Fakultät für Informatik, Institut für Robotik Laborpraktikum I Legorobotik in JAVA

Fakultät für Informatik, Institut für Robotik Laborpraktikum I Legorobotik in JAVA Ute Ihme Hochschule Mannheim Ute Ihme

DAS LEGO MINDSTORMS System Die Bausysteme source: Lego via Cnet 1999: RCX 2007: NXT 2013: EV3 Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 2

DAS LEGO MINDSTORMS System Das NXT System Prinzip von LEGO MINDSTORMS Roboter wird gebaut mit programmierbarem LEGO Stein bis zu 3 Motoren oder Lampen bis zu 4 Sensoren LEGO TECHNIC Teile Erstellung eines Steuerprogramms am Computer Übertragen des Programms auf den Roboter Testen des Programms Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 3

DAS LEGO MINDSTORMS System Programmiersprachen für das NXT System Graphische Programmiersprachen NXT-G LabView Robolab 2.9 Text-basierte Programmiersprachen NXC, C (GNU C/C++) Java task main() { for (int i = 1; i <= 4; i++) { OnFwd(OUT_AC,75); Wait(2000); Off(OUT_AC); OnFwd(OUT_A,75); Wait(800); Off(OUT_A); } } Quellcodebeispiel: Im Viereck fahren in NXT-G und in NXC Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 4

DAS LEGO MINDSTORMS System Der NXT Stein Technische Daten 32-bit ARM7 Microcontroller 256 kbytes FLASH, 64 Kbytes RAM 8-bit AVR Microcontroller 4 Kbytes FLASH, 512 Byte RAM Bluetooth Kommunikation (drahtlos) USB Anschluss (12 Mbit/s) 4 Eingänge 3 Ausgänge Es können bis zu 3 Steine miteinander verbunden werden (Kommunikation ist nur mit einem Stein möglich) 100 x 64 Pixel LCD Display (graphisch) Lautsprecher Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 5

DAS LEGO MINDSTORMS System Standardsensoren Berührungssensor Tastsenor Ultraschallsensor Lichtsensor Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 6

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Allgemeiner Aufbau Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4, 2013 7

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 1. Starten der 32-bit Version von Eclipse (Eclipse Luna) 2. Auswahl des Arbeitsbereiches Standardeinstellungen übernehmen auf OK-Button drücken Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 8

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 3. Programmierumgebung Eclipse wird gestartet Navigationsleiste Dateinavigator Feld für Programmentwicklung Informationsfeld Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 9

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 3. Programmierung vorbereiten Datei wählen Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 10

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 3. Programmierung vorbereiten - Neu und - Projekt auswählen - LeJOS NXT Projekt wählen - auf Weiter> drücken Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 11

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 3. Programmierung vorbereiten Projektname eingeben Fertigstellen drücken Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 12

JAVA Code JAVA Basics I Jedes JAVA Programm besteht aus Klassen. public class Berechnung { // hier wird der Programmcode eingefügt } Eine der Klassen muss eine main Methode besitzen. public class Berechnung { public static void main(string[] args) { // hier wird der Programmcode eingefügt } } Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 13

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 3. Programmierung vorbereiten - Datei - neu - Klasse wählen Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 14

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 3. Programmierung vorbereiten 1. Klassennamen eingeben 2. Hier zusätzlich public static void main ankreuzen, wenn Klasse main Methode enthalten soll. 3. Fertigstellen drücken Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 15

Start der Entwicklungsumgebung Starten von Eclipse 3. Programmierung vorbereiten Nun kann das Programmieren beginnen! Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 16

JAVA Code Realisierung eines Pausenbefehls 1. Warten darauf, dass ein Knopf des NXT Steins gedrückt wird Button.waitForAnyPress(); 2. Nutzung eines lejos Befehls Delay.msDelay(2000); Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 17

JAVA Code Displayanzeige Syntax: 1. Nutzung des Standard JAVA Befehls System.out.println("Hello World!") 2. Nutzung des lejos Befehls a) für Strings LCD.drawString("Hello World 1", 0, 2); b) Für Zahlen LCD.drawInt(7, 0, 4); 3. Löschen des Displays LCD.clear(); Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 18

JAVA Code Das erste Programm: Bildschirmanzeige / Hello World // Importieren von LejosBibliotheken import lejos.nxt.*; import lejos.util.*; public class HelloWorld { public static void main(string[] args) { // TODO Automatisch generierter Methodenstub // Nutzung der JAVA Syntax für die Ausgabe eines Strings System.out.println("Hello World!"); Button.waitForAnyPress(); // Bildschirmlöschen LCD.clear(); Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 19

JAVA Code Das erste Programm: Bildschirmanzeige / Hello World // Ausgabe eines Strings mit dem LejosBefehl LCD.drawString("Hello World 1", 0, 2); // Warten für 2000ms Delay.msDelay(2000); // Ausgabe einer Zahl mit dem LejosBefehl LCD.drawInt(7, 0, 4); Delay.msDelay(2000); } } Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 20

JAVA Code Das erste Programm: Bildschirmanzeige / Hello World Datei speichern bzw. alle Dateien speichern drücken Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 21

JAVA Code Das erste Programm: Bildschirmanzeige / Hello World 1. 2. 3. Ausführen als LeJOS NXT Programm wählen, zuvor NXT Stein einschalten (oranger Knopf) Programm startet selbstständig, kann aber erneut über das Menü auf dem NXT erneut gestartet werden. Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 22

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Mission 0: Displayanzeige Erstellen Sie ein erstes Programm, dass Ausgaben auf dem Display des NXT realisiert. Programmieren Sie dazu zunächst, dass Beispiel der vorherigen Folien selbstständig nach! Realisieren Sie danach eigene Ausgaben! Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 23

DAS LEGO MINDSTORMS System Motoren Servomotor Verfügt über integrierten Rotationssensor misst Geschwindigkeit und Abstand Leitet Ergebnisse an NXT Stein weiter Motor kann auf einen Grad genau gesteuert werden Kombinationen mehrerer Motoren möglich arbeiten ggf. mit gleicher Geschwindigkeit Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 24

JAVA Code Die Klasse Motor Klasse enthält Objekte eigenen Typs, die direkt mit Motor.A, Motor.B und Motor.C referenziert werden können. Wichtige Methoden der Klasse Motor Vorwärtsfahren: Motor.A.forward(); Rückwärtsfahren: Motor.A.backward(); Anhalten: Motor.B.stop(); Kurve Motor.B.forward(); Motor.C.backward(); oder Motor.C.forward(); Motor.B.backward(); Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 25

JAVA Code Motorensteuerung I - zeitgesteuert - Syntax: Vorwärtsfahren: Motor.A.forward(); Rückwärtsfahren: Motor.A.backward(); Anhalten: Motor.B.stop(); Kurve Motor.B.forward(); Motor.C.backward(); oder Motor.C.forward(); Motor.B.backward(); Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 26

JAVA Code Motorensteuerung I - zeitgesteuert - Programmbeispiel: import lejos.nxt.*; import lejos.util.*; public class Motoren { public static void main(string[] args) { // Vorwärtsfahren Motor.B.forward(); Motor.C.forward(); Delay.msDelay(2000); Motor.B.stop(); Motor.C.stop(); Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 27

JAVA Code Motorensteuerung I - zeitgesteuert - Programmbeispiel: // Rückwärtsfahren Motor.B.backward(); Motor.C.backward(); Delay.msDelay(2000); Motor.B.stop(); Motor.C.stop(); } } Hochschule Mannheim Ute Ihme Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme // Kurve mit einem Motor Motor.B.forward(); Delay.msDelay(2000); Motor.B.stop(); //Kurve mit 2 Motoren Motor.B.forward(); Motor.C.backward(); Delay.msDelay(2000); Motor.B.stop(); Motor.C.stop(); March März 4,. 2013 28

JAVA Code Die Klasse Motor Weitere Funktionen der Klasse Motor void setspeed(int speed) setzt die Motorgeschwindigkeit Parameter speed wird in Grad pro Sekunde angegeben (max. 900) void reversedirection() dreht die aktuelle Drehrichtung um void flt() stopt die Motordrehung, lässt die Motoren dabei aber auslaufen Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 29

JAVA Code Die Klasse Motor Weitere Funktionen der Klasse Motor void rotate(int angle) lässt Motor um den angebenen Winkel drehen void rotateto(int limitangle) lässt den Motor zu dem angebenden Winkel drehen int gettachocount() gibt den Drehwinkel seit dem letzten Aufruf von resettachocount() void resettachocount() setzt den Drehwinkel auf 0 void lock(int power) falls das Anhalten eines Motors mit stop nicht reicht, z.b. Roboterarm Verstärkung der Haltekraft zwischen 1 und 100 Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 30

Motorensteuerung II /- rotationsgesteuert - import lejos.nxt.*; import lejos.util.*; public class MotorKlasse { // Motorenkann man auch als Variablen deklarien // Instanziierung zweier Motoren static NXTRegulatedMotor leftmotor = Motor.B; static NXTRegulatedMotor rightmotor = Motor.C; } public static void main(string[] args) { //Setzen der Geschwindigkeit leftmotor.setspeed(500); rightmotor.setspeed(500); //Vorwärtsfahren bis Drehwinkel von 300 erreicht ist leftmotor.rotate(300,true); rightmotor.rotate(300); } Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme Hochschule Mannheim Ute Ihme March März 4,. 2013 31

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Mission 1 Schieben der Trägerrakete in Startposition Start und Ende: Base 1 Die Langstreckenrakete soll von der Ausgangsstellung zur Startrampe geschoben werden. Video: https://services.informatik.hsmannheim.de/~ihme/version01/deutsch/mission1.html Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 32

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Mission 2: Starten der Langstreckenrakete mit dem Satelliten Start: Base 1 Ende: Base 2 Der Roboter soll der Straße folgen und die Langstreckenrakete aufrichten Video: https://services.informatik.hsmannheim.de/~ihme/version01/deutsch/mission2.html Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 33

DAS LEGO MINDSTORMS System Berührungssensor / Tastsensor Abfrage, ob Sensor gedrückt Werte des Sensors 0: Sensor nicht gedrückt 1: Sensor gedrückt Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 34

JAVA Code Berührungssensor / Tastsensor Initialisierung: public static TouchSensor touchsensor = new TouchSensor(SensorPort.S1); Hinweis: S1 wird verwendet, wenn der Tastsensor am Port S1 angeschlosssen ist. Wird der Sensor an einem anderen Port angeschlossen, so ist entsprechend S2, S3 oder S4 zu verwenden. Abfrage: boolean sensorpressed = false; sensorpressed = touchsensor.ispressed(); Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 35

JAVA Code Berührungssensor / Tastsensor Programmbeispiel: import lejos.nxt.*; public class Tastsensor { //Initialisierung des Tastsenors am Port 1 public static TouchSensor touchsensor = new TouchSensor(SensorPort.S1); public static void main(string[] args) { //Festlegung einer booleschen Variablen für den Tastsensor boolean sensorpressed = false; Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March März 4,. 2013 36

JAVA Code Berührungssensor / Tastsensor Programmbeispiel: } //Geradausfahren bis Tastsensor gedrückt wird Motor.B.backward(); Motor.C.backward(); while(sensorpressed==false){ //Auslesen des Zustandes des Tastsensor sensorpressed = touchsensor.ispressed(); } Motor.B.stop(); Motor.C.stop(); } Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 37

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Mission 3: Einschalten des Kontrollzentrums Start und Ende: Base 2 Der blaue Knopf am Kontrollzentrum soll betätigt werden. Der Roboter soll mit Hilfe eines Berührungssensors feststellen, wenn der blaue Knopf gedrückt ist. Wird der Berührungssensor ausgelöst, so soll Hinweis: der Roboter anhalten und eine Lampe Lampen werden an die Ausgänge A, B oder C für 30 s einschalten. angeschlossen und wie Motoren behandelt. Video: https://services.informatik.hsmannheim.de/~ihme/version01/deutsch/mission3.html Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 38

DAS LEGO MINDSTORMS System Ultraschallsensor Sensor sendet Ultraschall aus Schall wird von Hindernis reflektiert Reflektierter Schall wird vom Empfänger registriert Aus Laufzeit des Schalls kann auf die Entfernung geschlussfolgert werden Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 39

JAVA Code Ultraschallsensor Initialisierung für Port 2: public static UltrasonicSensor sonicsensor = new UltrasonicSensor(SensorPort.S2); Wichtig Methode: int getdistance() Gibt die Entfernung zwischen Sensor und Hindernis in cm an. Maximalwert 255 Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 40

JAVA Code Ultraschallsensor Programmbeispiel: import lejos.nxt.*; public class Ultraschall { //Initialsierung Ultraschallsensor an Port 2 public static UltrasonicSensor sonicsensor = new UltrasonicSensor(SensorPort.S2); public static void main(string[] args) { int distance=255; Motor.B.forward(); Motor.C.forward(); Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 41

JAVA Code Ultraschallsensor Programmbeispiel: } } while(distance>=10){ //Auslesen des Zustandes des Ultraschallsensor distance = sonicsensor.getdistance(); } Motor.B.stop(); Motor.C.stop(); Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 42

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Mission 4: Abholen der Astronauten Start: Base 2 Ende: an Shuttle Sensor: Ultraschallsensor Der Roboter soll die Astronauten abholen. Dazu soll er zur Raumfähre fahren und ca. 5 cm vor der Wand stehen bleiben die Astronauten können dann per Hand in den Roboter gesetzt werden. Video: https://services.informatik.hs-mannheim.de/ ~ihme/version01/deutsch/mission4.html Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 43 43

DAS LEGO MINDSTORMS System Lichtsensor Messung der Helligkeit mittels Fotodiode Helle Fläche reflektiert mehr Licht als dunkle Messbereich: 0: dunkel 100: hell Zur Ausleuchtung kann eine LED eingeschaltet werden Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 44

JAVA Code Lichtsensor Initialisierung: public static LightSensor lightsensor = new LightSensor(SensorPort.S3); Wichtige Methoden: int getlightvalue() gibt den aktuellen Sensorwert zurück in % (0-100%) void setfloodlight(boolean floodlight) Ein- und Ausschalten der aktiven Beleuchtung Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 45

JAVA Code Lichtsensor import lejos.nxt.*; public class Lichtsensor { public static LightSensor lightsensor = new LightSensor(SensorPort.S3); public static void main(string[] args) { int licht = 100; } } Motor.B.forward(); Motor.C.forward(); while(licht>=40){ //Auslesen des Zustandes des //Lichtsensor licht = lightsensor.getlightvalue(); } Motor.B.stop(); Motor.C.stop(); Hochschule Mannheim Ute Ihme März 2013 46

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Mission 5: Start: Shuttle Astronauten zurückbringen Ende: Base 2 Video: https://services.informatik.hs-mannheim.de/ ~ihme/version01/deutsch/mission5.html Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme Sensor: Lichtsensor Führen Sie das Programm von Mission 4 fort! Der Roboter soll langsam mit den Astronauten zur Base zurückfahren. Gestartet wird der Roboter mittels Tastsensor oder einer NXT Taste. Mittels Lichtsensor, soll er automatisch erkennen, wenn er sich in der Base befindet. Dazu soll die schwarze Line in Norden der Base erkannt werden. March 4,. 2013 47

DAS SPIELFELD EXPLORE MARS Mission 6: Zusatzaufgabe Zum Mars fliegen Video: https://services.informatik.hs-mannheim.de/ ~ihme/version01/deutsch/mission6.html Start: Base2 Ende: Mars Landeplattform Mittels zweier Lichtsensoren soll der Roboter auf der Flugbahn (Line) zum Marsfliegen. Benutze einen zusätzlichen Sensor, um den Linienfolger abzubrechen. Mannheim University of Applied Sciences Ute Ihme March 4,. 2013 48