Roboter programmieren im Unterricht der Sekundarstufe I

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1 Roboter programmieren im Unterricht der Sekundarstufe I C. Kieslich D. Justen Agenda 14:30 14:40 Begrüßung 14:40 15:15 Grundlagen 15:15 16:00 Praktische Übung I 16:00 16:30 Pause 16:30 17:45 Praktische Übung II 17:45 18:00 Resümee Unterlagen unter: 1

2 Motivation Programmiersprachen Delphi Java Python Visual Basic C / C++ Einstieg in die Programmierung Strukturelle Programmierung Objektorientierte Programmierung Methoden Theoretisch (Sortieralgorithmen / Berechenbarkeit / Semantik) GUI-Programmierung (Delphi / Java / Python) Visuelle Programmiersprache (Scratch) Hardware (LegoMindstorm / Asuro / Arduino) SW- Entwicklungsumgebung Bricx Command Center Vollständige Entwicklungsumgebung - Einfach zu installieren - Diverse Tools bereits eingebunden - Fehlermeldung verbesserungswürdig - Debugging - Syntax Highlighting - Unterstützt diverse Bausteine - NXT - RXC - - Tools - MIDI Conversion - File Explorer - Firmware Update - Installieren support/files/driver.aspx - Update Firmware 2

3 HW- Entwicklungsumgebung Universelle Hardware - Vielzahl von Sensoren verfügbar - Erweiterbar - Keine spezielle Firmware notwendig Diverse Programmiermöglichkeiten - NBC (Next Byte Code) - NXC (Not exactly C) - lejos (Java) - nxtosek (RTOS + Native C / C++) - RobotC - LabVIEW Schnittstellen - Bluetooth (unterstützt das Serial Port Profile) - USB - 4x Sensoren - 3x Aktoren NXT- Baustein Atmel ARM7 Prozessor (48MHz) - Digitale Signale der Eingabe-Ports - Ein-/Ausgänge - I 2 C - RS485 (Nur Kanal 4) - Tacho Eingänge der Ausgabe-Ports Atmel AVR (8MHz) - Power-Management - PWM der Ausgabe-Ports - Analoge Eingänge der Eingabe-Ports - Buttons Kommunikation in 2ms Zyklus I 2 C (langsame Zyklusrate) - (Farbsensor) - HiTechnik Sensoren - UltraSchall (6-255cm) 2 2, / 15 Ausgabe-Ports Output circuit PWM Plus PWM Minus GND 4,3V Power Tacho A Tacho B Eingabe-Ports Input circuit Analog-Eingang GND GND 4,3V Power Digital IO-0 Digital IO-1 3

4 NXC (Not exactly C) Intermediate Code (NBC: Next Byte Code) Dokumentation (NXC_GUIDE.PDF): Syntax Application Programming Interface NXC Syntax Syntax nahezu Identisch zu C Case Sensitive Prototypen Zu beachten Datentype: int 16 Bit Datentype: float (double nicht vorhanden) wenn möglich vermeiden Besonderheiten Int main(argc,argv) task main() Keine Pointer Datentyp: mutex Zur Synchronisierung der Task Max 256 Funktionen / Tasks möglich Optionale Argumente: int foo(int x, int y=20) Repeat (4) Vereinfachte For-Schleife Betriebssystem mit präemptives Scheduling Task / Start / Stop / Priority Vorsicht bei Nutzung einer Variablen zum Datenaustausch zwischen Task Vorsicht beim gleichzeitigen Aufruf einer Funktion aus mehreren Task 4

5 NXC API Eingabe-Ports Initialisierung notwendig SetSensorMode(SENSOR_MODE_EDGE / SENSOR_MODE_FAHRENHEIT / ) Abfrage SENSOR_1 Direkte Zugriff über Variable GetSensorValue() Besser Ausgabe-Ports Initialisierung Nicht notwendig Setzen OnFwdSync() / OnFwdReg() / RotateMotor() / PID-Regler Stelltwert entspricht Geschwindigkeit (nicht Tastverhältnis) FileSystem CreateFile() / WriteLn() / ReadLn() Display 3D Grafik Ausgangsprojekte Autonomes Fahren Taster / Motor Keine Nutzung der API Funktionalität (SET_EDGE) Zunächst kein großer Mindstorm Aufbau notwendig Zauberwürfel Murmelbahn Aufzug 5

6 Strukturelle Programmierung Resümee 6

7 Weitere Projektideen DCF 77 Empfänger Verständnis für Netzwerkprotokolle Synchronisierung Zustandsautomat Platine könnte ggf. selbst aufgebaut werden Problem: DCF77 Funksignal nur bedingt im Klassenzimmer empfangbar Murmelbahn Einführung in Zustandsautomaten Parallele Abläufe Arbeiten mit Sensoren und deren Problematiken Abhängigkeit vom Umgebungslicht Differenzierung zwischen zwei Murmelgrößen in Abhängigkeit der Lichtfarbe Weitere Projektideen Fahrstuhl Komplexere Zustandsautomaten Ideales Gruppenprojekt zur Aufteilung in mehrere Gruppen Kabine: (Fahrstuhltür, Tasten) Lift: (Auf/Ab; Steckenbleiben) Controller (Steuerungslogik) Roboter Regelungstechnik Zustandsautomaten 7

8 Weitere Projektideen Siehe auch YouTube GiSCup 3 verschiedene Themenbereiche Autonomes Fahren Labyrinth Suche Aufbau der Fahrzeuge selbst überlassen 8

9 Wie geht s weiter? Weitere Aufgaben gewünscht? Weitere Fortbildungsangebote? Python? Welche Sprache? Welche Methodiken Links LEGO MINDSTORMS NXT Hardware Developer Kit.pdf Appendix 1-LEGO MINDSTORMS NXT hardware schematic.pdf Appendix 2-LEGO MINDSTORMS NXT Keypad schematic.pdf Appendix 3-LEGO MINDSTORMS NXT Light Sensor hardware schematic.pdf Appendix 4-LEGO MINDSTORMS NXT Sound Sensor hardware schematic.pdf Appendix 5-LEGO MINDSTORMS NXT Touch Sensor hardware schematic.pdf Appendix 6-LEGO MINDSTORMS NXT Ultrasonic Sensor hardware schematic.pdf Appendix 7-LEGO MINDSTORMS NXT Ultrasonic Sensor I2C communication protocol.pdf Appendix 8-LEGO MINDSTORMS NXT ARM7 Bluetooth Interface specification.pdf 9