Programmierung mit LEGO Mindstorms NXT: Robotersysteme, Entwurfsmethodik, Algorithmen

243 Pages·2010·3.358 MB·German

by  Karsten Berns, Daniel Schmidt (auth.)

eXamen.press
eXamen.pressisteineReihe,dieTheorieund
PraxisausallenBereichenderInformatik fu¨r
dieHochschulausbildungvermittelt.
·
Karsten Berns Daniel Schmidt
Programmierung mit LEGO(cid:2)
R
MINDSTORMS(cid:2) NXT
R
Robotersysteme, Entwurfsmethodik,
Algorithmen
123
Prof.Dr.KarstenBerns Dipl.Inf.DanielSchmidt
TUKaiserslauternFBInformatik TUKaiserslauternFBInformatik
AGRobotersysteme AGRobotersysteme
Kaiserslautern Kaiserslautern
Deutschland Deutschland
[email protected] [email protected]
LEGO, das LEGO Logo, LEGO MINDSTORMS, die Konfiguration der Noppen und die
MinifigursindMarkenderLEGOGruppe.(cid:2)c TheLEGOGroup2010.
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ISSN1614-5216
ISBN978-3-642-05469-3 e-ISBN978-3-642-05470-9
DOI10.1007/978-3-642-05470-9
SpringerHeidelbergDordrechtLondonNewYork
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;
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(cid:2)c TheLEGOGroup2010
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Geleitwort
Es war unheimlich interessant und spannend; und hat zudem sehr viel Spaß
”
gemacht!“
Dieses Zitat eines teilnehmenden Schu¨lers des NaT-Working“-Projekts Infor-
” ”
matik–Schu¨lerkurseundWettbewerbemitLEGOMINDSTORMSRobotern“ der
TU Kaiserslautern bringt die Ziele unseres Fo¨rderprogramms auf den Punkt. Im
Programm NaT-Working:NaturwissenschaftenundTechnik–Schu¨ler,Lehrerund
”
Wissenschaftlervernetzensich“sollenjungeMenschendurchdieTeilnahmeanPro-
jektenfu¨rNaturwissenschaftenundTechnikbegeistertwerden.Seit1999habenwir
imRahmenvon NaT-Working“ u¨ber140gemeinsameProjekteanderSchnittstelle
”
zwischen Schule und Forschung unterstu¨tzt und dafu¨r u¨ber 7 Millionen Euro zur
Verfu¨gunggestellt.
Wirfreuenuns,dassderGedanke von NaT-Working“ inKaiserslauternaufso
”
fruchtbarenBodengefallenist.DasProjekt Informatik–Schu¨lerkurseundWettbe-
”
werbemitLEGOMINDSTORMSRobotern“ zieltdaraufab,Schu¨lerfu¨rdieInfor-
matikundihrevielfa¨ltigenAnwendungsmo¨glichkeitenzuinteressieren.
Schu¨lerhabenoftnurungenaueVorstellungendavon,wasInformatikistundwas
einInformatikstudiumbeinhaltet.Zumeistsehensiedahinterhauptsa¨chlichdiePro-
grammierung von Software und sind u¨ber den großen deutschen (Arbeits)-Markt
aufdemGebietinformationsverarbeitendertechnischerSysteme,wiez.B.Roboter-
systeme,SystemeinHaushaltsgera¨ten,Spielkonsolen oderKraftfahrzeugen wenig
informiert.
InKaiserslauternerhaltenSchu¨lerdieMo¨glichkeit,selbststa¨ndigzuforschenund
ProblemstellungeninnerhalbeinesTeamszulo¨sen.SieerlebenInformatikerundIn-
genieurealsaktiveMitgliedereinesforschendenTeams,diesichmitdeminterdis-
ziplina¨rausgerichtetenFach Informatik“ auseinandersetzen.SielernenPerso¨nlich-
”
keiten kennen, die tagta¨glich ihre Kenntnisse aus den Fa¨chern Informatik, Physik,
ElektrotechnikundMechanikeinsetzen,umalltagsrelevanteThemenzuerforschen
und Lo¨sungen fu¨r reale technische Probleme zu finden. Die Schu¨ler bekommen
Zugang zur aktuellen Forschung, indem sie selbst an Projekten mitwirken. Durch
dieZusammenarbeitmitWissenschaftlernundStudierendenerhaltensiezudemUn-
terstu¨tzungundOrientierungbeimU¨bergangvonderSchulezurUniversita¨t.
v
vi Geleitwort
GenaudaswollenwirmitunseremProgramm NaT-Working“ erreichen:Schu¨-
”
lern einen authentischen Einblick in die Welt der Forschung und ein realistisches
Bild vom Leben an der Universita¨t zu vermitteln, so dass sie sich besser infor-
miertfu¨reinentsprechendesStudiumentscheidenko¨nnen.Nurmitentsprechenden
Kenntnissen ko¨nnen sich junge Menschen selbst ein Urteil bilden, welche Chan-
cen und Risiken in neuen wissenschaftlichen und technischen Entwicklungen lie-
gen.Natu¨rlichspieltdieSorgeumdenwissenschaftlichenNachwuchsindenNatur-
und Ingenieurwissenschaften, die fu¨r die Zukunft unseres Landes und unserer Ge-
sellschaft so wichtig sind, hier auch eine bedeutende Rolle. Nicht zuletzt ist eine
erfolgreiche Wirtschaft abha¨ngig von der Bildung ihrer Bu¨rger. Deswegen ist die
Entwicklung und Verwendung von qualitativ hochwertigen Unterrichtsmaterialien
imnaturwissenschaftlich-technischenBereichsowichtig.
NachdemdieProjektfo¨rderungfu¨rdas NaT-Working“-Programmjetztausla¨uft,
”
liegt der Schwerpunkt unserer Arbeit in der langfristigen Verstetigung der beste-
hendenProjekteundderVerbreitungderentstandenenErgebnisseausdengefo¨rder-
tenInitiativen.DiegemeinsameKonzeptionundUmsetzungderProjektideendurch
Naturwissenschaftler und Lehrer fu¨hren oft zur Entwicklung von neuen kreativen
Ansa¨tzenfu¨rdennaturwissenschaftlich-technischenUnterricht.Diesemo¨chtenwir
inmo¨glichstvieleKlassenzimmeru¨bertragenundeinerbreitenLehrerschaftzuga¨ng-
lich machen. Die Erfahrungen der Naturwissenschaftler, Lehrer und Schu¨ler aus
NaT-Working“-Projekten sollen eine breite und o¨ffentliche Plattform bekommen,
”
umanderezumotivieren,zuinspirierenundzuunterstu¨tzen.Deswegenfreuenwir
uns sehr u¨ber die Initiative der Projektbeteiligten in Kaiserslautern, ihre Erkennt-
nisse durch diese Publikation der O¨ffentlichkeit zuga¨nglich zu machen. Wir hof-
fen,dassSieaufdenfolgendenSeitenoriginelleAnregungenzumUnterrichtenund
selbstAusprobierenfindenundaufneueIdeenstoßen.
Wirwu¨nschenIhnenvielFreudebeiderLektu¨re!
Stuttgart,Dezember2009 AtjeDrexler
stv.LeiterindesBereichs
WissenschaftundForschung“
”
derRobert-Bosch-Stiftung
Vorwort
Die Informatik nimmt bereits heute eine sehr wichtige Rolle im beruflichen und
gesellschaftlichen Alltagsleben ein. Sowohl das moderne gesellschaftliche Zusam-
menleben–mandenkebeispielsweiseandievielfa¨ltigenKommunikationsmo¨glich-
keiten – als auch der wachsende Anteil an elektronischen Helfern wie Assistenz-
systemeinPkwoderautomatisierteProduktionsabla¨ufesindohnedenEinsatzvon
Informatikundenkbar.DurchdiezunehmendeAnzahlvonAnwendungen,indenen
dieMethodenderInformatikeineentscheidendeRollespielen,sindheutewieauch
indenna¨chstenJahrendieBerufsausichtenfu¨rInformatikerhervorragend.Demge-
genu¨ber sind die Anfa¨ngerzahlen fu¨r ein Informatikstudium an Fachschulen und
Universita¨ten ru¨ckla¨ufig oder verharren auf einem sehr niedrigen Niveau, so dass
der Bedarf an Informatikern in der Industrie nicht abgedeckt werden kann. Die
Gru¨ndehierfu¨rsindsehrvielfa¨ltig.Oftwirdangefu¨hrt,dassdasInformatikstudium
im Vergleich zu anderen Studienga¨ngen als sehr schwer eingestuft wird und dass
dasoftvermittelteKlischeeeinesInformatikersnichtsodernursehrwenigmitdem
tatsa¨chlichenBerufsfeldzutunhat.
Der Fachbereich Informatik an der TU Kaiserslautern hat in den letzten Jahren
unterschiedliche Initiativen mit Schulen, Lehrern und Schu¨lerinnen und Schu¨lern
gestartet, um das Image der Informatik zu verbessern und bessere Voraussetzun-
gen fu¨r das Informatikstudium zu schaffen. Eine dieser Initiativen, die vom Lehr-
stuhl Robotersysteme seit 2005 durchgefu¨hrt wird, versucht am Beispiel des An-
wendungsgebiets der Robotik Informatikinhalte zu vermitteln und Schu¨lerinnen
und Schu¨ler fu¨r ein Informatikstudium zu begeistern. Dazu wurden vor allem
LEGO(cid:2)RMINDSTORMS(cid:2)RNXT1.0-Robotereingesetzt,dievonSchu¨lerinnenund
Schu¨lern in unterschiedlichen Informatikkursen programmiert wurden. Durch den
modularenAufbauistdasLEGOMINDSTORMS-Systembesondersgeeignet,sehr
unterschiedliche Anwendungsbeispiele zu untersuchen. Auch fu¨r Einsteiger ohne
jegliche Programmierkenntnisse bietet das LEGO-System mit der grafischen Pro-
grammierumgebungNXT-GeinenschnellenZugangfu¨rdieImplementierungkom-
plexerMethoden.Zusa¨tzlichko¨nnendieLEGO-ModelleauchmitHilfeunterschied-
licherHochsprachenprogrammiertwerden.Damitko¨nnendiewichtigstenSchritte
vii
viii Vorwort
bei der Entwicklung komplexer Softwaresysteme vom Entwurf u¨ber Implementie-
rungskonzeptebishinzumTestendurchlaufenwerden.
Die seit 2005 durchgefu¨hrten Schu¨lerkurse und Wettbewerbe, die initial durch
das Programm Schnittstelle Schule“ vom Wissenschaftsministerium Rheinland-
”
Pfalz unterstu¨tzt wurden, haben dazu gefu¨hrt, das Angebot schrittweise zu verbes-
sern und zu erweitern, um mo¨glichst viele Aspekte der Informatik abdecken zu
ko¨nnen. Durch die enge Zusammenarbeit mit Informatiklehrern in den Schulen
wurde das Lehrangebot so aufbereitet, dass es auch im Informatikunterricht oder
in Informatik-AGs in den Schulen eingesetzt werden kann. Die Schu¨lerinnen und
Schu¨ler nahmen extrem motiviert an den Kursen teil. Vier von fu¨nf wu¨rden ger-
neeinenweiterenKursbelegen.DurchdieWahldesAnwendungsgebietesderRo-
botik konnte der Beitrag der Informatik von den Teilnehmern in der Praxis erlebt
werden. Insbesondere bei ju¨ngeren Kursteilnehmern hat sich das Versta¨ndnis, was
Informatik u¨berhaupt ist, nachhaltig verbessert. An dieser Stelle mo¨chten wir der
Robert-Bosch-Stiftung danken, die im Rahmen ihres NaT-Working“-Programms
”
den Aufbau und die Durchfu¨hrung der Kurse im besonderen Maße unterstu¨tzt hat
undfu¨rdieErstellungdesGeleitwortes.
AufgrundderpositivenResonanzentstanddieIdee,dieKursinhalteinFormei-
nesLehrbuchsfu¨reinSelbststudiumundfu¨rdenEinsatzanSchulenaufzubereiten.
DasBuchrichtetsichanSchu¨lerinnenundSchu¨lerabderMittelstufesowieanStu-
dierendeindenerstenSemestern.Fu¨rEinsteigerindieProgrammierungempfiehlt
sichzuna¨chstdiegrafischeProgrammierungmitLEGONXT-G,umsichmitKon-
trollmechanismen und -strukturen vertraut zu machen. Die in den letzten Kapiteln
eingefu¨hrteHochspracheJavaunddiePra¨sentationvonProgrammierbeispielenist
fu¨r Schu¨lerinnen und Schu¨ler der Oberstufe geeignet, die bereits u¨ber Informatik-
kenntnisse verfu¨gen. Neben den informationstechnischen Aspekten werden auch
Messverfahren spezieller Sensoren, Methoden fu¨r die Robotersteuerung und inter-
essanteAnwendungenbeschrieben.
Vor allem die im Buch beschriebenen Aufgaben und Experimente erforderten
sehr viel Arbeit, da diese zuna¨chst entworfen, der zugeho¨rige Roboter konstruiert,
das Programm implemeniert und in unterschiedlichen Szenarien getestet werden
mussten. An dieser Stelle mo¨chten wir daher den beiden Informatikstudenten Da-
nielEngelmannundSteffenHemerdanken,diemaßgeblichfu¨rdieUmsetzungder
praktischenAufgabenzusta¨ndigwarenundunterstu¨tzendbeiderErstellungderKa-
pitelmitwirkten.
Wir wu¨nschen allen Leserinnen und Lesern viel Spaß bei der Erfahrung der In-
formatikmitRoboteranwendungenundderLektu¨rediesesBuchs.
Kaiserslautern, KarstenBerns
Februar2010 DanielSchmidt
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung..................................................... 1
1.1 LEGOMINDSTORMSalsinformationsverarbeitendesSystem .... 2
1.2 LehrbeitragdesBuchs ...................................... 3
1.3 AufbaudesBuchs .......................................... 4
2 Robotik ....................................................... 5
2.1 Roboter................................................... 5
2.1.1 HistorischerUrsprungvonRobotern .................... 6
2.1.2 AnwendungenundKlassifikationvonRobotersystemen.... 7
2.1.3 Robotik–eininterdisziplina¨resForschungsgebiet ......... 10
2.1.4 ProgrammierungvonRobotern......................... 11
2.2 BeitragderInformatikfu¨rdieRobotik ......................... 12
3 GrundlagenderInformatik ..................................... 17
3.1 Programmentwicklung ...................................... 17
3.2 ModellierungundAbstraktion................................ 19
3.3 ElementederProgrammierung ............................... 21
3.3.1 Klassen ............................................ 21
3.3.2 Datenstrukturen ..................................... 22
3.3.3 MethodenundFunktionen............................. 25
3.3.4 Programme ......................................... 26
3.3.5 LogikundFunktionen ................................ 26
3.3.6 BedingteAnweisungenundVerzweigungen.............. 28
3.3.7 SchleifenundWiederholungen......................... 29
3.3.8 Beobachter ......................................... 31
3.4 ProgrammiersprachenundCompiler........................... 32
3.4.1 Compiler ........................................... 32
3.4.2 Interpreter .......................................... 34
3.5 AufbauundFunktionvonBetriebssystemen .................... 35
3.5.1 Prozesse............................................ 36
3.5.2 Betriebssysteme ..................................... 37
3.6 ComputerundElektronik.................................... 37
ix
x Inhaltsverzeichnis
4 DasLEGOMINDSTORMS-System.............................. 41
4.1 Microcontroller ............................................ 42
4.1.1 Sensor/Aktuator-Schnittstelle .......................... 43
4.1.2 VorgefertigteProgramme.............................. 44
4.2 Aktuatorik ................................................ 45
4.2.1 Elektromotor........................................ 45
4.2.2 Getriebe............................................ 48
4.3 Sensorik .................................................. 49
4.3.1 Tastsensor .......................................... 50
4.3.2 Ultraschallsensor .................................... 51
4.3.3 Lichtsensor ......................................... 53
4.3.4 Farbsensor.......................................... 54
4.3.5 Gera¨uschsensor...................................... 55
4.3.6 Beschleunigungssensor ............................... 56
4.3.7 Kompass-Sensor..................................... 57
4.3.8 Kreiselsensor........................................ 58
4.3.9 RFID-Sensor........................................ 59
4.3.10 WeitereSensoren .................................... 60
4.3.11 Sensorauswertung.................................... 61
5 EntwicklungvonLEGO-NXT-Programmen....................... 63
5.1 GrafischeProgrammierungmitNXT-G ........................ 63
5.1.1 DieProgrammierumgebung ........................... 64
5.1.2 KompilierenundStarten .............................. 65
5.1.3 BearbeitendesProgramms ............................ 65
5.1.4 SequentielleundparalleleProgramme................... 66
5.1.5 DatenleitungenundVariablen.......................... 66
5.1.6 HilfefunktionundDokumentation ...................... 68
5.2 ElementederProgrammierunginNXT-G ...................... 68
5.2.1 AllgemeinePalette................................... 69
5.2.2 Aktion ............................................. 69
5.2.3 Sensor ............................................. 70
5.2.4 Ablauf ............................................. 72
5.2.5 Daten .............................................. 73
5.2.6 GroßerFunktionsumfang.............................. 74
5.2.7 EigeneBlo¨cke....................................... 75
5.3 Anwendungsbeispiel IntelligenterRoboter“.................... 76
”
5.3.1 DerRoboterlerntfahren .............................. 77
5.3.2 Hindernissenausweichen ............................. 81
5.3.3 Linienfolgen ........................................ 86
5.4 ProgrammieraufgabenmitNXT-G ............................ 90
5.4.1 Linienfolgen,HindernisausweichenundderganzeRest .... 90
5.4.2 DerWachroboter .................................... 91