Das EV3 Roboter Universum

Ein umfassender Einstieg in LEGO® MINDSTORMS® EV3 mit 8 spannenden Roboterprojekten.

Matthias Paul Scholz, Beate Jost, Thorsten Leimbach

• Verlag: MITP Verlag
• Jahr: 2014
• ISBN drucken:
  9783826694738
• eBook-ISBN:
  9783826696459
• Thema: Informatik
• Thema: Hardware

Ein umfassender Einstieg in LEGO^®MINDSTORMS^®EV3 mit 8 spannenden Roboterprojekten

• Bau- und Programmieranleitungen: Schritt für Schritt
• Inkl. aller wichtigen EV3-Themen: Fortbewegung, alle Sensoren, drahtlose Kommunikation, Fernsteuerung, Zamor-Werfer uvm.
• Alle Roboter sind jeweils mit einem einzigen EV3-Set baubar

Aus dem Inhalt:

• Umfassende Einführung in die neue LEGO^®-Roboter- Generation EV3
• Acht spannende Roboter-projekte:
  • ein sechsbeiniges Roboterinsekt
  • ein Roboterauto
  • ein Raupenfahrzeug
  • ein Mars-Rover zur Erkundung fremder Planeten
  • ein Wächter, der entlang einer Linie Wache schiebt
  • ein dreibeiniger und mit Kanonen bewaffneter Roboter-Droide
  • eine automatische Marionette
  • Kommunikation: der Trainer gibt Bewegungen vor, die ein Sportler nachahmt
• Fortbewegung mit Rädern, Ketten und Laufbeinen
• Einsatz aller Sensoren
• Verwendung des Zamor-Werfers
• Fernsteuerung
• Drahtlose Kommunikation zwischen mehreren Robotern
• Ohne Vorkenntnisse verständlich

Dieses Buch ist eine umfassende Einführung in die neue LEGO^®-Roboter-Generation EV3. Es vermittelt nicht nur Einsteigern und Einsteigerinnen die Grundlagen, um eigene Roboter mit MINDSTORMS zu bauen und zu programmieren, sondern bietet auch Fortgeschrittenen vertiefte Kenntnisse und neue Ideen zum Set.
Anhand von acht spannenden Roboter-Projekten werden die Möglichkeiten der Robotik praxisnah eingeführt. Die anschaulichen vierfarbigen Schritt-für-Schritt-Bau- und Programmieranleitungen machen es auch ohne Vorkenntnisse einfach, die Roboter des Buchs nachzubauen und mit der LEGO^®-eigenen Programmiersprache zum Leben zu erwecken. Alle Roboter im Buch können jeweils mit einem einzigen EV3-Set gebaut werden.

Sowohl die Home- als auch die Education-Edition werden voll unterstützt. Die Bauanleitungen für die Education-Edition werden kostenlos zum Download zur Verfügung gestellt.

Von der Fortbewegung mit Rädern, Ketten und Laufbeinen über den Einsatz aller Sensoren bis hin zu anspruchsvollen Aufgaben wie Linienverfolgung, Fernsteuerung und drahtloser Kommunikation zwischen mehreren Robotern führen die Autoren leicht verständlich in die Welt von LEGO^®MINDSTORMS ein.
Nach Lektüre dieses Buchs verfügt man über das notwendige Handwerkszeug, um die neue Generation des MINDSTORMS-Universums selbstständig weiter zu erforschen und eigene tolle Roboter zu erschaffen.

Über die Autoren:
Matthias Paul Scholzist langjähriges Mitglied des LEGO^®-internen MINDSTORMS Community Partner Programs und nimmt als offizieller »LEGO Robot Expert« an internationalen LEGO^®-Events teil. Er ist Autor mehrerer erfolgreicher MINDSTORMS-Bücher.
Thorsten Leimbachist Jurymitglied bei mehreren Roboterwettbewerben u.a. beim RoboCup Junior und der FIRST^®LEGO^®League (FLL).
Beate Jostmöchte insbesondere das Interesse von Mädchen und jungen Frauen an der Robotik wecken, u.a. auch als Jurymitglied beim RoboCup Junior Dance.

Alle Autoren geben bei der Initiative »Roberta^®– Lernen mit Robotern« des Fraunhofer-Instituts Roboter-Workshops für Kinder, Jugendliche, Studenten und Lehrer.

Kapitel 1: LEGO^® MINDSTORMS – Von RCX zu EV3

Im Jahr 1998 wurden von The LEGO Group^® die ersten Komponenten der ​MINDSTORMS-Serie veröffentlicht: Das ​Robotic Invention Set (RIS) enthielt eine zentrale programmierbare Steuereinheit, den sogenannten ​Robotic Command Explorer (RCX). Mit dem RCX wurden elektrische Motoren und Sensoren entwickelt. Standardmäßig ließen sich der ​RCX-Stein und die Motoren mit den sonstigen LEGO^®-Komponenten aus den SYSTEM- und TECHNIC-Serien verbinden.

Im August 2006 wurde das Robotic Invention Set durch das Nachfolgesystem LEGO^® MINDSTORMS NXT abgelöst. Das mit dem RIS eingeführte Konzept wurde mit dem NXT fortgeführt. Das zentrale Element der LEGO^® MINDSTORMS blieb der intelligente »Stein« der NXT, an dem wieder Sensoren und Motoren angeschlossen werden konnten. Sowohl der ​NXT-Stein als auch die Sensoren waren aber im Vergleich zu dem RCX erheblich leistungsfähiger. Eine weitere wesentliche Neuerung gegenüber dem Vorgänger war die Offenlegung der Hardware- und Softwarespezifikationen. Diese Öffnung und die Gründung verschiedener Partnerprogramme, z. B. der ​MINDSTORMS Community Partners MCP und das MINDSTORMS Developer Partners Program, verhalfen dazu, das große Potenzial der LEGO- und Robotik-begeisterten Gemeinschaft zu nutzen und die Möglichkeiten des NXT-Systems in großem Maße auszuschöpfen.

Abb. 1.1: Von RCX zu EV3

War die Bandbreite der verfügbaren Sensoren für das RCX-Set noch recht überschaubar, gibt es für den NXT eine große Anzahl an Sensoren von Drittfirmen wie HiTechnic, Mindsensors oder Vernie. Somit können bereits Kinder und Jugendliche leicht in die Konstruktion und Programmierung eines Roboters einsteigen. Aber auch auf Hochschulniveau bietet das NXT-System für Studenten und Erwachsene ausreichend Möglichkeiten von der fortgeschrittenen Programmierung und Konstruktion bis hin zum Eigenentwurf von elektronischen Bauteilen, wie z. B. Sensoren. Nicht zuletzt nutzen Initiativen in den USA (LEGOEngineering) und Europa (Roberta^® – Lernen mit Robotern) das NXT-System, um Kinder, Jugendliche, Studentinnen/Studenten und Lehrkräfte für Technik und Naturwissenschaften zu begeistern.

Seit August 2013 wurde die LEGO^® MINDSTORMS-Serie um ein neues Mitglied mit dem Namen EV3 (EV für Evolution und 3 für das dritte System der MINDSTORMS-Serie) erweitert. Mit EV3 hat LEGO^® konsequent die beiden erfolgreichen Vorgängersysteme weiterentwickelt. Sowohl der intelligente »Stein« als auch die elektrischen Komponenten wurden an den heutigen Stand der Technik angepasst.

Um nur eine Weiterentwicklung herauszugreifen, sei an dieser Stelle die ​Auto-ID-Funktion der Motoren und Sensoren erwähnt. Schließt man beispielsweise den Farbsensor an einen Sensorport des EV3-Steins an, erkennt die offizielle LEGO^® EV3-Software automatisch den Port, an dem der Sensor angeschlossen ist – vorausgesetzt, der EV3 ist eingeschaltet und mit dem PC verbunden (siehe in Kapitel 3 den Abschnitt 3.6.2).

1.1 Der intelligente LEGO^®-Stein EV3

Es handelt sich um einen Computer, der selbstständig Programme ausführen kann, die mittels einer dazu geeigneten Software in ein für den Stein verständliches Format übersetzt wurden. Der Stein kann somit als Gehirn des Roboters bezeichnet werden.

EV3 ist im Vergleich zum NXT mit einem schnelleren Prozessor und mehr Speicher ausgestattet. Firmware und Programme werden im Flash-Speicher abgelegt und bleiben auch ohne Stromversorgung längere Zeit erhalten. Mit EV3 wird zudem ​Linux als Betriebssystem eingesetzt.

Kommunikation mit dem PC ist bei EV3 ähnlich geregelt wie beim NXT. Zusätzlich zur Verbindung der Steuereinheit (»intelligenter Stein«, engl. intelligent brick) zu PC via USB und Bluetooth gibt es die Möglichkeit, den Stein per USB mit einem weiteren Stein (sogenanntes daisy chain) zu verbinden.

Abb. 1.2: LEGO^® MINDSTORMS EV3 Education-Set (Quelle: LEGO Education)

Wie Abbildung 1.2 zeigt, können a​m EV3-Stein vier Sensoren angeschlossen werden. Die Anzahl der Motorausgänge blieb im Vergleich zum NXT mit vier Anschlüssen gleich. Zur Verbindung zwischen EV3 und Sensoren bzw. Motoren werden die vom NXT bekannten Kabel mit RJ12-Stecker (vergleiche Abbildung 1.3) verwendet.

Tabelle 1.1 zeigt die Unterschiede zwischen EV3- und NXT-Stein. Die Angaben beziehen sich auf die von LEGO^® veröffentlichten Spezifikationen.

	NXT	EV3
Prozessor	Atmel 32-Bit ARM AT91SAM7S256 48 MHz 256 KB FLASH-RAM 64 KB RAM	ARM9 300 MHz 16 MB Flash 64 MB RAM
Co-Prozessor	Atmel 8-Bit AVR, ATmega48 8 MHz 4 KB FLASH-RAM 512 Byte RAM
Betriebssystem	Proprietär	Linux
Sensoranschlüsse	4 Analog Digital: 9600 bit/s (IIC)	4 Analog Digital, bis zu 460,8 Kbit/s
USB-Kommunikation	Maximalgeschwindigkeit (12 Mbit/s)	Maximalgeschwindigkeit (480 Mbit/s)
USB-Host Schnittstelle		​Daisy chain (3 levels) WiFi-Kommunikation USB-Speichermedium
SD-Card-Lesegerät		MicroSD-Karte, bis 32 GB
Verbindungsmöglichkeit mit anderen Mobil-Geräten	Betriebssystem: Android	Betriebssystem: Apple, Android
User-Interface	4 Knöpfe	6 Knöpfe inkl. Beleuchtung (z. B. um Fehler im Programm zu beheben)
Display	LCD Matrix, monochrom 100 x 64 Pixel	LCD Matrix, monochrom 178 x 128 Pixel
Kommunikation	Bluetooth USB 2.0	Bluetooth v2.1DER USB 2.0 (Kommunikation zum PC) USB 1.1 (Kommunikation zwischen zwei EV3-Steinen – Reihenschaltung, engl. daisy chain)

Tabelle 1.1: Vergleich technische Details zwischen NXT und EV3 (Quelle: The LEGO^® Group 2012)​​

Die Sensoren und Motoren können, einmal an den Stein angeschlossen, von diesem angesteuert werden. Mit einem geeigneten Programm kann man also Motoren starten, stoppen und in verschiedenen Geschwindigkeiten laufen lassen. Ebenso können Sensorwerte ausgelesen und auf ihre Veränderungen reagiert werden. Wie oben bereits erwähnt, wird zur Verbindung von Sensoren und Motoren das mit dem NXT eingeführte Kabel vom Typ RS-12 (siehe Abbildung 1.3) verwendet.

Abb. 1.3: EV3-Kabel (Typ: RS-12)

Ähnlich wie beim NXT befindet sich auch beim EV3 das Anzeigefenster (Display), in dem Text und Grafiken angezeigt werden, auf der Oberseite des Steins, dort können Systemeinstellungen vorgenommen werden. In erster Linie dient das Display zur Auswahl der auf dem EV3-Stein befindlichen Programme und zur Einstellung der Parameter Lautstärke, Sleep-Timer, Bluetooth und WiFi (mit einem USB-Dongle).

Unterhalb des Displays befinden sich beim EV3 sechs beleuchtete Knöpfe (siehe Abbildung 1.4).

Abb. 1.4: Intelligenter EV3-Stein (LEGO^® Education)

1. Knopf zum Einschalten, zur Menü-Auswahl und zum Ausschalten
2. Knopf zum DE-SELECT, um eine...

Inhaltsverzeichnis

• Impressum
• Einleitung
• Teil I: Grundlagen
• Kapitel 1: LEGO® MINDSTORMS – Von RCX zu EV3
• Kapitel 2: Die Komponenten des EV3-Sets
• Kapitel 3: EV3-Softwareumgebung – von der Einführung bis zum ersten Programm
• Kapitel 4: Wissenswertes zur Programmierung mit der EV3-Software
• Kapitel 5: Grundlegende EV3-Blöcke zur Steuerung des Programmablaufs
• Teil II: Fortbewegung
• Kapitel 6: Raupenfahrzeug
• Kapitel 7: Das Roboter-Auto​
• Kapitel 8: Der Krabbl3r
• Teil III: Sensoren
• Kapitel 9: Mars-Rov3r
• Kapitel 10: ​Fernsteuerung mit dem Berührungssensor​
• Kapitel 11: Der Infrarotsensor: Fernsteuerung und Distanzmessung​​​
• Kapitel 12: Hindernisse erkennen mit dem Ultraschallsensor
• Kapitel 13: Objekte unterscheiden mit dem Farbsensor​
• Kapitel 14: Exaktes Steuern mit dem Kreiselsensor
• Teil IV: Fortgeschrittene Roboterprojekte
• Kapitel 15: Der Wächt3r​
• Kapitel 16: Die Marion3tt3
• Kapitel 17: Der Dr3ifuß​
• Teil V: Roboterkommunikation
• Kapitel 18: Roboterkommunikation: Train3r und Sportl3r​
• Anhang A: Glossar
• Anhang B: Ressourcen
• Anhang C: Bauanleitungen für die Education Edition