Lego Mindstorms

LEGO Mindstorms NXT 2.0

Сергей Шебанин

Дмитрий Филиппов

Специально для

Комплект поставки

Процессорный модуль — 1 шт.
Сервомоторы — 3 шт.
Датчик касания — 2 шт.
Датчик цвета — 1 шт.
Ультразвуковой дальнометр — 1 шт.
Соединительные провода — 7 шт.

Сергей Шебанин GetDev.NET

Детали в комплекте

набор шестеренок различных


диаметров и назначения;
оси и втулки для них;

резиновые кольца;

колеса с шинами и шкивы

разных размеров;
ориентирующие и комбинированные соединители;

цилиндрические фиксаторы;

технические балки, в том числе с креплением и угловые;

пластины различной формы и размеров;

специальные детали (цветные шары, фигурки и т.п.).


Процессорный модуль

 32-битный ARM7 256 Кб RAM, 64 Кб flash
 8-битный AVR, 512 байт RAM, 4 Кб flash

 Монохромный ЖК-дисплей

 Динамик

 Bluetooth-адаптер

 USB-порт

 7 портов для подключения сенсоров

 Отсек для 6 батареек или аккумулятора


Сервомотор

состоит из:
1) электродвигателя,
2) редуктора,
3) ступицы колеса с отверстием под ось
4) датчика угловых перемещений


Датчик касания

контактный выключатель,
реагирует на нажатие и отпускание.


Ультразвуковой дальнометр

Обеспечивает измерение
расстояния до 2,55 м с
точностью ± 3 см.

Большие объекты с твердой поверхностью — надежные показания.
Маленькие и тонкие объектов с искривленной поверхностью, или
покрытых тканью — низкая точность.


Датчик цвета

Сенсор может выполнять 3 функции:
1. Определять цвет поверхности в 10±5 мм.
2. Определять освещенность.
3. Может использоваться как цветной
фонарик.


Основные типы
брусков (beams)
Прямые бруски с различным количеством отверстий

Угловые бруски

Дмитрий Филиппов GetDev.NET

Соединительные элементы

Шпильки (Pins)

Используются для соединения различных частей между собой.
1,2 и 3 тип существуют в двух вариантах – с малым трением (легко вращаются) и с
сильным трением (вращаются с трудом, отличаются цветом - черные и синие)


Соединение деталей с помощью шпилек

Нежесткое соединение – возможно движение одной детали относительно другой.

Жесткое соединение – взаимное расположение деталей остается постоянным.



Оси

Стандартные оси Оси с ограничителем

Используются для
1) Передачи вращения
2) Создания прочных соединений, без возможности взаимного вращения деталей


Соединение с помощью осей

Жесткое

Свободное вращение



Втулки

Используются совместно с осями для:
1) Поддержания постоянного расстояния между деталями
2) Предотвращения движения оси относительно детали


Другие виды
соединительных элементов
Могут использоваться одновременно с осями и шпильками


Простейшие механизмы

Рычаг

Рычаг — простейшее механическое устройство, представляющее собой твѐрдое тело
(перекладину), вращающееся вокруг точки опоры. Стороны перекладины по бокам от точки
опоры называются плечами рычага.
Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью
меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на
длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече). Сделав плечо
рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие.
Wikipedia


Основные типы рычагов



Соединение рычагов

При соединении одинаковых рычагов друг над другом получается механизм с полезным
свойством: элементы, соединяющие концы рычагов, сохраняют свою ориентацию в
процессе перемещения



Механизмы, переводящие вращательное движение в прямолинейное

Механизм Чебышева Механизм Хойкена


Зубчатая передача

Типы элементов, используемые в различных наборах Lego

Существуют несколько разновидностей зубчатых передач
1) Червячная (нет в Lego Mindstorms)
2) Обычная
3) Конусная
4) Двойная конусная
5) Обычная с муфтой (нет в Lego Mindstorms)
6) Дифференциальная передача (нет в Lego Mindstorms)


Применение

Передача вращения на Изменение направления вращения
другую ось



Применение

Изменение скорости вращения Изменение оси вращения
(с одновременным изменением на перпендикулярную
момента силы)

8:40 = 1:5 8:24 * 8:24 = 1:9


Специальный тип передачи

Knob Wheel

Не является зубчатой передачей. Используется для передачи вращения на параллельную
или перпендикулярную ось.
Основное достоинство – такое соединение способно передавать вращающий момент без
проскальзывания.


Колесо

В набор Lego Mindstorms входят

4 колеса диаметром 30мм 4 покрышки диаметром 43.2мм


Программирование

или


Колесные роботы

Простейший колесный робот (TriBot)

Одна из самых часто используемых моделей – трѐхколесный робот с дифференциальным
управлением (Differential Drive).
Имеет три колеса, из которых
а) одно – свободно вращается вокруг вертикальной оси
б) два других колеса – расположены на одной геометрической оси (физически не
соединены) и управляются двумя отдельными моторами.

Достоинства:
1) Простота управления
2) Простая математическая
модель, описывающая поведение робота при
движении
3) Маневренность (может развернуться на
месте, повернуть на 90 градусов)

Такая конструкция успешно применяется и в
коммерческих разработках – например пылесосы
iRobot (справа на рисунке, вид снизу).


Поведение трѐхколесного робота с дифференциальным управлением может быть описано
с помощью очень простой математической модели, фактически включающей в себя только
два параметра – расстояние между ведущими колесами (l) и их радиус (r).
Управление роботом заключается в том, что мы изменяем скорость вращения каждого
колеса в отдельности –мы можем поворачивать робота на месте, двигать его по дуге
окружности или по прямой.
Если левое колесо двигается с
постоянной скоростью Vl, а правое
– со скоростью Vr, то робот будет
двигаться по окружности радиусом
R с угловой скоростью w

Линейная скорость колѐс Vl и Vr
может быть вычислена как
произведение r*wl и r*wr, где wl и
wr – угловая скорость вращения
левого и правого двигателя.


Из формул

получается, что
1) если Vr=Vl, то робот движется по прямой;
2) если Vr=-Vl, то R=0 и робот вращается на месте;
3) если Vl=0, то робот вращается вокруг левого
колеса;
4) аналогично, если Vr=0, то робот вращается
вокруг правого колеса

Можно вывести и другие формулы,
например вычислить перемещение
робота, зная сколько оборотов сделало
каждое колесо (полезно для Lego
Mindstorms, т.к. в двигателе есть
энкодер)


Следование по линии

Постановка задачи

Задача: провести колѐсного робота вдоль начерченной линии. В качестве датчиков могут
использоваться один или несколько датчиков света(или цвета).

В качестве подзадачи необходимо научиться отличать линию от фона.



Начальная калибровка

1) Будем вращать робота вокруг одного из колес, замеряя интенсивность света в процессе
вращения и вычисляя максимальную и минимальную интенсивность. После того, как робот
сделает полный оборот, найдем среднее между максимумом и минимумом.
В дальнейшем, всѐ что меньше этого значения, будем считать черным цветом, а всѐ что
больше – белым (фоном).
2) После этого поставим робота в начальную позицию – повернѐм его так, чтобы он
находился над линией.



Простейший алгоритм


Версии

Первая версия — RCX
Впервые представлен компанией LEGO в 1998 году.
Включал в себя 8-битный H8/300 микроконтроллер + 32 Kб RAM для
хранения программ

Версии

Вторая версия — NXT
Отличается от NXT 2.0 набором датчиков: есть микрофон, но нет датчика
цвета

Версии

Версия 2,5 — NXT 2.0


Версии

Версия 3 — EV3
Впервые представлен компанией LEGO 4 января 2013 года.


EV3

Процессор — ARM9 (в конструкторе NXT 2.0 использовался ARM7)


FLASH память — 16 мегабайт

Оперативная память — 64 мегабайт

Операционная система — Linux

Слот расширения SD

USB 2.0 (поддерживает USB Host, то есть можно вставить WiFi свисток)

Bluetooth 2.1

4 порта на вход и 4 порта на выход

Динамик


EV3

Три сервомотора (два больших и один маленький)


Датчик нажатия

Цветовой сенсор

Датчик расстояния

Гироскоп-акселерометр (в базовый комплект поставки, судя по всему, не

входит)


Спасибо за внимание!

Контакты

Сергей Шебанин
sergey.shebanin@ingate.ru
http://dev.ingate.ru

dmitry.filippov@devexpress.com

Lego Mindstorms

More Related Content

More from GetDev.NET

Lego Mindstorms