Техническое творчество дополнительного образования в школьные предметы.

«Научно-техническая работа

по созданию методики конструирования и программирования технического изделия, прототипа беспилотного транспорта на базе конструкторского набора LEGO Mindstorms NXT 9797»

В. В. Павленко, педагог дополнительного образования Муниципального бюджетного учреждения дополнительного образования «Дворец детского (юношеского) творчества» город Лысьва Пермского края.

Г. Лысьва, Пермский край. E-mail: pawlenko.valerij@yandex.ru

В статье описан опыт работы в дополнительном образовании ученика и педагога по созданию научно-технических работ, которые впоследствии возможно применять в образовательном процессе как методику по созданию прототипов беспилотного транспорта. Вся работа отражается кратко на электронных плакатах. Это позволяет использовать методики для обучения учеников и на внешкольных занятиях в школе и различных предметах как «Технологии», «Информатика», «Физика».

Ключевые слова: техническое изделие, программирование, беспилотный транспорт, методики конструирования и программирования, разработчик, школы, дополнительное образование.

В школах и учреждениях дополнительного образования работу с указанным конструкторским набором по робототехнике можно разделить на шесть крупных модулей (направлений).

1. Робот (далее-изделие) собран с двумя сервомоторами для запрограммированного перемещения и четырьмя различными датчиками, имеющимися в наборе. Это максимальное подключение датчиков по количеству портов на микроконтроллере.

2. Изделие собрано с тремя сервомоторами. Два сервомотора (В и С) как правило рассчитаны на перемещение по полигону, а третий сервомотор устанавливается для конструирования и программирования манипуляторов различной сложности, а также для установки подвижных датчиков предназначенных для измерения различных параметров окружающей среды.

3. Изделие собирается с сервомоторами не более трех. Датчики могут быть установлены как из указанного набора, так и датчики серии Vernier. Изделие помимо исполнительного механизма можно превратить в лабораторию по исследованию окружающей среды.

4. Изделие с сервомоторами не более трех, и с любыми датчиками, которые возможно подключить к микроконтроллеру, после проведения экспериментов можно подключить к компьютеру для просмотра полученных данных в виде электронных таблиц и различных настраиваемых графиков.

5. Изделием любой сложности можно управлять не только в соответствии с программой скачанной на микроконтроллер, но и с другого микроконтроллера такой же марки по каналу Bluetooth, а также с различных типов смартфонов учеников и планщетов.

6. Изделие различной сложности можно программировать, используя различные операторы, логику, математику, сравнение, случайное значение, переменные, действия, константы. Эти атрибуты частично применяются в предыдущих модулях.

Возьмем для рассмотрения конкретный проект,

выполненный в соответствии с первым модулем из шести перечисленных выше.

Фото 1. Реальная сборка робототехнического изделия.

На первом фото изображено техническое изделие, которое практически является прототипом беспилотного транспорта на базе микроконтроллера, двух сервомоторов, четырех датчиков.

Все начинается с виртуальной сборки технического изделия (фото 2) в приложении LEGO Digital Designer и создания программного продукта (фото 3), как в классе образовательного учреждения, так и в домашних условиях, что весьма актуально для творческой работы во время каникул и карантина.

После выполнения двух пунктов ученик приступает к реальной сборке модели технического изделия (фото 1). Предшествующие этапы по конструированию и программированию этого изделия представлены ниже.

Фото 2. Виртуальная сборка робототехнического изделия.

На втором фото представлена виртуальная сборка робототехнического изделия ученика 5 класса школы № 6 города Лысьвы Пермского края, Волегова Никиты, с которой и началась вся его практическая работа. Скриншот взят с рабочего стола компьютера, на котором обучаемый при помощи приложения LDD собрал свое изделие из виртуальных деталей конструктора LEGO Mindstorms NXT 9797, которое позже было собрано из реальных деталей этого набора.

Фото разработчика виртуальной, реальной конструкции и программы Никиты Волегова, ученика 5 класса, школы № 6 г. Лысьвы Пермского края.

Фото 3. Программа робототехнического изделия.

Ученик, работая над своей программой применял приложение LEGO MINDSTORMS Education (фото 3). Практически все атрибуты и блоки для программирования он брал с первого основного модуля вертикальной палитры приложения. В первую очередь он переместил на рабочее поле блок «Цикл» с последующим перемещением в него четыре раза блока «Переключатель». Каждый блок настраивался под соответствующий датчик: датчик освещенности, ультразвуковой датчик, датчик звука, датчик касания. В полученные поля каждого датчика размещались соответственно блоки движения, моторы. Все это будет представлено в графическом виде ниже по каждому датчику в отдельности. На всех скриншотах будут видны панели настроек датчиков, сервомоторов.

Фото 4. Настройка датчика освещенности.

Внутрь оранжевого контура «Цикл» перетаскиваем блок «Переключатель» с основного модуля, зеленый диск, вертикальной палитры, размещенной в левой части приложения. Выделяем блок касанием курсора. В левой нижней части приложения устанавливаем нужный датчик, в данном случае это датчик освещенности. Устанавливаем в программе номер порта в соответствии с номером, к которому подключен датчик освещенности на микроконтроллере. Устанавливаем математический знак «>» или «<» для определения в процентах отраженного света от поля. Светодиод датчика освещенности освещает поверхность светлого поля, на котором размещена темная траектория из краски или изоленты. Отраженный свет от темной или светлой поверхности отражается на фототранзистор датчика освещенности. В программе указано что микроконтроллер настроен на отраженный свет больше 50 процентов.

Фото 5. Настройка двигателей при работе с датчиком освещенности.

Сервомоторы включаются и отключаются в соответствии с поступившим отраженным светом от светлого и темного участка полигона на фототранзистор датчика освещенности и программы, загруженной в микроконтроллер с компьютера. Техническое изделие может до бесконечности перемещаться по замкнутой сложной темной траектории на светлом поле если не произойдет срабатывание другого датчика по определенным причинам, или будет отключено электропитание изделия. Порты подключения двигателей в программе должны соответствовать реальным портам микроконтроллера, к которым подключены реальные моторы.

Фото 6. Настройка ультразвукового датчика технического изделия.

Установка ультразвукового датчика проводится как установка датчика освещенности.

Ультразвуковой датчик излучает своим передатчиком сигнал, который отражается от препятствия и принимается приемником датчика. Расстояние до препятствия и порт подключения определяет разработчик в программе.

Фото 7. Настройка блока движения.

Блок движения на схеме тот же, что и в замкнутых циклах всех представленных в программе четырех датчиков. Разработчик на практике устанавливает различные градусы для разворота, в том числе по часовой стрелке или против. Встретив препятствие изделие может развернуться и продолжить движение назад, либо остановиться до момента исчезновения препятствия и продолжить движение без изменения направления. Ультразвуковой датчик, как и все представленные датчики в данной работе, в принципе принимает участие в работе модели беспилотного транспорта.

Фото 8. Настройка датчика звука технического изделия.

Техническое изделие во время движения может определить различные звуки специализированным датчиком. Если датчик определил звук, то это сообщается в микроконтроллер изделия, который дает команды на выполнение действий двигателями в соответствии с программой, скачанной с компьютера. Изделие выполняет все действия, которые предусмотрены программой. Это может быть остановка изделия на некоторое время с последующим продолжением движения в том же направлении, изменение направления движения.

Фото 9. Работа блока движения с датчиком звука.

Блок движения при работе с датчиком звука может повторять все то что выполнялось с другими датчиками. Возможно в каждом блоке, с любым датчиком, что сервомоторы будут замедлять либо ускорять движение. Что весьма свойственно моделям беспилотного транспорта.

Фото 10. Настройка датчика касания в прототипе беспилотного транспорта.

Датчик касания в данной программе выполняет функции простого выключателя изделия, т. е. нажав на датчик касания мы не просто выключаем двигатели на время, мы прекращаем все запрограммированные процедуры, по датчикам, которые размещены в оранжевом блоке «Цикл». Блок движения настраивается просто на нулевую мощность с последующим подсоединением блока «STOP». При столкновении транспортных моделей данного образца можно моделировать срочное торможение и полное отключение всех агрегатов и датчиков беспилотного транспорта в целях безопасности.

В данном модуле представленную программу можно корректировать многократно при смене вариантов применения датчиков.

Например, для перемещения технического изделия по сложной траектории в конструкцию можно включить два датчика освещенности, что позволит роботу более качественно и быстрее пройти заданный участок траектории на соревнованиях, можно установить два ультразвуковых датчика расстояния для прохождения сложного лабиринта, или два датчика касания. Подобные модели можно практически применять на различных исследовательских творческих олимпиадах, различных соревнованиях по «Траектория», «Сумо» и «Кегельринг», а также, при создании моделей беспилотного транспорта.

Методику данной работы можно применять на школьных предметах «Технология», «Информатика», «Физика» и в различных технических кружках дополнительного образования.

Данная многовариантная работа ученика отражена в различных видеоклипах видеоканала https://www.youtube.com/user/valerijpavlenko/videos коллектива «Робототехника» и странице «Техническое творчество детей и взрослых» в «ВК»

https://vk.com/public181557986?w=wall-181557986_511