Arbeitsblatt: Robotik Quick guide für LP

        Leistungsnachweis  Robotik  -‐  INMO       Quick-‐Guide-‐Robotik  EV3  für   Lehrpersonen   Rok  Tominec  –       FS  2015   Pädagogische  Hochschule  Luzern         Dozent:  Urs  Meier       1   Inhaltsverzeichnis   1.  ROBOTIK  –  KURZER  INPUT!  .  3   2.  WAS  BENÖTIGE  ICH,  UM  MIT  DEM  PROGRAMMIEREN  ZU  BEGINNEN?    3   3.  LEHRPLANBEZUG  (LP  21)  .  3   3.1  ÜBERFACHLICHE  KOMPETENZEN  (METHODISCHE  KOMPETENZEN):  .  3   3.2  MEDIEN  &  INFORMATIK  KOMPETENZEN:  .  4   4.  WO  FINDE  ICH  DAS  PROGRAMM  (EV3)?  .  5   5.  PROGRAMMBLÖCKE  .  8   5.1  PROGRAMMBLOCK  –  AKTION  .  8   5.1.1  AKTION  -‐  GERADE  AUS  .  8   5.2  PROGRAMMBLOCK  –  ABLAUF    10   5.3  PROGRAMMBLOCK  –  SENSOR    10   5.3.1  FARBSENSOR  .  11   5.3.2  BERÜHRUNGSSENSOR    14   5.4  PROGRAMMBLOCK  –  DATENOPERATIONEN    17   5.5.  PROGRAMMBLOCK  –  ERWEITERUNG  .  17   6.  INFORMATIONSQUELLEN  &  AUFGABEN    18                             2   1.  Robotik  –  Kurzer  Input!     Mechanische  Roboter  sind  in  der  heutigen  Gesellschaft  nicht  mehr  weg  zu  denken.   Henry  Fords  Fliessbandarbeit,  welche  vor  über  100  Jahren  durch  den  Automobilpionier   erfunden  wurde,  wird  heute  in  der  Autoindustrie  zunehmend  durch  Roboter  ersetzt.  Das   heisst,  Roboter  bauen  Autos,  erkunden  den  Mars  oder  tauchen  in  den  tiefsten  Ozean  ab.       Heutige  Autos  besitzen  ebenfalls  bereits  Bremssysteme,  Spurassistenten  oder  fahren   längere  Strecken  sogar  alleine  und  übernehmen  dabei  die  Arbeit  der  Menschen  oder   „reagieren  innert  kürzester  Zeit  bei  falschen  Impulsen  von  Menschen  und  korrigieren   dabei  die  Fehler.     Die  Robotik  -‐  eine  Abkürzung  von  Robotertechnik  -‐  hat  zum  Ziel,  durch  Programmierung   ein  gesteuertes  Zusammenarbeiten  der  Roboter-‐Elektronik  und  der  Roboter-‐Mechanik   herzustellen.  Der  Roboter  soll  ausführen,  was  ihm  der  Mensch  aufgetragen,   beziehungsweise  programmiert  hat.  Die  Robotik  ist  in  mehrere  Teilbereiche  eingeteilt   und  umfasst  die  Informatik,  Mathematik,  Elektrotechnik  und  des  Maschinenbaus.       Anhand  diesem  Quick-‐Guide    -‐  lernst  du  mit  Hilfe  des  Programm  MINDSTORMS  von   LEGO  die  Basics  des  Programmierens  kennen,  um  mit  deiner  Klasse  Schritt  für  Schritt   dieses  Thema  zu  behandeln.         2.  Was  benötige  ich,  um  mit  dem  Programmieren  zu  beginnen?     • • • Computer  (PC/MAC)   Programmiersoftware  EV3  (siehe  Kapitel  3)   Roboter  SET  EV3    (Achtung:  altes  SET  heisst  NXT  –  siehe  Kapitel)   3.  Lehrplanbezug  (LP  21)     Das  Thema  Robotik  wird  im  LP21  in  den  folgenden  Kompetenzen  eingeordnet:    3.1  Überfachliche  Kompetenzen  (Methodische  Kompetenzen):   Aufgaben/Probleme  lösen:  Lernstrategien  erwerben,  Lern-‐  und   Arbeitsprozesse  planen,  durchführen  und  reflektieren             3     3.2  Medien  &  Informatik  Kompetenzen:   Probleme  analysieren  und  Lösungsverfahren  in  Programmen  umsetzen,   Verständnis  von  informationsverar-‐  beitenden  Systemen  entwickeln:     Algorithmen  darstellen,  als  Programm  um-‐  setzen  sowie  deren  Ergebnisse   interpretieren  und  überprüfen                       4   4.  Wo  finde  ich  das  Programm  (EV3)?     Du  kannst  das  Programm  EV3  auf  der  Lego  Seite  downloaden.  Am   einfachsten  ist  es,  wenn  du  bei  der  Google-‐Suchmaschine  die  Begriffe  Lego   Mindstorms  &  EV3  eingibst.           Anschliessend  kommst  du  auf  die  LEGO-‐Mindstorms-‐Seite  und  unter   Download  EV3  findest  du  das  Programm.  Die  Programmiersoftware  ist   PC/MAC  -‐kompatibel.    Nach  dem  Download  kannst  du  das  Programm  LEGO   Mindstorms  EV3  öffnen.             Im  folgenden  wird  nun  zuerst  die  Startseite  näher  betrachtet  und   anschliessend  werden  die  wichtigsten  Basisfunktionen  Schritt  für  Schritt   erläutert.           5     Vor  Dir  hast  du  nun  die  Mindstorms  Startseite  mit  vielen  Möglichkeiten.   Unter  Bedienungsanleitungen  findest  du  eine  längere  Anleitung,  welche   Lego  zur  Verfügung  stellt.       Damit  Du  auf  die  Programmierfläche  kommst  –  musst  du  nun  auf  Datei   klicken  und  anschliessend  auf  der  neuen  Seite  auf  „neues  Projekt  à   Programm  à  Erstelle  ein  neues  Programm    à  Öffnen.                         6   Auf  dieser  Startseite/Programmierbereich  wird  Du  die  meiste  Zeit   verbringen,  da  über  diese  Seite  ein  gesamtes  Projekt  programmiert  werden   kann.           Im  unteren  Bereich  findest  du  die  verschiedenen  Programmelemente  und   Programmblöcke  (verschiedene  Farben).  Die  Elemente  (im  Screenshot   Grün)  kannst  Du  auswählen  und  nach  oben  ziehen  (zur  grünen  Playtaste).   Rechts  neben  den  Programmelementen  siehst  du  im  Programm,  ob  der  EV3   mit  dem  Computer  verbunden  ist.  Der  EV3  Roboter  wird  nun  per  Kabel   angeschlossen  (USB)  und  erscheint  anschliessend  unten  rechts.             7   5.  Programmblöcke     Nun  lernst  du  die  verschiedenen  Programmblöcke  und  deren  Funktionen   näher  kennen.         5.1  Programmblock  –  AKTION     Die  Aktions-‐Blöcke  steuern  die  Aktionen  des  Programms.  Sie  steuern  die   Motorumdrehungen  und  darüber  hinaus  das  Bild,  den  Klang  und  das  Licht   am  P-‐Stein  des  EV3.       5.1.1  Aktion  -‐  Gerade  aus       Erklärung:     Standartmotor     Lenkung:  Gerade  aus  (0)     50  (Schnelligkeit  50%   vorwärts)     3    Motor  macht  drei   Umdrehungen     Versuche  nun  die  einzelnen  Zahlen  zu  verändern  und   versuche  die  Beobachtungen  zu  verstehen.  Was  passiert,  wenn  ich  etwas   ändere?       8     Aufgabe  1:   Versuche  nun  deinen  Roboter  so  zu  programmieren,  dass  dieser  3   Umdrehungen  nach  vorne  fährt  und  anschliessend  3  Umdrehungen  nach   hinten.       Lösung  Aufgabe  1:     Aufgabe  2:   Programmiere  deinen  Roboter  EV3  nun  so,  dass  er  eine  Strecke  im  Raum   zurücklegt  und  anschliessend  an  einem  vorgegebenen  Ort  hält.       Individuelle  Lösung:   Verändere  an  der  Standartsteuerung  die  Lenkung,  die  Leistung  und   ebenfalls  die  Umdrehungen.  Gehe  dabei  wie  bei  Aufgabe  1  vor.           Aufgabe  3:   Dein  EV3-‐  Roboter  fährt  zuerst  vorwärts,  anschliessend  wendet  er  um  180   Grad  und  fährt  die  gleiche  Strecke  wieder  zurück.       Lösung  Aufgabe  3:               9   5.2  Programmblock  –  ABLAUF     Die  Programmablauf-‐Blöcke  steuern  den  Ablauf  des  Programms.  Alle  von   dir  erstellten  Programme  beginnen  mit  dem  Start-‐Block.         5.3  Programmblock  –  SENSOR     Die  Sensor-‐Blöcke  gestatten  es  deinem  Programm,  die  vom  Farbsensor,  IR-‐ Sensor,  Berührungssensor  eingehenden  Signale  (Eingaben)  und  vieles  mehr   zu  lesen.               10   5.3.1  Farbsensor       Aufgabe  1  zu  ABLAUF  und  SENSOR  (Farbsenor  wird  benötigt).  EV3  Roboter   hält  an  einer  Linie.       Damit  das  Prinzip  der  Schlaufe  (Programmblock  ABLAUF  ganz  rechts)   besser  verstanden  werden  kann  –  wird  im  folgenden  ein  Beispiel   aufgezeigt.       Schritt  1:  Ziehe  das  Element  Schleife  in  das  Feld.           Die  einfachste  Schleifenart  ist  die  -‐Schleife.  Der  Roboter  wiederholt   diesen  Block  ohne  je  aufzuhören.  Bei  dieser  Schlaufe  musst  Du  den  Roboter   abstellen  bzw.  das  Programm  manuell  anhalten.       Schritt  2:  Nun  klickst  Du  auf  das  UNENDLICH-‐  Zeichen  und  führst  folgenden   Schritt  aus:       11   Schritt  3:  Farbsensor,  welche  Farbe:  (in  diesem  Fall  schwarz)           Schritt    4:  Motor  einsetzen  (grüner  Block)  –  dieser  soll  nun  so  lange  fahrne,   bis  die  schwarze  Linie  berührt.  Der  Einstellungen  des  Motors  (grüner   Block)  und  was  nach  der  Berührung  der  schwarzen  Linie  mit  dem  Roboter   passiert,  müssen  nun  noch  eingestellt  werden.         Schritt  5:  Motor  soll  unendlich  fahren  und  das  Tempo  kann  ebenfalls  noch   verändert  werden.         12             Schritt  6:  Grüner  Block  hinzufügen  –  was  passiert,  wenn  der  EV3  die   schwarze  Linie  berührt?  In  diesem  Fall  stehenbleiben.       Zusatzaufgaben:       -‐  Versuche  nun  den  Roboter  so  zu  programmieren,  dass  er  rückwärts  fährt.     -‐  Verändere  Geschwindigkeit,  Farbe,  Richtung  und  lerne  so  die  Funktionen   der  einzelnen  Bausteine  noch  besser  kennen.       13   5.3.2  Berührungssensor     Aufgabe:  Dein  Roboter  soll  rückwärts  losfahren.  Sobald  er  auf  ein  Hindernis   trifft,  soll  er  sich  abdrehen  und  in  eine  andere  Richtung  fahren.       Schritt  1:     Du  benötigst  zuerst  die  Standardsteuerung.  Oben  rechts  auf  dem  Baustein   siehst  du  die  Anschlüsse  (A    B).  Achte  darauf,  dass  die  beiden  Motoren  für   die  Räder  bei  den  Anschlüssen  A  und  B  eingesteckt  sind.  Stelle  die   Standardsteuerung  genau  so  ein,  wie  du  auf  dem  Bild  erken-‐  nen  kannst.   Wenn  du  jetzt  auf  Start  drückst,  fährt  dein  EV3  so  lange  ge-‐  radeaus,  bis  du   das  Programm  ausschaltest.       Schritt  2:   Ziehe  nun  einen  orangen  Warten-‐Baustein  ins  Feld  und  hänge  ihn  an  die   Standardsteuerung.  Wähle  auf  dem  Warten-‐Baustein  den   Berührungssensor  aus  und  achte  darauf,  dass  er  am  Anschluss  1  am   Roboter  eingesteckt  ist.         Schritt  3:   Beim  Berührungssensor  musst  du  gleichzeitig  noch  ändern  und  weiter   Zustand  auswählen.  Wenn  du  jetzt  auf  Start  drückst,  fährt  dein  Roboter  so   lange  geradeaus,  bis  er  auf  ein  Hindernis  trifft.  Dann  stoppt  er.     14           Schritt  4:   Wenn  der  Roboter  auf  ein  Hindernis  trifft,  soll  er  sich  ja  drehen.  Deshalb   benötigst  du  die  Hebelsteuerung.  Ziehe  sie  hinein  und  stelle  sie  genauso  ein,   wie  du  auf  dem  Bild  sehen  kannst.  Wenn  du  jetzt  auf  Start  drückst,  fährt   dein  Roboter  so  lange  geradeaus,  bis  er  auf  ein  Hindernis  trifft.  Dann  dreht   er  sich  nach  links  und  stoppt.                   Schritt  5:   Dein  Roboter  soll  aber  so  lange  weiterfahren,  bis  du  ihn  stoppst.  Deshalb   musst  du  deine  ganzen  Bausteine  nun  in  eine  orange  Schleife  packen.  Ziehe   die  Schliefe  ins  Programmierfeld  und  platziere  alle  bisherigen  Bausteine   einzeln  hinein.       15       Schritt  6:   Das  sieht  dann  so  aus,  wie  auf  dem  Bild.   Wenn  du  jetzt  auf  Start  drückst,  fährt  dein  Roboter  so  lange  geradeaus,  bis   er  auf  ein  Hindernis  trifft.    Dann  dreht  er  sich  nach  links  und  fährt  wieder   geradeaus,  bis  er  auf  das  nächste  Hindernis  trifft.  Der  Roboter  stoppt  erst,   wenn  du  ihn  von  Hand  anhältst.                                       16   5.4  Programmblock  –  DATENOPERATIONEN     Die  Datenoperations-‐Blöcke  ermöglichen  es  dir,  Variablen  zu  schreiben  und   zu  lesen,  Werte  zu  vergleichen  und  vieles  mehr.             5.5.  Programmblock  –  ERWEITERUNG       Für  Basisprogrammierung  nicht  wichtig!     Mit  den  Erweiterungs-‐Blöcken  kannst  Dateien,  Bluetooth-‐Verbindungen   und  vieles  mehr  verwalten.         17   6.  Informationsquellen  &  Aufgaben       Damit  Du  nun  dein  Basiswissen  erweitern  kannst  –  gibt  es  im  Internet  noch   unzählige  weitere  Aufgaben  und  Informationsquellen  zur  Drag  &  Drop-‐ Programmierung  deines  EV3  –  Roboters.  Viele  Infos  findet  man  auf  Youtube   oder  über  Google  bsp.  Lego  Mindstorms  ev3  Hilfe  etc.  eingeben.         Hier  findest  du  einige  Links  aufgelistet:     Englisch:                 Deutsch:                (offizielle  PHLU  –  Robotikseite)             18