Untersuchung und kritische Bewertung des Lego Mindstorm EV3-Systems


Bachelorarbeit, 2015
78 Seiten, Note: 2,3

Leseprobe

Inhalt

1.) Grundlegendes
1.1. Warum habe ich mich für dieses Thema entschieden?
1.2. Was ist ein Lego® EV3 Mindstorm?
1.3. Beschreibung des Lieferumfanges

2.) Über welche Sensoren verfügt der Bausatz?
2.1. Farbsensor
2.2. Ultraschallsensor
2.3. Berührungssensor / Tastsensor
2.4 Kreiselsensor

3.) Über welche Aktoren verfügt der Baukasten?
3.1. Die großen Motoren
3.2. Der mittlere Motor
3.3. Lautsprecher
3.4. Tastatur
3.5. Bildschirm

4.) Programmierbarkeit des Bausteins
4.1. Direkte Programmierung über das Bausteininterface
4.2. Direkte Programmierung per Computer
4.3. Die Lego Software
4.4. Andere Programmieroberflächen
4.4.1. RobotC
4.4.2. LeJos
4.4.3. Open Roberta / NEPO

5.) Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es im Unterricht?
5.1.1. Testung der Genauigkeit des Ultraschallsensors
5.1.2. Testung der Berührungs-/ Tastsensoren
5.1.3. Testung des Farbsensors
5.1.4. Testung des Kreiselsensors
5.2. Aufwand und Probleme

6.) Einsatz an den Schulen

7.) Fazit

8.) Quellenverzeichnis

9.) Abbildungsverzeichnis

10.) Anhang

1.)Grundlegendes

1.1. Warum habe ich mich für dieses Thema entschieden?

„Da waren lauter Nullen und Einsen und ich dachte, ich hätte sogar ne Zwei gesehen!“1

Ganz ähnlich fühlte ich mich, als mein betreuender Professor das Thema „Untersuchung und kritische Bewertung des Lego Mindstorm EV3-Systems“ für meine Thesis-Arbeit vorschlug. Zuerst war ich skeptisch gegenüber dem Vorschlag meines Professors - jedoch war eine gewisse Neugierde vorhanden. Also befasste ich mich in den nächsten Tagen mit dem Thema Lego Mindstorm und die Neugierde wuchs mit jedem Tag, an dem ich mich in Internetforen und der Internetseite der Herstellerfirma über das Lego Mindstorm System informierte. Als ich wusste, was ein Lego Mindstorm System ist, war der Drang in mir geweckt, ein solches Projekt für meine Thesis umzusetzen und ich entschloss mich, das Thema anzunehmen. Dazu wird das Lego Mindstorm System untersucht und kritisch bewertet.

Ich habe mich entschlossen, in meiner Ausarbeitung den Schwerpunkt auf die Sensorik und Aktorik des Mindstorm Systems zu legen und die Programmierbarkeit nur in einem kleinen Umfang zu betrachten. Dennoch werde ich auch der Programmierbarkeit ein kleine Einheit widmen und kurz auf die Möglichkeiten der Programmierung eingehen.

Das Grundlagenset bietet eine solide Basis für den Einsatz im Schulunterricht, auf welche in den folgenden Kapiteln immer wieder Bezug genommen wird. Auch ist diese Arbeit nicht nur geeignet für Berufliche Schulen, sondern auch für andere Schulzweige, wie zum Beispiel für die Fachoberschule Fachrichtung Elektrotechnik, oder auch für eine Realschule zum Beispiel in den Fächern Physik oder Informatik. In den beruflichen Schulen, meinem späteren Wirkungsfeld, sind die Einsatzmöglichkeiten fast unbegrenzt. Das Set bietet diverse Nutzungsmöglichkeiten. Es könnte dazu genutzt werden, um den Schülerinnen und Schülern die graphische Programmierung von Steuerungen näher zu bringen. Auch haben die Lernenden hier die Möglichkeit, ihr programmiertes Programm direkt auf den Baustein zu laden und auf mögliche Fehler zu testen. Das System kann auch zur Vernetzung des Systems per LAN, Wireless LAN oder Bluetooth eingesetzt werden. Dies könnte dann fortgeführt werden in eine Unterrichtseinheit zum Thema „Kommunikation im modernen Haushalt beziehungsweise in der Industrie“. Auch kann das Set zur Einführung in die Theorie der Sensoren und Aktoren genutzt werden. Das System verfügt über verschiedene Aktoren und Sensoren, die die Schüler und Schülerinnen im Unterricht analysieren können. Denkbar wäre auch eine Projektarbeit, in welcher die Lernenden einen Roboter entwickeln, programmieren und vorstellen. Dies könnte zum Beispiel eine Klassenarbeit ersetzen. Auch ist ein solches Thema nicht Alltag der Schülerschaft und somit etwas, das für sie einen großen Anreiz darstellen wird.

Leider gibt es zu diesem Thema, beziehungsweise zu dem Mindstorm EV3 System zwar eine Lehrerversion, jedoch wird diese kaum eingesetzt, da viele Schulen / Lehrkräfte an dieses Thema nicht heranwagen. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass das wenig Literatur oder auch Unterrichtsvorschläge gibt. Die Bücher, die im Buchhandel verfügbar sind, bewegen sich in einen Preissegment von 20 bis 40 Euro und sind damit nicht gerade preiswert.

Aus diesen oben genannten Gründen habe ich mich dafür entschieden dieses Thema in meiner Thesis-Arbeit genauer zu beleuchten und zu untersuchen. Dies soll in Form einer Handreichung für die Lehrenden geschehen, damit das Mindstorm EV3 im Unterricht eingesetzt wird und die Lehrkraft eine Erleichterung bei der Planung ihres Unterrichts hat.

1.2. Was ist ein Lego® EV3 Mindstorm?

Das EV3 Mindstorm-System ist ein Basis-Set der Firma Lego. Dieses Set gibt es bereits in mehreren Auflagen, welches mit jeder Auflage ständig weiterentwickelt wird. Speziell gibt es für Lehrer oder auch Studenten an Universitäten ein sogenanntes Education Set, welches einen größeren Funktionsumfang enthält als das Basis-Set. Die erste Auflage dieses Sets wurde 1998 von der Firma Lego vorgestellt. Es kam unter dem Namen Robtic Invention Set, kurz RIS auf den Markt. Zu sehen sind diese Einheiten in der unten stehenden Abbildung 1. Diese zeigt die Historie: RIS (ganz links), NXT (Mitte) und den aktuellen Baustein der EV3 Serie (rechts).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Von RIS zu EV3

Quelle: Scholz, Matthias Paul; Jost, Beate; Leimbach, Thorsten (2014): Das EV3 Roboter Universum. Ein umfassender Einstieg in die LEGO® Mindstorms® EV3 mit 8 spannenden Roboterprojekten.1. Auflage 2014.mitp-Verlag. Seite 21.

Die Modelle, beziehungsweise die weiterentwickelten Versionen, wurden mit jeder Stufe immer leistungsfähiger. Eine Neuerung zu den beiden Vorgängerversionen ist die Art der Verbindung. Konnten sich RIS und NXT nur per USB verbinden, so verfügt der EV3 über die Möglichkeit, sich auch per Bluetooth oder W-LAN mit der EV3 Software zu verbinden (die dadurch entstehenden Vorteile bei der Programmierung werden im Kapitel 4 behandelt). Auch wurden die Sensoren nach und nach an den heutigen Standard angepasst und weiterentwickelt. Jedoch gibt es hier bei der Basisversion im Vergleich mit der Education Version Unterschiede. Die beiden Versionen beinhalten zum Teil unterschiedliche Sensoren. In der Basis Edition gibt eine Infrarotfernsteuerung und einen Infrarotsensor. Demgegenüber steht das Education Set, welches statt der zwei zuvor genannten Sensoren einen Kreiselsensor und einen Ultraschallsensor enthält. Ansonsten unterscheiden sich die beiden Ausstattungsvarianten im Hinblick auf die Sensoren nicht. Ein wesentlicher Unterschied kommt erst später beim Auswerten und Programmieren zum Tragen. In der Education Version gibt es die Möglichkeit, die Sensoren zu „testen“ und Messwerte aufzunehmen. Man kann diesen Vorgang mit allen zu Verfügung stehenden Sensoren durchführen. Auch verfügt der aktuelle Bausatz über einen besseren Prozessor als das Vorgängermodell. Zum Einsatz kommt hier ein ARM 9 der über 300 MHz Rechenleistung und einen 64 MB Ram Speicher verfügt. Auch hat der EV3 Möglichkeiten der Speicherweiterung durch den Einschub einer MircoSD Card von bis zu 32 GB, was einen erhöhten Handlungsspielraum bedeutet. Das Betriebssystem des EV3 Mindstorm ist Linux. Des Weiteren kann der Baustein, wie bereits erwähnt, auch per Bluetooth oder W-LAN eingebunden werden. Bereits integriert ist das Modul für die Bluetooth Kommunikation, welches auf dem Stein direkt im letzten Menüpunkt (Schraubenschlüssel Symbol) unter Bluetooth angewählt werden kann. Ist dieses aktiviert, kann der Stein anschließend per Bluetooth an den Computer gekoppelt werden. Danach kann unter verschiedenen Einstellungen gewählt werden, wie zum Beispiel das Bedienen von einem Apple Gerät aus. Will man jedoch die Bluetooth Verbindung für einen Computer mit Windows nutzen, so muss man den Haken bei dem Punkt iPhone / iPad / iPod entfernen. Sollte man dies vergessen, gibt es beim Verbinden mit dem Windows PC eine Fehlermeldung, bei der man auf diesen Punkt hingewiesen wird. Ansonsten klappt die Verbindung im Test mit dem EV3 einwandfrei. Er lässt sich ohne Probleme überwachen und steuern. Auch gibt es die Möglichkeit über Bluetooth, dass mehrere EV3 Roboter untereinander kommunizieren und sich Botschaften senden können. Hierzu gibt es in der Programmierpalette bereits einen vorgefertigten Baustein, welcher hierzu genutzt werden kann. Man muss bei dieser Betriebsart jedoch berücksichtigen, dass die Nutzung der Bluetooth Funktion die Akku- oder Batterieleistung verringert.

Die Verbindung mittels W-LAN kann nicht ohne den vorherigen Kauf eines externen W-LAN Sticks genutzt werden, durch den weitere Kosten entstehen, jedoch eine lohnende Investition darstellt. Wie bereits bei der Verwendung von Bluetooth muss auch in diesem Fall eine vorherige Auswahl im EV3 Baustein getroffen werden. Die Einstellung ist im gleichen Menüpunkt zu finden, wie die Bluetooth Einstellungen. Unter dem Punkt Bluetooth ist in der Liste der möglichen Aktionen der Punkt Wifi zu sehen, welchen man aktivieren muss.

Auch muss dazu der zugehörige Stick im EV3 Baustein stecken, damit der Baustein die Netzwerke in der näheren Umgebung finden kann.

Für diese Art der Verbindung empfiehlt die Herstellerfirma Lego einen speziellen W-LAN Stick. Dieser liegt bei einem Preis von circa 18,30 € und ist zu finden unter dem Namen NETGEAR N150 Wireless Adapter (WNA1100).2 Mit Hilfe dieses Wireless Adapters und einiger kleinerer Einstellungen kann man den EV3 schließlich in ein vor Ort bestehendes W-LAN Netzwerk einbinden. Dies ermöglicht ebenso wie bei Bluetooth eine Kontrolle ohne Leitung über den EV3 Baustein. Auch ist durch die größere Netzabdeckung des W-LAN Netzes eine höhere Empfangsreichweite realisierbar. Jedoch schmälert der Betrieb wie auch bei Bluetooth die verfügbarere Akku- oder Batterieleistung. Beim Betrieb des EV3 Systems sollte auf die Verwendung des Akku Satzes geachtet werden, da er wiederaufladbar ist und somit extrem kostengünstiger als die Alternative, den Stein mit 6 AA Batterien zu betreiben.

Mitgeliefert wird zu dem EV3 System eine graphische Programmieroberfläche.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 : Programmieroberfläche EV3 Software

Quelle: Screenshot Lego-Software (A.Gottwald).

Die Software ist recht einfach gestaltet und man findet sich somit schnell zurecht. Wie man in Abbildung 2 sieht, ist bereits ein Startblock automatisch vorhanden. Die anderen Blöcke findet man unter den einzelnen Farben. Auch kann man neben den Farben rechts unten im Bild einen eventuell angeschlossenen EV3 Baustein erkennen und dessen Daten ablesen. Indiesem kleinen Fenster können auch die aktuellen Daten der angeschlossen Sensoren angezeigt werden. Die Software erkennt beim EV3 System die angeschlossenen Sensoren und Aktoren automatisch und ordnet den Funktionsblöcken somit direkt die richtigen Kanäle zu. Eine Dokumentation des Projektes mit Kommentaren, Videos, Bildern und einigem mehr ist auch möglich. Dafür kann das in der rechten oberen Ecke aufgeklappte Feld verwendet werden. Sollte ein Programm fertig bearbeitet sein, kann man es direkt über die Software für den EV3 Baustein übersetzen lassen und per USB- oder Drahtlosverbindung auf den Baustein laden. Auch können per Software sämtliche auf dem EV3 Baustein gespeicherten Programme abgerufen und angezeigt werden. In der Education Version kann man zusätzlich Kommentare vorenthalten, beziehungsweise nicht für Schüler und Schülerinnen freigeben, wenn Sie zum Beispiel ein teilweise vorgefertigtes Programm zur Vollendung bereit gestellt bekommen. Des Weiteren ist es hier möglich, für alle zur Verfügung stehenden Sensoren und Aktoren Messwerte aufzunehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Messwertaufnahme Education Version

Quelle: Screenshot Lego-Software (A.Gottwald).

Die Möglichkeit des Kommentierens ist gegeben. Auch besteht die Möglichkeit einer Messwertauswertung über verschiedene Funktionen. Mit diesen Mitteln und dem Lieferumfang des Basis- oder Education Sets ist eine einfache und spielerische Heranführung an verschiedene Themen der Naturwissenschaften oder Informatik möglich. In diesem Rahmen können die Schüler und Schülerinnen Experimente zu den von ihnen erlernten Theorien durchführen und ihr Wissen somit in der Praxis anwenden.3

1.3. Beschreibung des Lieferumfanges

Der Lieferumfang des EV3 Systems der Firma Lego beinhaltet eine Vielzahl an Bauelementen. In der folgenden Beschreibung kann deshalb nicht auf jedes einzelne Bauteil eingangen werden. Erwähnt werden in dieser Arbeit nur die wichtigen Bauteile. Zur besseren Gliederung wurden diese Bauteile in vier Gruppen eingeteilt: die aktiven Bauteile (Gruppe 1), die passiven Bauteile (Gruppe 2), die Verbindungsbauteile (Gruppe 3) und sonstige Bauteile (Gruppe

4). Zwischen der Home- und der Education Version gibt es jedoch Unterschiede, welche man bei der Planung eines Projektes kennen sollte. Im Falle einer Abweichung der Versionen wird dies im Anschluss an das Bauteil erwähnt.

Gruppe 1 umfasst die aktiven Bauteilen, darunter fallen die zwei großen sowie der mittlere Motor. Ausgestattet ist jedes Set mit zwei großen Motoren, welche zum Beispiel als Antrieb verschiedener Fahrzeuge dienen können. Der mittlere Motor kann beispielsweise für das Anheben oder Senken von Greifwerkzeugen oder Ähnlichem genutzt werden.

Gruppe 2 besteht aus sechs verschiedenen Sensoren, welche von der Firma Lego vertrieben werden. Leider enthalten die beiden Versionen zwar die gleiche Anzahl, jedoch unterschiedliche Sensoren. Pro Set sind vier Sensoren verfügbar. In der Home Edition sind dies zwei Berührungs- / Tastsensoren, ein Farbsensor, eine Infrarotfernsteuerung und ein Infrarotsensor. Die Sensoren können zur Abfrage der äußeren Begebenheiten genutzt werden. Diese Abfrage kann nun mit einem Programm ausgewertet und anschließend dazu genutzt werden, um zu prüfen, ob es notwendig ist, eine entsprechende Reaktion, wie zum Beispiel das Fahren eines Ausweichmanövers, wenn der Tastsensor einen Aufprall registriert. Gemeinsam haben beide Versionen die beiden Tast- / Berührungssensoren und den Farbsensor. Neu sind hingegen bei der Education Version ein Ultraschallsensor und ein Kreiselsensor. Diese können genau wie die anderen Sensoren in jedes Programm integriert werden. Zusätzlich können Sensoren nachgekauft werden.

Aus den Bauteilen zum Bau des Roboters setzt sich die dritte Gruppe zusammen, die nun prägnant beleuchtet wird. Diese Gruppe besteht aus allen Bauelementen, die benötigt werden, um beispielsweise einen Roboter zu konstruieren. Es gibt Streben in gewinkelter, gerade-, T- und L-Form. Zu der Kraftübertragung von Motoren gibt es Wellen in verschiedenen Längen und Farben. Auf diese Achsen kann man anschließend Zahnr ä der montieren um eine andere Übersetzung zu bekommen oder die Kraft für weitere Zwecke zu nutzen. Die Zahnräder sind in verschiedenen Ausführungen und Größen enthalten.

Gruppe 4 enthält alle sonstigen Bauteile. In der Education Version gibt es eine Kugel mit der passenden Aufnahme, welche zum Beispiel als hinteres Rad genutzt werden kann. Für die Home Edition ist als Ersatz ein Schwenkrad beigelegt. In der Home Edition ist noch eine andere Komponente enthalten, welche in der Education Version fehlt. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Zamor Werfer. Dieser Werfer kann verschieden bunte Kugeln abschießen. Er war auch schon bei der NXT Vorgängervariante vorhanden und wurde aufgrund der Beliebtheit beibehalten. Auch verfügt das Set über Reifen, welche in beiden Versionen vorhanden sind. Sie können auf die Achsen montiert und mit Buchsen arretiert werden. Für die Reifen sind jedoch spezielle weiße Buchsen mit einem Fügel vorhanden, mit welchen der Vortrieb sichergestellt wird. Buchsen dienen in erster Linie dazu, die Achsen zu befestigen.4

2.) Über welche Sensoren verfügt der Bausatz?

2.1. Farbsensor

Mit dem Farbsensor aus dem EV3 Set lassen sich einige interessante Objekte messen. Auch ist sein Einsatz sehr vielfältig möglich. Der Farbsensor kann weitaus mehr, als man ihm auf den ersten Blick zutraut. Betrachtet man den Sensor, stellt man fest, dass er eine Fotodiode (untere Öffnung) und drei Leuchtdioden in den Farben blau, grün und rot besitzt. Die farbigen Leuchtdioden sind unter dem oberen Ausgang gebündelt. Der Sensor kann damit in drei Betriebsmodi eingesetzt werden. Welcher Modus genutzt wird, wird beim Programmieren des Programmes entschieden. So wie auch die anderen Sensoren, hat auch der Farbsensor ein paar kleine, aber entscheidende Feinheiten, welche bei der Beschreibung und Erklärung der einzelnen Modi berücksichtigt werden.

Zunächst wird mit dem Modus der Farberkennung begonnen. Der Sensor ist mittels farbigen Leuchtdioden in der Lage, das unter oder auch vor ihm liegende Objekt mit den drei Farben grün, rot und blau anzustrahlen. Bei jedem Bestrahlen des Objektes wird von der Fotodiode ausgewertet, wie viel farbiges Licht von jeder Farbe reflektiert wurde. Anhand dieser Information kann die Elektronik nun auswerten, um welche Farbe es sich handelt. Der Sensor kann laut Auswahl sieben verschiedene Farben erkennen.5 Zu sehen ist dies bei der Verwendung des Sensorblocks. Die erkennbaren Farben sind schwarz, blau, grün, gelb, rot, weiß und braun. Beachtet werden muss in diesem Modus, dass der Sensor nicht zu weit von der zu messenden Farbe positioniert wird, da sonst der Grad des reflektierten Lichtes nicht mehr ausreicht. Es kommt dann entweder dazu, dass keine Farbe erkannt oder auch eine falsche Farbe detektiert wird. Auch sollte bedacht werden, dass ein Winkel zum zu messenden Objekt ebenfalls eine Fehlerquelle darstellen kann, da hier das Licht nicht zur auswertenden Fotodiode zurückgeworfen wird. Eine weitere Besonderheit des Sensors, die man in diesem Modus beachten sollte, ist, dass rot nicht gleich rot ist, da es unterschiedliche Farbtöne gibt. Jedoch kennt der Sensor diese Farbnuancen nicht alle und kann so unter Umständen einen Rotton nicht als rot erkennen, da er von dem vordefinierten Wert zu stark abweicht. Um zu testen, ob das Programm fehlerhalt ist oder ob der Rotton nur nicht richtig erkannt worden ist, hat man die Möglichkeit, dem Sensor eine Farbkarte vorzulegen, auf der alle sieben Farben vorhanden sind. Erkennt der Sensor nun die Farben, so ist er korrekt in das Programm integriert. Ansonsten ist ein Fehler im Programm vorhanden.6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Farbkarte zur Prüfung des Farbsensors

Quelle: Scholz, Matthias Paul; Jost, Beate; Leimbach, Thorsten (2014): Das EV3 Roboter Universum . Ein umfassender Einstieg in die LEGO® Mindstorms® EV3 mit 8 spannenden Roboterprojekten.1. Auflage 2014.mitp-Verlag. Seite 269.

Einsetzbar ist die Farbunterscheidung für viele Anwendungen. Man kann den Roboter zum Beispiel so programmieren, dass er zwischen farblichen Objekten unterscheiden kann und anhand dieser verschiedene Handlungen durchführt. Auch ist es möglich mit ihm eine vordefinierte Strecke abzufahren.

Mit dem Farbsensor ist neben der Bestimmung der Objektfarbe auch die Messung des reflektierenden Lichtes einer Oberfläche möglich. In diesem Fall wird die Oberfläche mit einer roten LED angestrahlt und das von der Oberfläche zurück geworfene Licht vom Sensor registriert und ausgewertet. Anschließend gibt er die Intensität mit einem Wert zwischen 0 und 100% aus. 0% bedeutet keine Reflektion (dunkel) und 100% bedeutet komplette Reflektion (hell). Die kann zur Bestimmung dienen, ob ein Objekt eher hell oder dunkel ist. Dunkle Objekte absorbieren mehr Licht als helle Objekte. Aus diesem Grund wird auch dieser Modus dazu genutzt, um Linien zu folgen. Man kann sich den gemessenen Wert anzeigen lassen und anschließend den Roboter so programmieren, dass er, sobald der Wert niedriger wird, eine Aktion ausführt. Dies könnte zum Beispiel sein: Anhalten und die Position halten oder ein Signal in Form eines Tones abgeben. Auch in diesem Modus gelten, wie bereits oben erwähnt, die Grundsätze, dass der Sensor möglichst nah an die Oberfläche herangeführt werden sollte und zu der zu messenden Oberfläche im 90° Winkel steht, um korrekte Messergebnisse zu erzielen und den Messfehler zu minimieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Auswertung einer Oberfläche mittels Lichtreflektion. Die weiße Oberfläche reflektiert das Licht besser

Quelle: Park, Eun Jung ( 2015): Lego®-Roboter für Einsteiger. Mit 5 coolen Roboterbeispielen für Lego® Mindstorms® EV3. 1.Auflage 2015. Weinheim: WILEY-VCH Verlag Gmbh &Co. KGaA. Seite 200.

Der letzte Modus, der hier behandelt werden soll, ist die Registrierung und Auswertung des Umgebungslichtes. Bei diesem Modus wird der Sensor aktiviert und misst die Lichtintensität in seiner Umgebung. Damit kann er im Programm eine Aussage über die Helligkeit in seiner Umgebung treffen. Dass der Sensor in diesem Zustand in Betrieb ist, signalisiert eine blau leuchtende LED. Auch in diesem Betriebsmodus gibt der Sensor die Messwerte als Zahlenwert zwischen 0 und 100% aus. 0% ist in diesem Fall kaum einfallendes Licht, also dunkel und 100% genau das Gegenteil, nämlich sehr viel einfallendes Licht, was hell bedeutet.7 Dies kann man zum Beispiel dazu nutzen, einen Wachroboter zu bauen. Sobald er nachts eine Veränderung der Helligkeit wahrnimmt, schaltet er auf Alarm und signalisiert dies beispielsweise durch ein blinkendes Display und / oder Töne. Auch wäre denkbar, mit Hilfe der Zeitdauer der Lichteinstrahlung eine Art Fernbedienung zu bauen. Man könnte den Roboter so programmieren, dass er bei einem bestimmten zeitlichen Einfall von Licht ein bestimmtes Kommando ausführt, zum Beispiel: fahre nach links, wenn das Licht länger als 3 Sekunden leuchtet.

2.2. Ultraschallsensor

Ultraschallsensoren können zu vielen verschiedenen Messungen benutzt werden, wie zum Beispiel zur Messung des Füllstandes oder auch zur zerstörungsfreien Messung in der Qualitätssicherung. Im Lego EV3 System wird der Sensor jedoch zur Messung von Abständen oder zum Aufspüren einer weiteren Ultraschallquelle genutzt. Die Messung von Abständen erfolgt über ein sehr simples Prinzip. Der Ultraschallsensor ist mit einem Sender und einemEmpfänger bestückt. Wird er aktiviert und soll einen Abstand messen, so sendet er dauerhaft einen Schallimpuls von größer 20 kHz aus (alles unter 20 kHz wäre für den Menschen hörbar)8. Trotzdem ist Vorsicht geboten, falls man Haustiere besitzt und diese sich in der näheren Umgebung während der Messung aufhalten, denn diese können Töne bis 40 kHz wahrnehmen und somit kann eine Messung daher für sie sehr unangenehm sein9. Nach Aussenden des Schallimpulses dauert es eine Zeit ∆ t, welche der Schall benötigt, um den Weg vom Sender zum Objekt und wieder zum Empfänger zurück zu legen. Aus dieser gemessenen Zeit heraus kann mit der Kenntnis, dass sich Schall in Luft bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C mit einer Geschwindigkeit von 340 m/s10 ausbreitet, auf die Strecke s geschlossen werden. Die Formel für die Berechnung der Strecke lautet [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

(GL.1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Prinzip einer Ultraschallmessung mit S = Sender und E = Empfänger Quelle : Berns, Karsten; Schmidt, Daniel (2010): Programmierung mit LEGO® MINDSTORMS® NXT. 1. Auflage. Springer: Heidelberg. Seite 51.

Bei der Nutzung des Sensors sollte berücksichtigt werden, dass nicht alle Materialien oder auch Gegenstände, wenn sie im Bereich des Sensors sind, zuverlässig erkannt werden. Dies richtet sich zum Teil nach der Oberflächenbeschaffenheit der zu erkennenden Stoffe. Sind diese glatt oder auch aus einem Material, welches den Schall absorbiert, wie zum Bespiel Kissen oder Plüsch? Ein Problem stellt das Erfassen mehrere Objekte dar. Dies kann zum Beispiel passieren, wenn zwei Objekte hintereinander stehen oder auch überlappen (Objekte zwei und drei in Abbildung 7). Auch können Objekte an der Grenze des Schallkegels liegen und somit nicht zuverlässig detektiert werden (Objekt zwei). Ein weiteres Problem könnte es geben, wenn sich mehrere Objekte im Schallkegel des Sensors befinden. Stehen zwei Objekte dicht hintereinander, welche sich jedoch nicht komplett überdecken, kann es dazu kommen, dass der Schall fehlerhaft reflektiert wird. Somit kommt es zu einer längeren Laufzeit des Schalls, was nach Gleichung 1 falsche Werte liefert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Probleme bei der Ultraschallmessung

Quelle: Berns, Karsten; Schmidt, Daniel (2010) : Programmierung mit LEGO® MINDSTORMS® NXT. 1 Auflage. Springer: Heidelberg. Seite 52.

Eine weitere Schwierigkeit könnte darin bestehen, dass der Schall je nach Auftreffwinkel nicht zurück zum Ultraschallempfänger sondern in eine andere Richtung reflektiert wird, wie Abbildung 8 zeigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Falsche Reflektion des Ultraschalls

Quelle: https://tams.informatik.uni-hamburg.de/lehre/2003ws/vorlesung/angewandte_sensorik/ vorlesung_06.pdf - Entnommen 08.07.2015.

Ein weiteres Problem stellt die nicht genaue Detektion eines Objektes dar. Es wird gewissermaßen nur die Entfernung zum Objekt gemessen. Das heißt, dass die Strecke s zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt bekannt ist, doch nicht die genaue Position im Ultraschallkegel. Es befindet sich, wie in Abbildung 7 zu sehen ist, irgendwo auf dem Kreisausschnitt mit dem Radius der Strecke s. Auch ist eine Totalreflexion möglich, welche sich ebenfalls verfälschend auf die zu messende Zeit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]auswirkt.11

2.3. Berührungssensor / Tastsensor

Der Berührungs- oder auch Tastsensor ist ein einfacher Sensor, der einen binären Wert in Form von null oder eins liefert. Diese Werte können dann in einem Programm darüber Auskunft geben, ob eine Kollision, zum Beispiel eines selbst fahrenden Roboters, stattgefunden hat. Zu beachten ist hier jedoch, dass der Taster gedrückt werden muss und es somit je nach Intensität der Kollision zu Schäden am Roboter oder auch an dem Kollisionsobjekt kommen kann. Somit ist der Tastsensor ein passiver Sensor, da er keinen aktiven Beitrag leistet. Er sendet nichts aus und wartet auf keinen Empfang, wie beispielsweise ein Farb- oder Ultraschallsensor. Eine weitere Schwierigkeit der Tastschalter ist ein sogenanntes Prellen. Mit Prellen ist die Berührung des Schalters mit einem Objekt gemeint, welches den Schalter betätigt, ihn jedoch nicht soweit oder zu kurz betätigt, dass kein Signal entsteht, was die Zentrale Recheneinheit auswerten kann. Problematisch sind hier zum Beispiel Objekte wie Gläser oder Objekte, die zu klein sind und deshalb vom Ultraschallsensor nicht oder falsch erkannt werden, aber auch nicht so viel Masse besitzen, dass sie einem Aufprall standhalten und somit umkippen und schlimmstenfalls zerstört werden können. Tast-/ Berührungssensoren gibt es in zwei Ausführungen: Die eine Ausführung ist ein öffnender Taster, welcher bei Kontakt eine anstehende Spannung oder auch einen anstehenden Stromfluss unterbricht (Abbildung 4). Eine andere Variante ist der schließende Schalter. Er funktioniert genau in umgekehrter Art und Weise: Wenn er offen ist, ist die Spannung oder auch der Stromfluss unterbrochen. Wird er aufgrund einer Kollision oder einer Berührung geschlossen, so schließt er den Kontakt im Inneren und ein Stromfluss ist möglich (Abbildung 10). Wie zu sehen ist, funktionieren beide durch das Prinzip der Feder. Eine Feder hält den Tastkopf auf Druck und eine äußere Kraft F muss diesen Tastkopf „eindrücken“. Somit kommt die Kraft des auszuübenden Druckes auf die im Inneren verbaute Feder an. Ein kleiner Teil der nötigen Kraft ist noch zu berücksichtigen für Reibungsverluste.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 : Öffnender Tastsensor Abbildung 10 : Schließender Tastsensor Quellen: Berns, Karsten; Schmidt, Daniel (2010) : Programmierung mit LEGO® MINDSTORMS® NXT. 1. Auflage. Springer: Heidelberg. Seite 50.

2.4 Kreiselsensor

Der Kreiselsensor oder auch Gyroskop genannt, ist ein Sensor, der eine Drehung um eine feste Achse messen kann (Abbildung 11).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Drehachse des Kreiselsensors

Quelle: Scholz, Matthias Paul; Jost, Beate; Leimbach, Thorsten (2014): Das EV3 Roboter Universum . Ein umfassender Einstieg in die LEGO® Mindstorms® EV3 mit 8 spannenden Roboterprojekten.1. Auflage 2014.mitp-Verlag. Seite 284.

Greift nun an dieser oben zu sehenden Drehachse eine Kraft an, zum Beispiel aufgrund einer Änderung der Fahrtrichtung, so entsteht an dieser Achse ein Drehmoment in eine bestimmte Richtung, welche messtechnisch erfassbar ist. Aus dieser Angabe bildet der Sensor über einen Zeitraum ∆ݐ die Summe der Rotationsgeschwindigkeit, was eine Drehung um die eigene Achse bedeutet. Man beachte jedoch, dass je nach Drehrichtung der Winkel negativ oder positiv ist, wie man in Abbildung 12 ersehen kann. Bei dem Sensor gilt es zu beachten, dass es aufgrund der sogenannten Kreiseldrift dazu kommt, dass je größer die verstrichene Zeit, der Messfehler immer größer wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Gemessene Winkel eines Kreiselsensors

Quelle: Scholz, Matthias Paul; Jost, Beate; Leimbach, Thorsten (2014): Das EV3 Roboter Universum . Ein umfassender Einstieg in die LEGO® Mindstorms® EV3 mit 8 spannenden Roboterprojekten.1. Auflage 2014.mitp-Verlarg. Seite 284.

Aus diesem Grund muss der Sensor in regelmäßigen Abständen kalibriert werden. Dies geschieht im Regelfall bei jedem Aktivieren des EV3 Bausteins oder beim Verbinden des Sensors mit einem eingeschalteten EV3 Baustein automatisch. Man sollte jedoch im Moment des Einschaltens oder Verbindens den Sensor möglichst ruhig lagern, denn sonst entsteht wiederum eine Kraft, die eine Drehung des Kreisels verursacht, die die aufgenommenen Werte zur Kalibrierung verfälschen würden. Mit dem Kreiselsensor ist möglich, nun fast exakt zu manövrieren. Man kann mithilfe des Kreiselsensors feststellen, wie viel Grad, zum Beispiel bei einer Kurve, zurückgelegt wurden. Dies ermöglicht es, viel genauere Kurven zu fahren als jene, die zum Beispiel mit den manuellen Einstellmöglichkeiten der Motorsteuerblöcke machbar sind. Wie man Kurven oder auch andere Bewegungen mit den Motorsteuerblöcken realisiert, wird in Kapitel 3 behandelt. Auch kann man nun geometrische Muster, wie zum Beispiel die Zahl Acht, fahren lassen. Jedoch sollte man immer bedenken, dass der Kreiselsensor und das Messsystem eine gewisse Abweichung haben.12 Ein weiterer Modus, in dem dieser Sensor betrieben werden kann, nennt sich Rate. Dieser Modus gibt an, wie viel Grad pro Sekunde überstrichen werden. Aus dieser Angabe lässt sich die Drehgeschwindigkeit ermitteln und es ermöglicht die Prüfung, ob sich der EV3 Stein dreht. Je nach Richtung der Drehung wird diese entweder positiv oder negativ angezeigt. Eine Drehung im Uhrzeigersinn bedeutet eine positive und eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn eine negative Anzeige.13

3.)Über welche Aktoren verfügt der Baukasten?

3.1. Die großen Motoren

In beiden Versionen sind zwei große Motoren enthalten. Sie werden automatisch bei Anschluss an den EV3 Baustein erkannt. Im Inneren befindet sich in jedem Motor ein Drehsensor, sodass die Steuerung der Motoren über die Software mit mehreren Möglichkeiten erfolgen kann. Der Drehsensor ermöglicht es zum einen, den Winkel zu messen, der bei einer bestimmten Anzahl von Drehungen überstrichen wurde. Dreht der Motor vorwärts, ist der Drehwinkel positiv. Er wird negativ, falls der Motor sich rückwärts drehen sollte. Zu Beginn eines jeden Programmes ist der Wert des Drehsensors 0. Eine volle Motorenumdrehung entspricht einem Wert von 360 Grad, da er sich einmal um die eigene Achse dreht. Auch lässt sich mit dem Drehsensor die Geschwindigkeit der beiden Motoren so gut messen, dass ein weiterer Motor ohne Probleme eingefügt werden könnte.14

Der Motor kann über verschiedene Parameter gesteuert werden. Zum einen ist es möglich, den Motor über die Angabe einer Gradzahl zu steuern. Wenn der Motor zwei Umdrehungen fahren soll, so muss die Gradzahl 720 Grad betragen. Möchte man nun zum Beispiel eine halbe Umdrehung zurückfahren, weil man vielleicht gegen ein Hindernis geprallt ist, so subtrahiert man (Gl.2)[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Der Wert[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]resultiert daraus, dass eine Umdrehung 360° sind, und damit eine halbe Umdrehung genau die Hälfte von 360° ist. Diesen Wert kann man nun an die Motoren übergeben und sie fahren eine halbe Umdrehung zurück.

Eine weitere Möglichkeit, den Motor anzusteuern, besteht darin, dass man ihn eine gewisse Anzahl Umdrehungen laufen lässt. Die Umdrehungen werden mit n bezeichnet. Möchte man nun eine vorgegeben Strecke s fahren, so kann man diese umrechnen in n Umdrehungen. Dazu wird die Formel zur

[...]


1 http://www.roboterherz.de/category/zitate/ - Entnommen am 01.06.2015.

2 http://www.lego.com/de-de/mindstorms/support? - Entnommen am 06.07.2015.

3 Vgl.: Scholz 2014, Seite 21ff.

4 Vgl.: Scholz 2014, Seite 38.

5 Vgl.: Scholz 2014, Seite 268.

6 Vgl.: Park 2015, Seite 198f.

7 Vgl.: Scholz 2014, Seite 268.

8 Vgl.: Campbell 2000, Seite 1130.

9 Vgl.: Ebd. Seite 1130.

10 Vgl.: [Hrsg.] Prof. Dr. Lipsmeier 2009, Seite 2ff.

11 Vgl.: https://tams.informatik.unihamburg.de/lehre/2003ws/vorlesung/angewandte_sensorik/ vorlesung_06.pdf, Seite 235. Entnommen am 08.07.2015.

12 Vgl.: Scholz 2014, Seite 284.

13 Vgl.: Griffin 2015, Seite 71.

14 Vgl.: Scholz 2014, Seite 30.

Ende der Leseprobe aus 78 Seiten

Details

Titel
Untersuchung und kritische Bewertung des Lego Mindstorm EV3-Systems
Hochschule
Justus-Liebig-Universität Gießen  (Institut für Erziehungswissenschaft)
Note
2,3
Autor
Jahr
2015
Seiten
78
Katalognummer
V307363
ISBN (eBook)
9783668058347
ISBN (Buch)
9783668058354
Dateigröße
10178 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
untersuchung, bewertung, lego, mindstorm, ev3-systems
Arbeit zitieren
Andreas Gottwald (Autor), 2015, Untersuchung und kritische Bewertung des Lego Mindstorm EV3-Systems, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/307363

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Titel: Untersuchung und kritische Bewertung des Lego Mindstorm EV3-Systems


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