfeldes so angeordnet, dass Sie sich direkt gegenüberstehen. Das Spielfeld ist dabei kreisförmig und durch eine schwarze Linie abgegrenzt. Eine Abbildung der Startaufstellung findet sich in der folgenden Abbildung. Spieler 1 Spieler 2 Spielfeld Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10

10 Abbildung 11 Spielfeld und Startanordnung beim SumoBOT 3. Ziel eines Matches ist es den anderen Roboter a. aus dem kreisförmigen Spielfeld zu befördern. Hierzu muss der Roboter komplett außerhalb der schwarzen Spielfeldbegrenzung sein. Natürlich verliert ein Roboter auch, wenn er ohne gegnerische Einwirkung das Spielfeld verlässt. b. navigationsunfähig zu machen, z.b. indem er auf die Seite gelegt wird. Hierzu sind alle Formen von Hilfsmitteln an den Robotern gestattet, sofern Sie aus Standard-LEGO- Komponenten gefertigt wurden. 4. Ein Match dauert höchstens fünf Minuten. Sollte zu diesem Zeitpunkt keiner der beiden Roboter gewonnen haben, endet das Match unentschieden und es wird ein Wiederholungsmatch angesetzt Implementierung eines SumoBOT-Programmes 1. Implementieren Sie ein komplettes Programm für einen SumoBOT-Roboter. Überlegen Sie welche Elemente der vorherigen Aufgabenteile Sie hierzu wiederverwenden können. Bedenken Sie, dass zum einen sichergestellt werden muss, dass der Roboter das Spielfeld nicht selbstständig verlässt. Zum anderen muss aber auch eine geeignete Strategie gefunden werden, die es ermöglicht den Gegner zu schlagen. SumoBOT.vi Speichern Sie Ihr Programm unter neuem Dateinamen Fachhochschule Südwestfalen Fachbereich Elektrische Energietechnik - Campus Soest / 10