Prof. Dr. Rudolf Bierl

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2 Agenda Informationsverarbeitung Lego Roboter Sensoren Projekte Scanner Teekocher Rubics Cube Solver Sudoku Solver

3 Informationsverarbeitung Definition Elektronische Datenverarbeitung EDV folgt dem Grundschema des so genannten EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe). Rechner empfangen Daten, verarbeiten diese entsprechend der im Programm kodierten Verarbeitungsvorschrift und produzieren den im Programm spezifizierten Ausgabe. Das grundlegende Konzept der EDV befasst sich also mit den erforderlichen Eingangs- und Ausgangsdaten, deren Strukturbeschreibung und den Verarbeitungsregeln zur Transformation der Eingangsdaten in die Ausgangsdaten. Dies impliziert, dass zuerst die grundlegenden Datenstrukturen definiert werden, bevor man sich mit der Verarbeitungslogik befasst. Die Datenverarbeitungstechnik ist mit der Informationstechnik verwandt. Der Terminus Datenverarbeitung wird in der Moderne tendenziell für administrative Vorgänge verwendet. Doch sollte dies nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Firma IBM in den 1950-er Jahren auch ihre für wissenschaftliche Anwendungen bereitgestellten Systeme als Electronic Data-Processing Machines (Elektronische Datenverarbeitungsmaschinen) bezeichnete.

4 Informationsverarbeitung Gerhard Leitner IAS, Universität Klagenfurt

5 Informationsverarbeitung Lange Zeit ein Problem:

6 Agenda Informationsverarbeitung Lego Roboter Sensoren Projekte Scanner Teekocher Rubics Cube Solver Sudoku Solver

7 LEGO MINDSTORMS NXT LEGO Mindstorms NXT.. Was ist das?

8 Plattform

9 MINDSTORMS NXT Warum ist das interessant?

10

11 NXT Baustein 32-bit ARM7 Mikroprozessor 256kbyte FLASH- und 64kbyte RAM-Speicher Unbegrenzte Anzahl an Programmspeicherplätzen Bluetooth Technologie ermöglich die kabellose Kommunikation zwischen NXT Stein, Computern, PDAs und Mobiltelefonen USB 2.0 Anschluss 4 Eingänge für Sensoren 3 Ausgänge für Motoren und Lämpchen Programmierbares, graphisches Display (60 x 100 Pixel) Lautsprecher Design und Handhabung ist auf LEGO TECHNIC Konstruktionssystem abgestimmt

12 MINDSTORMS NXT

13 A Look Inside

14 Rapid Prototyping with MINDSTORMS NXT Communication 32-bit processor Analog and digital I/O Processor for I/O logic

15 Programmier - Methoden PC /LabVIEW RWTH Aachen

16 Powered by LabVIEW

17 Beispiele: Linienfolger

18 Beispiele: Linienfolger geregelt

19 NXT Steuerung mit Handy

20 Agenda Informationsverarbeitung Lego Roboter Sensoren Projekte Scanner Teekocher Rubics Cube Solver Sudoku Solver

21 Lichtsensor

22 Ultraschallsensor RWTH Aachen

23 Agenda Informationsverarbeitung Lego Roboter Sensoren Projekte Scanner Teekocher Rubics Cube Solver Sudoku Solver

24 Scanner RWTH Aachen

25 Bildverarbeitung Gleitende Mittelwerts Interpolation

26 Agenda Informationsverarbeitung Lego Roboter Sensoren Projekte Scanner Teekocher Rubics Cube Solver Sudoku Solver

27 Projekt: Automatischer Teekocher Idee: Aufbau eines vollautomatischen Teekochers, der übers Internet gesteuert werden kann und dessen Zustand über ein WEB- Kamerabild überwacht wird

28 Ablauf Warten auf Startzeit Wasser auffüllen Ultraschallsensor misst Füllstand; falls Füllstand unter Minimum Auffüllen Wasser kochen Temperatur wird mit T-Fühler gemessen; Heizen bis Grenztemperatur erreicht ist Teekochen Teebeutel in Wasser absenken; Ziehzeit entsprechend Benutzereingabe; Teebeutel entfernen; Warmhalten

29 Aufbauskizze US-Sensor T-Fühler Teebeutel Befüllen Heizen Warmhalten

30 Oberfläche

31 Programm: Beispiel Auffüllen

32 Agenda Informationsverarbeitung Lego Roboter Sensoren Projekte Scanner Teekocher Rubics Cube Solver Sudoku Solver

33 Projekt: Rubics Cube Solver Funktionsgliederung Schnittstellendefinition Bilderfassung/ bearbeitung 1D-Array -Farbanordnung Logik Operationsberechnung 1D-Array - Drehoperationen Ansteuerung der Mechanik

34 Definition der Würfelflächen Positionen Fläche 1 Fläche 2 Fläche Fläche 4 Fläche Fläche Farbcodierung der Elemente abgebildet in: 1D-Farbarray (54 Elemente)

35 SENSORIK: EINLESEN UND ERKENNEN

36 Soft-Hardware Einstellungen Labview IMAQ Vision.NET Framework

37 Konzept - Farberkennung Eingabe Bildverarbeitung Ausgabe(Schnittstelle) Farbelement 1. Bildaufnahme 2. Masken positionieren 3. Farberkennung 4. Farbkodierung

38 Würfelseiten einlesen Bild aufnehmen Masken zeichnen RGB Werte ermitteln (Diagonale Linie)

39 RGB Werte ermitteln Pixel auf der Diagonale RGB Werte Summieren Arrays übergeben(schnittstelle)

40 Farberkennung und Kodierung R + G + B = RGB R/RGB G/RGB B/RGB = R G B > < Kodierung

41 ALGORITHMUS

42 Der Logikaufbau Würfelelemente finden -Ermittlung der Mittel-, Kanten- und Eckelemente -Zuordnung der Elemente zur Würfelposition Würfel prüfen -ermittelt nächstes Farbelement zur Lösung Zug ermitteln -ermittelt für das Farbelement die jeweilige Drehoperation Zug ausführen -Berechnung des virtuellen Würfelaufbaus nach Durchführung der Drehoperation 1D-Array -Farbinformationen des Würfels 1D-Array -berechnete Drehoperationen

43 Vorgehensweise Lösungsansatz 1. Kantenelemente der ersten Ebene 2. Eckstücke der ersten Ebene 3. Kantenstücke der zweiten Ebene 4. Kantenelemente der dritten Ebene Festlegung der Referenzfarbe Ebene 1 Ebene 2 Ebene 3 5. Eckstücke der dritten Ebene

44 Würfelelemente finden 1D-Farbarray (54 Elemente) Elementdefinition Position 1 Position 2 Position Mitte Fläche 2 Ecke 2 Fläche 1 Array: Zuordnung Farben/Position/Elementtyp (Mitte, Kante, Ecke) Farbe 1/Fläche/ Position 2(5) Farbe 2/Fläche/ Position Farbe 3/Fläche/ Position 2(3) 5(43) 3(10) Flächennummer (Position)

45 Würfel prüfen Array Zuordnung: Farben/Position/Elementtyp (Mitte, Kante, Ecke) Mitten Ecke Kante Position 1/ Fläche 2(14) 3(23) 5(41) Position 2/ Fläche Position 3/ Fläche 2(12) 3(19) 5(45) 6(51) 3(26) ausgehend von Referenzfarbe: -Elemente nach Ebenen prüfen -Elemente der Ebenen für jede Ref.farbe bekannt Bsp. Gelb als Ref.

46 Würfel prüfen Array Zuordnung: Vergleich Flächen der Mitten mit den jeweiligen der Kanten/Eckenelementen Bsp. Mitte Flächennummer (Position) Farbe 2(14) 3(23) 4(41) letztes zu prüfende Ecke Ebene 1 2(12) 3(19) 4(45) Flächen passen Ebene 1 vollständig erste zu prüfende Kante Ebene 2 6(51) 3(26) Flächen stimmen nicht mit Mitten überein Weitergabe Elementinformationen an die Logikberechnung

47 Zug ermitteln (Normposition) Array Zuordnung: Flächennummer (Position) Farbe 2(14) 3(23) Arbeitsfarbe Referenzfarbe 4(41) Lösungsansatz 1. Referenzfarbe auf Fläche 5 2. Arbeitsfarbe auf Fläche 1 3. Neuberechnung Array Zuordnung 6(51) 3(26) Würfeldrehung nach links gefordert

48 Zug ermitteln (Normposition) Flächennummer (Position) Farbe 2(14) 3(23) 4(41) 6(51) 3(26) Flächennummer (Position) Farbe 1(5) 2(14) 4(41) 2(47) 3(17) Weitergabe Elementinformationen an die Logikfindung

49 Zug ermitteln Array Zuordnung: 6(51) 3(26) Drehoperationen aus Logiktabelle anhand der Elementposition ermitteln erste Drehoperation

50 Mögliche Operationen der Mechanik Ebene 3 nach links 1 Ebene 3 nach rechts 2 Würfel auf 5 Würfel links drehen 3 Würfel rechts drehen 4 Würfel ab 5

51 Zug ausführen Problematik: nicht jede Drehoperation kann direkt durch die Mechanik umgesetzt werden Drehteller kann nur Ebene 3 drehen Positionierungsoperationen benötigt direkte Ausführung möglich direkte Ausführung nicht möglich

52 Zug ausführen ermittelter Zug der Logik Würfel rechts drehen 4 Würfel ab 5 Array mit reellen Dreh/Positionieroperationen: Weitergabe an Mechanikansteuerung Neuberechnung Würfelaufbau/lage Ermittlung des nächsten Zugs (Neustart der Prozedur) Ebene 3 nach links 1

53 Übersicht Eigenschaften der Programmarchitektur modularer Aufbau unterschiedliche Lösungsmethoden integrierbar Simulation verschiedener Lösungswege möglich

54 AKTUATORIK

55 Mechanik Anforderung: Alle sechs Seiten des Würfels müssen verdreht werden können Lösung: Zwei Achsen drehbar und an einer Position ist der Würfel zu verdrehen -> Drehung über die dritte Achse wird über je eine Drehung an den beiden anderen Achsen realisiert

56 Mechanik - Antriebe - Antrieb 1 Drehung in vertikaler Achse - Antrieb 2 Aufnahme horizontale Achse - Antrieb 3 Plattform auf/ab - Drehung horizontale Achse über eine Kupplung an Antrieb 1 - Verdrehen mit Aufnahme horizontaler Achse und Drehung um vertikale Achse

57 Mechanik - Grundfunktionen Grundfunktion Auf/Ab Position oben: Aufnahme horizontale Achse zum drehen um horizontale Achse Position mitte: Aufnahme horizontale Achse zum Verdrehen des Würfels Position unten: Einkuppeln für Drehung um horizontale Achse Kalibrierung über NXT - Berührungssensor

58 Mechanik - Grundfunktionen Grundfunktion Drehen Funktionen: - drehen um 90 Grad rechts - drehen um 90 Grad links - drehen um für horizontale und vertikale Drehung Probleme mit Relativdrehung -> Abweichungen -> Drehung auf Absolutwert Kalibrierung über NXT - Lichtsensor

59 Mechanik - Grundfunktionen Grundfunktion Aufnahme horizontale Achse Position: - offen - halb offen - geschlossen Position geschlossen wird durch Absinken der Klemmgeschwindigkeit erkannt Kalibrierung über NXT - Berührungssensor

60 Mechanik - Drehbefehle Drehbefehle Schnittstelle zum vorangegangen Modul: Array mit Drehbefehlen (1-6) 1. Verdrehen links 2. Verdrehen rechts 3. Drehen links 4. Drehen rechts 5. Drehen auf 6. Drehen ab 7. Verdrehen Drehen 180 links/rechts 9. Drehen 180 auf/ab

61 Mechanik Drehbefehle Beispiel Drehbefehle - Drehbefehle bestehen aus mehreren Grundfunktionen - Grundstellung: Aufnahme horizontale Achse ist halb offen!!! - Beispiel: Drehen auf Position oben Klemmen Position unten Drehen nach vorne Position mitte Tisch ausrichten Position oben Klemmung halb auf Fehler- Korrektur

62 Agenda Informationsverarbeitung Lego Roboter Sensoren Projekte Scanner Teekocher Rubics Cube Solver Sudoku Solver

63 Information First Lego League Regionalwettbewerb an der Hochschule Regensburg; P-Seminare mit Lego Roboter; Ansprechpartner: Armin Gardeia TelNr.: 0941/

64 Danke für die Aufmerksamkeit und viel Spaß beim Spielen!

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