Programmierung mit LEGO MINDSTORMS NXT. II. Graphische Programmierung mit NXT-G

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1 Programmierung mit LEGO MINDSTORMS NXT II. Graphische Programmierung mit NXT-G Dipl. Inf. Daniel Schmidt Arbeitsgruppe Robotersysteme Fachbereich Informatik Technische Universität Kaiserslautern Inhalt Einleitung Entwicklungsumgebung NXT-G Arbeitsfläche und Werkzeuge Aufbau von Programmen Programmelemente Anwendungsbeispiel Navigation Probleme bei NXT-G Fazit Graphische Programmierung mit NXT-G II - 2 1

2 Programmierung von Robotern Grundsätzliche Programmierarten Online-Verfahren Offline-Verfahren Teach-In Playback textuell graphisch Häufig keine Programmierkenntnisse notwendig Keine Berücksichtigung von Sensorwerten Geringer Freiraum bei der Programmierung Umfangreich und große Mächtigkeit Zum Teil sehr gute Programmierkenntnisse notwendig Oft herstellerspezifische Programmiersprachen Graphische Programmierung mit NXT-G II - 3 Programmierung von LEGO MINDSTORMS Textuelle Programmierung LeJos (Java) NXC (C-ähnlich) NBC (Assembler-ähnlich) Graphische Programmierung NXT-G Robolab Microsoft Robotics Studio Playback-Methode Als Programmierelement in NXT-G integriert Komplexität Playback- Methoden Graphische Programmierung Textuelle Programmierung Mächtigkeit Graphische Programmierung mit NXT-G II - 4 2

3 + Umfangreiche Methoden + Voller Zugriff auf Roboterfunktionen + Viele Erweiterungsmöglichkeiten (z.b. über Bibliotheken, Pakete) + Objektorientierte Programmierung Textuelle Programmierung des NXTs - Umfassende Programmierkenntnisse benötigt - Für Einsteiger schwierig Graphische Programmierung mit NXT-G II - 5 Graphische Programmierung des NXTs + Wenige Kenntnisse notwendig + Intuitive Programmierung + Gute Visualisierung + Schnelle Programmiererfolge + Einsteiger können Grundlagen selbstständig erlernen - Eingeschränkter Funktionsumfang - Ungeeignet für große und komplexe Programme Bewegung Motoren B und C Rechtskurve Halbe Motorleistung Zeitsteuerung besonders für Schüler in unteren Klassen geeignet! Graphische Programmierung mit NXT-G II - 6 3

4 Entwicklungsumgebung NXT-G Graphische Programmierung über vorgefertigte Programmierbausteine (Programmierpalette) (1) Menüleiste (2) Programmierpalette (3) Arbeitsfläche (4) Robo-Center (5) Controller (6) Parameterfenster (7) Hilfe Graphische Programmierung mit NXT-G II - 7 Graphische Programme Sequentielle und parallele Programme Ausführung des Programms beginnt am Ausgangspunkt Hintereinander liegende Programmblöcke werden (von links nach rechts) sequentiell abgearbeitet Parallele Ausführung über verzweigte Ablaufträger Nicht ausführbare Blöcke (ohne Ablaufträger) werden blass dargestellt Graphische Programmierung mit NXT-G II - 8 4

5 Programmierelemente Graphische Repräsentation von unterschiedlichen Methoden und Funktionen Unterprogramme in Form von Eigenen Blöcken Basiselemente sind in verschiedenen Paletten gruppiert: Allgemeine Palette Palette Aktion Palette Sensor Palette Ablauf Palette Daten Großer Funktionsumfang Graphische Programmierung mit NXT-G II - 9 Einstellen der Programmblöcke Freiheiten bei der Programmierung Anordnung der einzelnen Blöcke Modifizierung der einzelnen Blöcke (Anpassung der Parameter) Beispiel Bewegen -Block Angabe der Motoranschlüsse (Ports), Drehrichtung, Lenkung, Motorleistung, Drehdauer (oder Drehanzahl) Graphische Programmierung mit NXT-G II

6 Programmablauf Warten Verzögern des Programmablaufs Warten auf Sensorereignis oder auf Ablauf einer Zeitdauer Schleife Wiederholung der enthaltenen Programmteile Unendlich Integrierter Zähler Sensorereignis Logikwert Zeitdauer Graphische Programmierung mit NXT-G II - 11 Programmablauf Schalter Einfache Verzweigung (Offene Ansicht) Mehrfache Verzweigung (geschlossene Ansicht) Steuerung durch Sensor oder Wert Stopp Programmende Nachfolgende Blöcke werden nicht ausgeführt Deaktivierung des Blocks möglich Graphische Programmierung mit NXT-G II

7 Datentypen Drei verschiedene Datentypen: Text Logik Zahl (Ganzzahl in NXT 1.0, Gleitkommazahl in NXT 2.0) Weiterleitung von Daten über Datenleitungen und Datenknoten Graphische Programmierung mit NXT-G II - 13 Dynamische Anpassung der Blöcke Einstellungen der Parameter nicht nur vorab Programmblöcke lassen sich ausklappen Ein- und Ausgabeknoten für die Übertragung von Daten Setzen der Parameter zur Laufzeit (z.b. aus Sensorwerten) Auslesen der aktuellen Parameter oder Messwerte zur Weiterverarbeitung innerhalb des aktuellen Programms Graphische Programmierung mit NXT-G II

8 Variablen und Konstanten Variablen und Konstanten müssen in NXT-G angelegt werden Verwendung über spezielle Blöcke zum Lesen und Schreiben von Variablen und Konstanten Auswahl der Operation Auswahl der Variablen oder Konstanten Konstantenblock Existierende Variablen Matheblock Variablenblock (schreibend) Graphische Programmierung mit NXT-G II - 15 Datenverarbeitung Datenverarbeitung über sogenannte Datenblöcke Eingabe von Daten über Datenleitungen (Eingabeknoten) oder als konstante Werte (Parameter) Ausgabeknoten mit Ergebnis Berücksichtigung der Datentypen Logische Operationen Und Oder Xor Nicht Konstante Parameter Eingabeknoten Ausgabeknoten Ergebnisknoten Graphische Programmierung mit NXT-G II

9 Datenverarbeitung Mathematische Operationen Grundrechenarten: +, -, *, / Neu in 2.0: Wurzel Betrag Vergleiche / Bereich Operatoren: >, <, = Innerhalb oder außerhalb Bereich Graphische Programmierung mit NXT-G II - 17 Sensorblöcke Sensorblöcke Auslesen von Sensorwerten Rohdaten oder verarbeitete Daten (z.b. Ergebnis eines Vergleichs) Import von Blöcken für Zusatzsensoren wie Kompass, RFID-Sensor, Ergebnis des Vergleichs Messwerte Rohdaten Graphische Programmierung mit NXT-G II

10 Aktionen und weitere Blöcke Aktionen Motoren bewegen Anzeige auf Display Ausgabe von Tönen und Geräuschen Weitere Programmblöcke Konvertieren (wandelt Zahl in Text um) Kalibrierung von Sensoren Bluetooth-Verbindung Aufnahme/Abspielen von Roboterbewegungen Motorencoder (Drehsensoren) zeichnen Drehbewegungen auf Entspricht Playback-Methode zur Programmierung Graphische Programmierung mit NXT-G II - 19 Dateizugriff Verschiedene Dateiaktionen Lesen Schreiben (und Erstellen) Schließen Löschen Zeilenweises Schreiben und Lesen möglich Unterstützte Datentypen: Text, Zahl Einfache Handhabung, aber eingeschränkt Graphische Programmierung mit NXT-G II

11 Eigene Blöcke Unterprogramme / Methoden Zusammenfassung von Programmierblöcken, die eine umfangreichere Funktion erfüllen Ein- und Ausgabe von Datenleitungen möglich Erstellung eines Symbols und einer Blockbeschreibung Graphische Programmierung mit NXT-G II - 21 Programmbeispiel Hindernisausweichen Direkte Umsetzung des modellierten Systems möglich Modellierung der Hindernisvermeidung (vgl. Folie I - 18): Sensor messen Grenzwert d Grenze vergleichen d < d Grenze d d Grenze Linkes Rad stoppen, rechtes Rad n drehen Vorwärts fahren Graphische Programmierung mit NXT-G II

12 Codierung des Hindernisausweichens Sensor messen Graphische Programmierung mit NXT-G II - 23 Codierung des Hindernisausweichens Sensor messen Grenzwert d Grenze vergleichen Graphische Programmierung mit NXT-G II

13 Codierung des Hindernisausweichens Sensor messen Grenzwert d Grenze vergleichen d < d Grenze d d Grenze Graphische Programmierung mit NXT-G II - 25 Codierung des Hindernisausweichens Sensor messen Grenzwert d Grenze vergleichen d < d Grenze d d Grenze Linkes Rad stoppen, rechtes Rad n drehen Vorwärts fahren Graphische Programmierung mit NXT-G II

14 Codierung des Hindernisausweichens Sensor messen Grenzwert d Grenze vergleichen d < d Grenze d d Grenze Linkes Rad stoppen, rechtes Rad n drehen Vorwärts fahren Graphische Programmierung mit NXT-G II - 27 Codierung des Hindernisausweichens Fertiges Programm mit Unendlich-Schleife: Graphische Programmierung mit NXT-G II

15 Codierung des Hindernisausweichens Verkürzte Darstellung durch sensorgesteuerten Schalter Aber: Parameter nicht zur Laufzeit anpassbar Graphische Programmierung mit NXT-G II - 29 Anwendungsbeispiel Navigation Roboter Navigation in unbekannter Umgebung Hindernisvermeidung Kinematikberechnungen (vgl. Folie I 13) Angabe von Radius und Strecke Berechnung der Strecken der Einzelräder Berechnung der benötigten Motordrehungen und der Motorleistung Aber: Keine Angabe der Drehgeschwindigkeit möglich Lokalisierung, Kartenerstellung etc. nicht mit NXT-G möglich Graphische Programmierung mit NXT-G II

16 Probleme mit NXT-G Arithmetische Operationen umständlich und unübersichtlich Zähler++; Zähler = ((Zähler + Offset) * Faktor) + 1; Graphische Programmierung mit NXT-G II - 31 Probleme mit NXT-G Datenleitungen Verlauf oft nicht nachvollziehbar Scheinbar verbundene Leitungen Reihenfolge des Anlegens der Module und Verbindungen hat großen Einfluss auf Lesbarkeit des Programms Graphische Programmierung mit NXT-G II

17 Probleme mit NXT-G Parallele Programmstrukturen Je nach Programmierung kein deterministisches Verhalten Befehlsüberlagerung, wenn Wirkung auf gleichen Aktuator Lösung: Verwendung von Schaltern (Verzweigungen) Graphische Programmierung mit NXT-G II - 33 Probleme mit NXT-G Mehrfach verschachtelte Schleifen und Schalter (Verzweigungen) Entwicklungsumgebung wird bei großen Programmen langsamer Aufwändige Berechnung der grafischen Effekte Unübersichtliche Verschachtelungen Lösung: Verwendung von eigenen Blöcken Graphische Programmierung mit NXT-G II

18 Probleme mit NXT-G Fehlermeldungen bei Compiliervorgang Meldungen häufig nicht sehr hilfreich Manche Lösungsvorschläge nicht praktikabel ( Erstelle das Programm neu ) Fehler manchmal schwer zu finden Fehler programmbedingt Defekter Ablaufträger Graphische Programmierung mit NXT-G II - 35 Fazit Vorteile von NXT-G Einfach zu erlernende Programmiersprache Für Einsteiger gut geeignet, hohe Motivation Schnelle Umsetzung von Systemmodell in Programmcode möglich Nachteile von NXT-G Komplexere Programme gar nicht oder nur schwer umsetzbar Umständliche Arithmetik, nur Grundrechenarten Intuitive Programmierung, aber manchmal unintuitives Verhalten (z.b. bei parallelen Programmen, unendliche Motordrehung) Fehlermeldungen bei Compiliervorgang unbrauchbar Graphische Programmierung mit NXT-G II

19 Weiterführende Literatur Uwe Debacher: Einführung in NXT-G Dale Yocum: NXT Tutorial Tanja Causemann: NXT Modelle und Informationen Dave Parker: One-Kit-Models für NXT Arbeitsgruppe Robotersysteme Graphische Programmierung mit NXT-G II