Анализ робототехнических комплексов

1 августа 2020

Читать Обучение основам робототехники в российской школе

На сегодняшний день в школах применяются следующие робототехнические комплексы:

  • Lego Mindstorms;
  • Конструктор Fischertechnik;
  • Arduino.

Конструкторы Lego Mindstorms - это конструкторский набор программируемой робототехники, который дает возможность создавать и управлять собственными роботами LEGO.

Этот набор, несомненно, вызовет интерес у учащихся, вдохновит их на совместное обсуждение реальных задач и поиск творческого решения, которые затем можно будет воплотить в жизнь, построив и протестировав робота, используя набор моторов, датчиков и строительных элементов LEGO. Использование конструктора при изучении информатики, физики, математики, технологии делает процесс обучения увлекательным, наглядным, повышает мотивацию к решению сложных задач.

Возможности робота LEGO Mindstorms Education:

  • Различает 7 основных цветов, реагирует на освещенность помещения;
  • "Видит" на расстоянии до 2,5 м, точность составляет до 1 мм, "слышит" волны ультразвукового типа;
  • Еще быстрее "соображает" и реагирует на перемены в программах из-за мощного микрокомпьютера (300 MHz против 48 MHz у моделей поколения NXT!) и увеличенных объемов оперативной памяти;
  • "Общается" с компьютером и иными роботами по Bluetooth и Wi-Fi;
  • Интеграция с устройствами мобильного типа систем Android и iOS;
  • Поддержка карт памяти формата microSD, объем которых до 32 Гб.

Конструктор Fischertechnik. Данный конструктор является развивающим. Он подходит как для детей, так и для подростков и студентов. Первое, на что стоит обратить внимание – это уникальная система соединения деталей. Основные детали сделаны таким образом, чтобы их можно было крепить со всех шести граней. Работа с конструктором FISCHERTECHNIK весьма приближена к реальному процессу разработки. Так, переключатель (кнопка) имеет три контакта, что позволяет использовать нормально разомкнутые и нормально замкнутые контакты.

Платформа FISCHERTECHNIK включает визуальную среду программирования ROBO Pro. Среда графическая и выполнена согласно правилам составления блок-схем. С одной точки зрения, это дает возможность программирования роботов тем, кто еще не знает языков программирования, с иной — приучает правильно оформлять и составлять блок-схемы, что будет полезным навыком при дальнейшем изучении программирования.

Если при реализации программы по образовательной робототехнике мы хотим обучить школьников созданию умных вещей, то наиболее подходящей платформой для этого является Arduino.

Аппаратная часть Arduino является набором печатных плат, которые продаются и официальным изготовителем, так и сторонними изготовителями. Полностью открытая системная архитектура дает возможность свободного копирования или дополнения линейки продукции Arduino. Программная часть Arduino состоит из открытой программной оболочки (IDE) для разработки программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Имея базовые знания по основам программирования в среде Turbo Pascal можно обеспечить оптимальный переход на изучения языков высокого уровня.

Польза от применения Arduino в обучении обусловлена следующими факторами.

  • Экономическая доступность представляет несколько моделей:
  • Простота освоения среды разработки — это интуитивно понятный интерфейс, который позволяет в кратчайшие сроки освоить среду разработки.
  • Платформа Arduino поддерживает очень большой диапазон периферийных устройств.
  • Использование в разработке программного обеспечения языка программирования на основе C++, языка высокого уровня.
  • Технологичность процесса разработки устройств, а именно наличие последовательного выполнения инструкций.
  • Большой выбор дополнительной литературы и электронных ресурсов.

Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Nano, Arduino Mini.

При рассмотрении оригинальных плат Arduino можно столкнуться с такой проблемой, как выбор нужной, ведь выбор моделей довольно велик.

Главными отличиями между ними являются применяемый микроконтроллер, а следовательно, функциональность, внешние интерфейсы, а также физические размеры и объем памяти. Приоритетные критерии выбора платы для этого проекта это:

  • Доступность
  • Наличие usb-порта
  • Размер

В рамках сравнения разных моделей Arduino была выбрана плата Arduino Uno, потому что она обладает рядом плюсов, в отличие от других плат. К ним относятся: наличие встроенного USB-кабеля, плата достаточного малого размера, имеет приемлемую цену и при этом обладает таким же функционалом, что и иные платы такой же ценовой категории, однако больших размеров.

Рассмотрим общую характеристику контроллера. Arduino Uno выполнен на микроконтроллере ATmega328. У него:

  • 14 цифровых портов входа-выхода (6 из них поддерживают режим ШИМ модуляции);
  • 6 аналоговых входов;
  • частота тактирования 16 МГц;
  • USB порт;
  • разъем питания;
  • разъем внутрисхемного программирования;
  • кнопка сброса.

У выбранной платы присутствуют все компоненты, требуемые для обеспечения функционирования микроконтроллера. Требуется подключение USB кабеля к компьютеру и подача питания.

Контроллер программируется из интегрированной среды программного обеспечения Arduino (IDE). Программирование осуществляется под управлением резидентного загрузчика по протоколу STK500. При этом аппаратный программатор не требуется.

Arduino Uno, в отличие от предыдущих версий, не использует для подключения к компьютеру мост USB-UART FTDI. Эту функцию в нем выполняет микроконтроллер ATmega328P.

У микроконтроллера есть три типа памяти:

  • 32 кБ флэш (FLASH);
  • 2 кБ оперативной памяти (SRAM);
  • 1 кБ энергонезависимой памяти (EEPROM).

На плате присутствует 14 цифровых выводов. Каждый из них может быть использован в качестве выхода или входа. Уровень напряжения на выводах 5 В. Рекомендовано вытекающий и втекающий ток каждого вывода ограничивать на уровне 20мА. Предельно допустимое значение этого параметра составляет 40 мА. Каждый вывод имеет внутренний подтягивающий резистор сопротивлением 20-50 кОм. Резистор может быть отключен программно.

Рисунок 8 — Плата Arduino UNO