Roboter programmieren mit NXT-G für LEGO MINDSTORMS NXT Braun

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1 mitp Professional Roboter programmieren mit NXT-G für LEGO MINDSTORMS NXT von Daniel Braun 1. Auflage Roboter programmieren mit NXT-G für LEGO MINDSTORMS NXT Braun schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Robotik Prozedurorientierte Programmierung mitp/bhv 2011 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Inhaltsverzeichnis: Roboter programmieren mit NXT-G für LEGO MINDSTORMS NXT Braun

2 16 mm Alle Funktionen von NXT-G Von einfachen Befehlen bis hin zu anspruchsvollen Programmen Zahlreiche Praxisbeispiele und Übungsaufgaben Für die Versionen NXT 1.0 und 2.0 Außerdem bei mitp: Braun Daniel Braun Aus dem Inhalt: Bedienung des NXT Grundregeln beim Roboterbau Grundmodelle bauen: vierrädrig, zweirädrig, mit Kettenantrieb Programmiergrundlagen Motoren Konstanten und Datenknoten Schalter, Logik und Operatoren Sensoren und Variablen Schleifen Display-Programme Sounds Dateien Eigene Blöcke Bluetooth LEGO Digital Designer Mit diesem Buch lernen Sie, einen eigenen Roboter zu programmieren. Sie brauchen dafür lediglich einen LEGO MINDSTORMS NXT und einen Computer. Daniel Braun erläutert das Programmieren mit der Sprache NXT-G, die mit dem NXT mitgeliefert wird. Hiermit lassen sich einfache bis komplexe Programme nur über grafische Elemente realisieren, ohne eine Zeile Code zu schreiben. Es werden dabei keinerlei Programmierkenntnisse vorausgesetzt. Bevor es mit der Programmierung losgeht, stellt der Autor zunächst wesentliche Grundregeln und konkrete Bauanleitungen für Grundmodelle im Roboterbau vor, die Sie im Laufe des Buches zum Testen der Programme verwenden können. Daraufhin wird der gesamte Funktionsumfang von NXT-G behandelt. Anhand zahlreicher Beispiele lernen Sie immer mehr Möglichkeiten kennen, einen Roboter zu steuern, der intelligent auf seine Umgebung reagiert und die verschiedensten Aufgaben lösen kann. Dabei geht der Autor nicht nur auf grundlegende Bewegungsmöglichkeiten des Roboters ein, sondern zeigt auch, wie Operatoren mit NXT-G dargestellt werden, so dass Sie in der Lage sind, auch anspruchsvolle Programmieraufgaben zu lösen. So werden Sie komplexe Bedingungen meistern und eigene Blöcke erstellen können. Der Autor hat dabei auch immer die Vorgehensweise beim Programmieren im Allgemeinen im Blick, damit auch junge Programmierer lernen, wie Programme geplant und realisiert werden, um später auch textbasierte Programmiersprachen zu lernen. Mit diesem praktischen Handbuch sind Sie für jede beliebige Programmieraufgabe gerüstet, um Ihren Roboter zum Leben zu erwecken. Über den Autor: Daniel Braun beschäftigt sich schon seit Langem mit den Themen Künstliche Intelligenz und Robotik. Er nahm bereits als aktiver Teilnehmer und als Coach an zahlreichen Wettbewerben teil wie z.b. bei der First Lego League. Im Jahr 2005 trat er zusammen mit dem späteren Weltmeister im Roboter-Fußball bei den German Open des RoboCups an. Außerdem arbeitet er am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI). ISBN ISBN ISBN ISBN für LEGO MINDSTORMS NXT NXT-G Roboter programmieren mit NXT-G für LEGO MINDSTORMS NXT (D) 29,95 Roboter programmieren mit _umschlag4.indd /10/2011 7:00:57 PM

3 Lego_9096.book Seite 13 Montag, 10. Oktober :05 20 Kapitel 2 LEGO MINDSTORMS LEGO kennen viele aus ihrer Kindheit oder von den eigenen Kindern, LEGO, das sind bunte Spielzeugklötze, mit denen man die verschiedensten Dinge bauen kann. Das stimmt aber nur teilweise. Seit vielen Jahren bietet LEGO mit der MINDSTORMS-Serie Produkte an, die viel mehr sind als nur ein Spielzeug. Zu der MINDSTORMS-Familie gehören mittlerweile der RCX in den Versionen 1.0, 1.5 und 2.0 sowie der NXT und seit Neuestem auch der NXT 2.0. Sowohl beim RCX als auch beim NXT handelt es sich um»programmierbare Bausteine«, wie sie LEGO nennt, also im Prinzip kleine Computer in LEGO-Steinen verpackt. Ursprünglich waren die MINDSTORMS-Produkte als Lehrmittel geplant, begeistern aber seit vielen Jahren Jung und Alt. Damit man richtige Roboter bauen kann, gibt es für die programmierbaren Bausteine zahlreiche Sensoren und Motoren. Programmiert werden können die MINDSTORMS-Systeme entweder mit einer grafischen Oberfläche, die LEGO mitliefert und die auf LabView, einer grafischen Programmiersprache von National Instruments, basiert, oder mit zahlreichen alternativen Programmiersprachen aus der Fangemeinde. Abb. 2.1: Alter LEGO-Stein mit Noppen (oben) und neuer Stein ohne Noppen (unten) im Vergleich 13

4 Lego_9096.book Seite 14 Montag, 10. Oktober :05 20 Kapitel 2 LEGO MINDSTORMS Zu den MINDSTORMS-Paketen gehören seit jeher auch LEGO-Technik-Teile, mit denen die Chassis für die Roboter gebaut werden können. Während die Technik- Teile, die beim RCX verwendet wurden, noch die für LEGO typischen»noppen«aufwiesen, hat man beim NXT komplett auf die Noppen verzichtet, was ein Umdenken beim Bau von Robotern nötig macht, worauf ich später auch noch einmal genau eingehen werde. Da sich in diesem Buch alles um den NXT und den NXT 2.0 dreht, wollen wir uns diese beiden nun besonders genau anschauen. 2.1 NXT Der NXT als neuestes Mitglied der MINDSTORMS-Familie ist seit Oktober 2006 in Deutschland erhältlich, seit August 2009 ist eine überarbeitete Version, der NXT 2.0 im Handel. Der Name»NXT«kommt übrigens angeblich vom englischen next, was so viel bedeutet wie nächster, folgender, offiziell von LEGO bestätigt ist das allerdings nicht. Abb. 2.2: NXT 2.2 Hardware Viel wichtiger als der Name ist aber auch, was im Plastik-Gehäuse des NXT steckt, und spätestens hier wird deutlich, dass es sich nicht um ein Spielzeug handelt. Der NXT verfügt über gleich zwei Prozessoren, einen 32-Bit- und einen 8-Bit- ATMEL-Mikroprozessor (für die technisch Interessierten, es handelt sich um 14

5 Lego_9096.book Seite 15 Montag, 10. Oktober : Peripherie einen AT91SAM7S256 und einen ATmega48). Verbindung mit dem PC kann der NXT entweder per Bluetooth oder per USB-Anschluss aufnehmen, eine echte Neuerung in der MINDSTORMS-Serie, beim RCX kam noch ausschließlich die langsame und störanfällige Infrarotschnittstelle zum Einsatz. Neben dem Pixel großen Schwarzweiß-Display verfügt der NXT auch über einen eingebauten Lautsprecher. Zum Anschluss von Peripherie verfügt der NXT über drei Anschlüsse für Motoren und vier Anschlüsse für Sensoren. 2.3 Peripherie Schauen wir uns die erwähnten Motoren und Sensoren etwas genauer an Motor Der neue NXT-Motor unterscheidet sich nicht nur optisch stark von seinem Vorgänger, sondern auch was die Funktion angeht. Abb. 2.3: Motor Zum Messen der Motor-Rotationen muss man beim RCX einen extra Sensor benutzen, was nicht nur ungenauer ist, sondern auch noch einen Sensor-Port belegt. Beim neuen NXT-Motor ist der Rotationssensor deshalb direkt im Motor eingebaut und benötigt keinen zusätzlichen Anschluss. Dabei arbeitet der verbaute Rotationssensor auf 1 genau und ist damit deutlich genauer als sein Vorgänger. Der NXT wird standardmäßig mit drei dieser Motoren geliefert. 15

6 Lego_9096.book Seite 16 Montag, 10. Oktober :05 20 Kapitel 2 LEGO MINDSTORMS Sensoren Tastsensor Abb. 2.4: Tastsensor Der Tastsensor ist der einfachste aller Sensoren, die es für den NXT gibt. Es handelt sich dabei im Grunde um einen einfachen Schalter, der die Zustände gedrückt (1) und nicht gedrückt (0) kennt. Daher ist auch die Funktionsweise recht einfach. Wird die Plastik-Taste gedrückt, wird ein Stromkreis im Inneren geschlossen, der NXT bemerkt den Stromfluss und erkennt damit, dass der Tastsensor gedrückt wird. Abb. 2.5: Funktionsschema Tastsensor geöffnet 16

7 Lego_9096.book Seite 17 Montag, 10. Oktober : Peripherie Abb. 2.6: Funktionsschema Tastsensor geschlossen Der Tastsensor kann zum einen als Schalter verwendet werden, um zum Beispiel Benutzereingaben in laufenden Programmen zu machen, aber auch zur Kollisionsabfrage, indem er am Rand eines Roboters angebracht wird. Dem NXT-Standardpaket liegen zwei Exemplare des Tastsensors bei, wie bei allen anderen Sensoren gilt aber auch hier, Tastsensoren können bei Bedarf auch einzeln erworben werden. Lichtsensor (NXT 1.0) Der Lichtsensor ist der größte Unterschied zwischen den NXT-Versionen 1.0 und 2.0. Denn während der NXT 1.0 noch, wie sein Vorgänger, der RCX, mit einem Lichtsensor ausgeliefert wurde, wird der NXT 2.0 mit einem Farbsensor ausgeliefert. Trotzdem kann der Lichtsensor aber nicht nur am NXT 1.0, sondern auch am NXT 2.0 verwendet werden. Abb. 2.7: Lichtsensor 17

8 Lego_9096.book Seite 18 Montag, 10. Oktober :05 20 Kapitel 2 LEGO MINDSTORMS Im Gegensatz zum Farbsensor kann der Lichtsensor nicht die Farbe eines Untergrundes messen, sondern nur, ob dieser hell oder dunkel ist. Dazu sendet eine rote LED am Lichtsensor (dass es sich dabei um eine Infrarot-LED handelt, ist übrigens ein sehr weit verbreiteter Irrglaube) Licht aus, das dann vom Boden reflektiert wird, je heller der Boden ist, desto mehr Licht wird reflektiert. Abb. 2.8: Funktionsschema Lichtsensor bei dunklem (links) und hellem (rechts) Untergrund Eine Fotozelle oberhalb der roten LED misst, wie viel des Lichtes reflektiert wird, daraus lassen sich dann Rückschlüsse auf die Helligkeit des Bodens ziehen. Der Nachteil liegt darin, dass dunkle Farben zum Beispiel untereinander nur schwer zu unterscheiden sind, weswegen der Lichtsensor auch durch den Farbsensor ersetzt wurde. Allerdings ist der Sensor auch beim Erkennen von Helligkeiten nicht immer sehr genau. Da der Lichtkegel relativ weit streut, kommt es bei Übergängen zwischen sehr unterschiedlichen Farben oft zu Problemen, da sehr viele Zwischenwerte angezeigt werden, da das Licht gleichzeitig von einer hellen und einer dunklen Fläche reflektiert wird und deshalb»zwischentöne«entstehen. Farbsensor (NXT 2.0) Der Farbsensor, der mit dem NXT 2.0 ausgeliefert wird, sendet nicht nur rotes Licht aus, sondern auch blaues und grünes. Vermischen sich diese drei Lichtstrahlen, wirkt das Licht für das menschliche Auge weiß. Außerdem besitzt der Farbsensor mehrere Fotozellen, die nicht nur das gesamte auftreffende Licht messen, sondern auch, wie viel von welcher Farbe reflektiert wird. Dabei können die verschiedenen Farben durch die verschiedenen Wellenlängen des Lichts unterschieden werden. Man kann sich den Farbsensor also wie eine Kombination aus drei Lichtsensoren vorstellen, einen für jede Farbe. Übrigens gab es bereits vor Erscheinen des NXT 2.0 einen Farbsensor der Firma HiTechnic für den NXT, der sogar etwas genauer arbeitet als der Farbsensor von LEGO. 18

9 Lego_9096.book Seite 19 Montag, 10. Oktober : Peripherie Ultraschallsensor Der technisch anspruchsvollste Sensor ist mit Sicherheit der Ultraschallsensor. Mit dem Ultraschallsensor können Entfernungen vom Sensor zu Gegenständen gemessen werden. Dabei funktioniert der Sensor nach dem Vorbild der Fledermäuse. Abb. 2.9: Ultraschallsensor Das eine»auge«des Sensors sendet einen Schallimpuls aus, mit einer für Menschen unhörbaren Frequenz. Trifft dieser Schallimpuls nun auf einen Gegenstand, so wird er zum Sensor zurückreflektiert, wo er auf das zweite»auge«trifft. Aus der Zeitspanne zwischen Absenden des Impulses und der Reflexion kann dann die Entfernung ermittelt werden, die der Gegenstand zum Sensor hat. Sender Empfänger Abb. 2.10: Funktionsweise Ultraschallsensor Allerdings ist der Ultraschallsensor relativ empfindlich, was oft zu Problemen bei den Messungen führt. Zum einen funktioniert der Ultraschallsensor nur in einem begrenzten Abstand zuverlässig. Wird der Abstand zu groß (> 30 cm) oder zu klein (< 3 cm), liefert der Ultraschallsensor keine oder falsche Werte. Außerdem ist die Genauigkeit bei geraden Oberflächen wesentlich besser als bei runden oder gewölbten Oberflächen, da die Schallwellen hier abgelenkt werden können. Problematisch ist auch die Verwendung mehrerer Ultraschallsensoren in 19

10 Lego_9096.book Seite 20 Montag, 10. Oktober :05 20 Kapitel 2 LEGO MINDSTORMS direkter Umgebung, hierbei können sich die Schallwellen der verschiedenen Sensoren gegenseitig stören und dadurch die Messung beeinflussen. Sender Empfänger Sender Empfänger Abb. 2.11: Probleme bei der Verwendung mehrerer Ultraschallsensoren Hinweis Alle Haustierbesitzer sollten darauf achten, dass möglichst keine Tiere in der Nähe sind, wenn der Ultraschallsensor benutzt wird. Katzen zum Beispiel, oder auch Hunde, können den Schallimpuls im Gegensatz zum Menschen nämlich hören und empfinden diesen als sehr unangenehm. Geräuschsensor (NXT 1.0) Wie auch der Lichtsensor wurde der Geräuschsensor (oft auch Soundsensor genannt) nur mit dem NXT 1.0 ausgeliefert, im Gegensatz zum Lichtsensor, der durch den Farbsensor ersetzt wurde, gibt es für den Geräuschsensor aber keinen Ersatz. Abb. 2.12: Geräuschsensor 20

11 Lego_9096.book Seite 21 Montag, 10. Oktober : Verschiedene Ausführungen Beim Geräuschsensor handelt es sich um ein einfaches Mikrofon, mit dem die Lautstärke von Geräuschen gemessen werden kann Verbindung Sowohl Motoren als auch Sensoren werden mit einem Kabel an den NXT angeschlossen. Abb. 2.13: NXT-Verbindungsstecker Der Stecker erinnert im ersten Moment an einen Telefonstecker. Es handelt sich dabei um eine abgeänderte Form eines RJ12-Steckers mit 6 Adern. Mit dem Kabel kann man aber nicht nur Sensoren und Motoren mit dem NXT verbinden, sondern, wie Sie später noch sehen werden, zwei NXTs miteinander verbinden. Um die Motoren und Sensoren des alten RCX an einem NXT zu nutzen, hat LEGO ein spezielles Adapter-Kabel im Sortiment. 2.4 Verschiedene Ausführungen Der NXT ist nicht nur in zwei verschiedenen Versionen erhältlich, sondern es gibt auch verschiedene so genannte NXT-Kästen, also verschiedene NXT-Sets, die sich durch das mitgelieferte Zubehör unterscheiden. Set-Nummer Inhalt 8547 NXT Motoren 1 Ultraschallsensor 2 Tastsensoren 1 Farbsensor CD mit Software 612 LEGO-Teile Tabelle 2.1: Kurzübersicht über die verschiedenen NXT-Sets 21

12 Lego_9096.book Seite 22 Montag, 10. Oktober :05 20 Kapitel 2 LEGO MINDSTORMS Set-Nummer Inhalt 9797 NXT (1.0) 3 Motoren 2 Tastsensoren 1 Lichtsensor 1 Geräuschsensor 3 Adapterkabel 1 Akku-Pack Zusätzliche LEGO-Teile LEGO-Teile Tabelle 2.1: Kurzübersicht über die verschiedenen NXT-Sets (Forts.) LEGO MINDSTORMS 8547 Das aktuelle Standard-Paket trägt die Nummer 8547 und enthält neben dem NXT 2.0 drei Motoren, einen Ultraschallsensor, zwei Tastsensoren, den Farbsensor, eine CD mit Software und 612 LEGO-Teile zum Bauen von Robotern. Was fehlt, sind Batterien und ein gutes, gedrucktes Handbuch. Für den Einstieg ist dieses Paket empfehlenswert. Wer allerdings komplizierte Bauvorhaben realisieren will, wird mit den mitgelieferten Steinen recht bald an die Grenzen stoßen, zumal bereits vorhandene LEGO-Steine zumeist nicht genutzt werden können, da diese noch von der alten»noppen«-bauweise sind. Das Standard-Paket mit dem NXT 1.0 trug ebenfalls die Nummer 8547, ist aber inzwischen nicht mehr erhältlich LEGO MINDSTORMS 9797 Darf es etwas mehr sein? Dann ist das Education Basis Set das richtige. Es enthält neben dem NXT 1.0 ebenfalls drei Motoren und zwei Tastsensoren, außerdem einen Lichtsensor, einen Geräuschsensor, drei Adapterkabel zum Anschließen alter RCX-Motoren und Sensoren, ein Akku-Pack für den NXT und einige Steine mehr als das Standardpaket. Aber Achtung, das Adapterkabel zum Laden des Akkus und die Software müssen separat gekauft werden. Das Education-Set ist im Handel ca. 20 Euro teurer als das Standardpaket LEGO MINDSTORMS 9648 Beim Set mit der Nummer 9648 handelt es sich um ein Erweiterungspaket, hier ist also kein NXT mit dabei. Dafür aber 672 zusätzliche Bauteile, damit auch größere Roboter ohne Problem gebaut werden können. Allerdings hat das Set auch einen vergleichsweise stolzen Preis und enthält keine elektronischen Bauteile, wie zum Beispiel Sensoren. 22

13 Lego_9096.book Seite 23 Montag, 10. Oktober : Verschiedene Ausführungen Elektronische Teile Die elektronischen Einzelteile, wie Kabel, Adapter, Akku, Aufladekabel, Sensoren und Motoren können bei LEGO auch einzeln nachgekauft werden. Inzwischen gibt es auch einen recht großen Sensormarkt von Drittherstellern, die eigene Sensoren für den NXT entwickeln. Einige davon werden wir uns später noch im Detail anschauen. 23

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