Popularizace informatiky - LEGO EV3 - Robot v bludišti

Robot v bludišti

Projekt Robot v bludišti je zaměřený na možnosti pohybu a orientace robota sestaveného z robotické stavebnice LEGO Mindstorms EV3 v prostoru. Řízení pohybu robota je u stavebnice realizováno pomocí servomotorů. Jejich řízení může být prováděno několika způsoby. Žáci se během této aktivity naučí všechny tyto možnosti využívat. Vyzkouší si některé praktické metody určování vzdálenosti při průjezdu robota vytyčenou drahou. Veškeré znalosti si upevní díky procvičení na navržených úlohách, které simulují různé situace průjezdu robota vytyčenou drahou různé složitosti a členitosti.

Obr. 1  Labirinto Verde de Nova Petrópolis - RS - Brasil,
Zdroj obrázku: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Labirinto_Verde.jpg, autor: Lúcia Bischoff, Creative
Commons Licence (CC BY-SA) <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en>

Doporučený multimediální materiál

Webová stránka sloužící jako databáze lokací bludišť po celém světě - http://www.labyrinthlocator.com/.

Určování ujeté vzdálenosti

Pokud budeme chtít vytvářet program, díky kterému musí robot urazit nám předem známou vzdálenost, dostáváme se před první problém, který musíme vyřešit. Pro ovládání servomotorů LEGO Mindstorms EV3 totiž máme k dispozici tři režimy ovládání:

• otáčení motoru po určitou dobu udávanou v sekundách,
• otáčení motoru o určitý počet stupňů (0 - 360°) -> 360° = 1 otáčka,
• otáčení motoru o určitý počet otáček.

Na základě tohoto zjištění vyvstává otázka, jak zjistit a v čem určit vzdálenost, pokud má náš robot ujet například 30 cm? Pro přesné měření vzdálenosti máme několik možností a ty si není představíme.

Měření ujeté vzdálenosti

První z možností jak určovat vzdálenost, kterou robot urazí je vyjádřit ji počtem otáček, které má motor vykonat. Tímto způsobem vždy docílíme stejné vzdálenosti, která není ovlivněna rychlostí otáčení motoru. Vyvstává ovšem jeden zásadní problém. Jakou vzdálenost robot urazí, když se motor, který jej pohání, otočí o jednu či více otáček? Tuto vzdálenost můžeme zjistit několika způsoby.

• Změření předem připravené dráhy - jedním z nejjednodušších řešení, které nám pomůže zjistit ujetou vzdálenost může být prosté změření ujeté vzdálenosti při provedení jedné otáčky. Ve výuce je možné si připravit jednoduché papírové měřítko dlouhé alespoň 30 cm. Díky tomu budeme mít přehled, jakou vzdálenost náš robot při ujetí jedné otáčky urazí a dále si již při nastavováních dalších vzdáleností budeme jistější.
  • Měřítko ke stažení ve formátu PDF - vytvořeno pro černobílý tisk na papír formátu A4. Navrženo pro měření malého počtu otáček (navrženo na 25 cm nebo pomocí slepení obou dílů rozšiřitelné na 50 cm).
• Označení výchozí pozice kola - při drobném natáčení či vyjádření ujeté vzdálenosti v otáčkách si můžeme pomoci značkou na plášti kola. Řešením může být značka bílým fixem na černém plášti. Ta nám bude označovat výchozí pozici. Po provedení pohybu zjistíme, o kolik otáček se změnila výchozí pozice oproti aktuální. Získáme tak hodnotu vyjádřenou počtem otáček.
• Na obrázku můžete vidět příklad s využitím označení výchozí pozice na plášti kola. Značku jsme natočili směrem dolů. Následně otočíme kolem robota například o čtvrt otáčky a buď metrem nebo pomocí měřícího proužku papíru zjistíme, že náš robot urazil například 5 cm. Vzdálenost u tohoto příkladu závisí na velikosti použitého kola.

Měření pomocným proužkem papíru - kompromisem mezi předchozími dvěma možnostmi je měření pomocí proužku papíru, který nám bude sloužit ke změření ujeté vzdálenosti. Proužek omotáme kolem pláště kola a změříme tak, jakou vzdálenost robot urazí, pokud se kolo otočí kolem své osy. Je dobré tuto činnost kombinovat s označením výchozí pozice. 

Využití měření u jednotlivých režimů

Otáčení motoru o určitý počet otáček

Při měření vzdálenosti, kterou robot urazí pokud jeho pohyb řídíme pomocí počtu vykonaných otáček motoru, můžeme využít všechny tři předchozí možnosti měření. Dráha, kterou robot urazí navíc není ovlivněna rychlostí pohybu. Závisí pouze na zadaném počtu otážek.

Otáčení motoru o určitý počet stupňů

Ve své podstatě se jedná o stejný způsob řízení jako u řízení počtem otáček. Platí totiž jednoduchý vztah, kde 1 otáčka = 360°.

Otáčení motoru po určitou dobu

Doba otáčení jednoho či více motorů se v tomto případě udává v sekundách. Opět si můžeme na úvod změřit, jakou vzdálenost robot urazí například za 5 sekund. Musíme ovšem brát v potah důležitý fakt. Ujetá vzdálenost závisí na rychlosti otáčení motorů. Jinou vzdálenost robot za 5 vteřin ujede rychlostí 50% a dvojnásobnou, pokud pojede rychlostí 100%.

Možnosti pohybu robota

Pohyb vpřed

Možnosti realizace

Nejjednodušší pohyb, který budeme při průjezdu robota bludištěm potřebovat, je přímý pohyb vpřed. V EV3 můžeme využívat následující možnosti řízení:

• řízení pomocí času v sekundách (viz ilustrační foto)

• řízení v úhlových stupních (0 - 360°), kde 360° se rovná jedna otáčka (viz ilustrační foto) 

• řízení pomocí počtu otáček vykonaných motorem (viz ilustrační foto)

Poslední možností je nekonečné otáčení motoru. To nám ale pro bezproblémový průchod robota bludištěm nepomůže, protože nám neumožňuje řídit dobu pohybu.

Realizace pohybu vpřed

Chceme-li, aby se robot v EV3 pohyboval vpřed, musíme dodržet následující náležitosti:

• správně zvolit příslušné výstupní porty, na které jsou motory připojeny (A, B, C nebo D),
• u směru řízení nastavit přímý směr,
• nastavit dobu otáčení (v sekundách, stupních či otáčkách).

Poznámka: Nezapomeňte na to, že pokud řídíte motory po určitou dobu vyjádřenou v sekundách, tak motor urazí různou vzdálenost v závislosti na rychlosti otáčení, kterou nastavíte.

Natáčení do stran

S pohybem vpřed si při průjezdu bludištěm nevystačíme. Náš robot se bude muset natáčet různými směry. Pro to, abychom jej natočili požadovaným směrem můžeme využít dva základní způsoby realizace.

Otáčení kolem své osy

První možností natáčení je otáčení kolem osy robota. Provádí se tak, že motor, který je umístěn na straně, na kterou se má robot natočit se v potřebný okamžik zastaví a druhý motor se začne otáčet kolem své osy. Opíše tak část kružnice a zastaví se v potřebném směru. Nevýhodou tohoto způsobu je to, že otáčení o větší úhel trvá delší dobu, protože kolo, které se natáčí musí opsat velkou část kružnice.

Otáčení o určitý úhel

Druhá možnost řeší nedostatek otáčení kolem své osy. Jedná se o způsob natáčení, který je založen na principu natáčení pásových vozidel. Pro dosažení požadovaného úhlu natočení se kolo, které je na straně, kam chceme aby se robot natočil, otáčí vzad a druhé kolo vpřed. Díky tomu musí pro natočení vykonat každý motor kratší pohyb než ten, který vykonává jediný motor při otáčení kolem své osy.

Metodický list pro dlouhodobý badatelský projekt

Aktivita 1 - Průjezd jednoduchým bludištěm

Zadání

Vytvořte program, pomocí kterého robot projede jednoduchým bludištěm.

1. Připravte si následující model bludiště.
   • Můžete si jej sestavit nebo si vytisknout přiložený model, který si slepíte z jednotlivých tištěných dílů.
2. Pečlivě si změřte vzdálenost, kterou má robot urazit.
3. Zvolte si vhodný způsob řízení robota pro co nejpřesnější ujetí potřebné vzdálenosti.
4. Vyzkoušejte, který způsob natáčení bude vhodný pro realizaci natočení o 90°.
5. Program zkompletujte.

Vzorový program ve formátu .ev3 ke stažení

Grafický návrh bludiště ke stažení (v PDF) ve formátu A2

Upozornění: Přiložený program je pouze orientační. Ujeté vzdálenosti a potřebná natočení je potřeba upravovat v závislosti na velikosti tištěného bludiště.

Rozšiřující zadání

Na základě znalostí získaných v předchozím úkolu sestavte program, díky kterému robot projede následující bludiště.

1. Bludiště opět buďto sestavte nebo slepte z jednotlivých tištěných dílů.
2. Vytvořte program s využitím pohybu vpřed a natočení o 90° v obou možných směrech.

Vzorový program ve formátu .ev3 ke stažení

Grafický návrh bludiště ke stažení (v PDF) ve formátu A1

Grafický návrh bludiště ke stažení (v PDF) ve formátu A0

Upozornění: Přiložený program je pouze orientační. Ujeté vzdálenosti a potřebná natočení je potřeba upravovat v závislosti na velikosti tištěného bludiště.

Aktivita 2 - Průjezd členitým bludištěm

Zadání

Vytvořte program, pomocí kterého robot projede členitým bludištěm.

1. Připravte si následující model bludiště.
   • Můžete si jej sestavit nebo si vytisknout přiložený model, který si slepíte z jednotlivých tištěných dílů.
2. Na základně metod a principů měření, které jste se v této aktivitě naučili, si změřte potřebné vzdálenosti a úhly, které musí robot projet.
3. Vytvořte program, díky kterému robot bludiště co nejpřesnějši projede.

Vzorový program ve formátu .ev3 ke stažení

Grafický návrh bludiště ke stažení (v PDF) ve formátu A0

Upozornění: Přiložený program je pouze orientační. Ujeté vzdálenosti a potřebná natočení je potřeba upravovat v závislosti na velikosti tištěného bludiště.

Multimédia k dlouhodobému projektu

Doporučený multimediální materiál 

Anglický materiál zabývající se řízení servomotorů robota: ZDE

Video věnující se řízení robota v EV3: