LEGO Mindstorms EV3 tutvustus

1. Ajaloost tänapäevani

LEGO alguseks võib pidada 1932. aastat, mil Ole Kirk Christiansen (puusepp Billundist Taanis) alustas puidust mänguasjade valmistamisega. Ametlikult hakkas firma end LEGOks nimetama aastal 1934. Alates 1940. aastast sai hoo sisse plastikust mänguasjade valmistamine. Kuulus iselukustuva süsteemiga (ingl. k. Automatic Binding Bricks) legoklotsi eelkäija tuli kasutusele juba 1949. aastast. 1958. aastal sai eelmine, väikeste puudustega, klots täiendust ning 28. jaanuaril 1958 patendeeriti ka ametlikult tänapäevalgi tuntud legoklots.

Joonis 1. Esimesed LEGO klotsid

Alates plastikklotside tootmisega alustamisest on firma tormiliselt arenenud ning saavutanud suure populaarsuse kogu maailmas. Praeguseks on võimalik LEGO klotsidest ehitada pea ükskõik mida: erinevaid sõidukeid, lennujaamu, linnu, kosmose ja mereeluga seonduvat, temaatilisi komplekte (Harry Potter, Indiana Jones), dinosauruseid jmt.

LEGO Mindstorms, kui õppekomplekt, sai alguse 1998. aastast, kui seda hakati turustama RIS'i (ingl. k. Robotics Invention System) nime all. Tolleaegne LEGO Mindstorms RIS komplekt koosnes üle 700 erinevast legotükist, kahest mootorist, kahest puutesensorist ja ühest valgussensorist.

Joonis 2. RIS robot (kokkupanduna vasakul) ja selle aju (paremal).

Roboti ajuna oli kasutuses RCX (ingl. Robotic Command eXplorer) juhtplokk, mis suutis oma mälusse salvestada nii püsivara kui väiksemaid kasutaja enda loodud programme. Programmide arvutist RCX ajusse laadimine toimus spetsiaalse infrapuna liidese kaudu. Kasutajaga suhtles RCX väikse LCD ekraani abil, millelt võis saada infot nii töötavate programmide kui ka erinevate aju seadmete seisundite kohta (sisend/väljundpordid, patarei tase ja muu info). Järgmise generatsioonina tuli 2006. aastal välja juba LEGO Mindstorms NXT (ehk NEXT) komplekt, mis sisaldab endas 519 tehnilist osa, 3 mootorit, 4 andurit (heliandur, puuteandur, valgusandur ning kaugusandur (sonar)), 7 kaablit andurite ja mootorite ühendamiseks, USB kaabel ja NXT aju ehk juhtblokk. Lisaks on komplektis ka graafiline programmeerimisliides NXT-G (nimetatakse ka EDU NXT), mis võimaldab lihtsasti programme luua ning neid kiirelt NXT ajusse laadida.

Joonis 3. LEGO Mindstorms NXT komplekt koos lisavarustusega.

Kuna LEGO Mindstorms NXT on laialdaste kasutusvõimalustega ning mõeldud vanusegrupile alates 8. eluaastast, on see edukalt levinud nii üldharidus- kui kõrgkoolides. Pidevalt toimub ka toote edasiarendus ning 2009. aasta jaanuaris teatas LEGO kontsern juba peagi müüki jõudvast uuest Mindstorms NXT 2.0 komplektist, milles on uus ja laialdaste võimalustega värvisensor ning palju muid huvitavaid edasiarendusi.

Jaanuariks 2013, Lego Mindstorms’i 15. sünnipäevaks töötati välja uus, kolmanda põlvkonna LEGO MINDSTORMS EV3, mis sai kasutajatele kättesaadavaks alates sama aasta septembrist. Viimane mudel töötab Linuxil. Tal on 300 MHz protsessor ja 64 MB RAM mälu + 16 MB välkmälu. Juhtimiskeskusel ehk ajul on USB port ja Micro SD pesa, samuti toetab ta WiFi ja Bluetooth ühendusi. Kasutajal on võimalik valida erinevate variantide vahel: LEGO Mindstorms EV3, LEGO MINDSTORMS Education EV3 põhi- ja lisakomplekt. Need variandid on mõnevõrra erinevalt komplekteeritud.

Joonis 4. LEGO EV3 juhtimiskeskus ehk aju.

2. LEGO Mindstorms komplekti kirjeldus

LEGO EV3 Education komplekt koosneb järgmistest osadest (541 tk):

• EV3 aju ehk juhtplokk,
• keskmine mootor,
• kaks suurt mootorit,
• andurid: kaks puuteandurit, valgusandur, güroandur ja ultraheliandur,
• kaablid ja USB juhe,
• hulganisti LEGO klotse.

Joonis 5. LEGO EV3 Education komplekt ja lisatarvikud.

Alljärgnevalt pöörame tähelepanu peamiselt LEGO EV3 Education komplektis olevatele osadele. Siiski käsitleme veidi ka teisi andureid nt Lego Mindstorms EV3 komplektis olevat Infrapuna andurit ja infrapunamajakat aga ka vanemast LEGO NXT komplektist tuttavat heliandurit.

2.1 LEGO EV3 aju

Juhtplokil ehk ajul on:

• kuus nuppu, seadeldise sisse/välja lülitamiseks ning menüüs ringiliikumiseks ja vajalike toimingute tegemiseks;
• 178x128 piksliga must-valge LCD ekraan, kus saab ka programmeerida;
• aju olekut näitav valgustus (roheline, oranz ja punane);
• heligeneraator;
• 4 sisendporti andurite jaoks (1,2,3,4);
• 4 väljundporti mootorite jaoks (A,B,C,D);
• USB port, millega saab kasutada USB mälupulka või WiFi adapterit;
• PC port arvutist programmide laadimiseks;
• Mini SD kaardi lugeja 32 GB lisamälu jaoks;
• sisaldab 16 MB välkmälu ja 64 MB RAM mälu.

Aju toetab USB, WiFi ja sinihamba (bluetooth) ühendusi, viimased kaks lubavad traadita ühendust nii arvuti, teise EV3 kui ka telefoniga. WiFi ühenduse jaoks on vaja lisaseadet (adapterit).

LEGO EV3 aju töötab seadeldise tagaküljel oleva korduvlaetava aku või patareidega (6 AA/LR6 patareid).

Joonis 6. LEGO EV3 aju.

2.2 LEGO EV3 aku

LEGO EV3 komplektis on aku, mille mahtuvus on 2050 mAh. Tühi aku laetakse täis kolme- nelja tunniga. Lisaks on võimalus kasutada kuut AA tüüpi patareid/akut. Patareide või originaalaku kasutamisel ei teki roboti töös märgatavat vahet. Akut laadides põlevad roheline ja punane tuli. Ainult roheline tuli põleb siis, kui aku on täis. Laadimise ajal võib robotit kasutada. Aku laadimiseks kasutatakse selleks ettenähtud laadijat. Sobivad ka LEGO NXT ja WeDo 2.0 laadimisjuhtmed.

Joonis 7. LEGO EV3 aku.

2.3 Ultraheliandur ehk sonar

Ultraheliandur on andur, mis võimaldab robotil piltlikult öeldes näha ja ära tunda objekte, vältida takistusi, mõõta kaugusi ning tuvastada liikumist. Alati ei saa kasutada puuteandurit ning sellisel juhul on mõistlik kasutada just ultraheliandurit. Viimane koosneb saatjast, vastuvõtjast ja andmete töötlemiseks mõeldud mikroprotsessorist.

Joonis 8. LEGO EV3 ultraheliandur.

Anduri tööpõhimõte on järgmine: saadetakse välja lühikesi 40kHz-seid signaale (ultrahelilaineid) ja oodatakse, millal signaal tagasi tuleb.

Joonis 9. Ultrahelianduri tööpõhimõte.

Ootamise ajal mõõdetakse aega, mis kulub helilainel objektini ja tagasi andurini jõudmiseks. Signaali saatmise ja vastuvõtmise ajavahe põhjal arvutatakse kui kaugel tuvastatud objekt asub. Mida kauem aega kulub, seda kaugemal objekt asub. Ultraheliandur suudab mõõta kaugust vahemikus 0 – 2,5 m, täpsusega +/- 3 cm. Andur annab täpsemaid tulemusi suuremate objektide (nt. sein) puhul. Andur muutub ebatäpseks, kui tema ees on näiteks mitu väiksemat, õhema või keerukama ehitusega objekti (nt. pall), mis hajutavad signaali.

2.4 Puuteandur

Joonis 10. LEGO EV3 puuteandur.

Puuteandur on kolme eri olekuga lüliti: vajutatud, lahtilastud ning lülitatud (vajutatud ja siis lahti lastud). Anduri otsas on ristpesa, kuhu on võimalik ühendada erinevaid LEGO klotse.

Joonis 11. LEGO EV3 puuteanduri kolm olekut.

Lihtsamates ülesannetes võib puuteandurit kasutada näiteks tuvastamaks, kas robot on vastu teatud objekti sõitnud või mitte. Samuti on levinud kasutusviisiks nupulülitusega robotile käskluste või edasise tegevuse andmine.

2.5 Valgusandur

Valgusanduris on valgusdiood, mida on võimalik tarkvaraliselt sisse ja välja lülitada. Valgusandur võimaldab mõõta pinnalt tagasipeegelduvat valgust, ümbritsevat valgusehulka ning teha vahet heledatel ja tumedatel värvitoonidel. Autonoomne valgustus võimaldab heleduste vahel vahet teha ka vähese valgusega ruumis.

Joonis 12. LEGO EV3 valgusandur

Joonis 13.LEGO EV3 valgusanduri arusaamine värvidest.

Valguse tugevust mõõdetakse protsentides skaalal 0 (valgust pole) – 100 (väga valge).

2.6 Güroandur

Güroandur on digitaalne andur, mis tuvastab pöörleva liikumise ühel teljel. Pöörates güroandurit tema peal olevate noolte suunas, tuvastab andur pöörlemisekiiruse kraadides sekundis.

Joonis 14. LEGO EV3 güroandur.

Güroandur mõõdab nurkasid täpsusega +/- 3 kraadi ning temaga saab ehitada isebalansseeruvaid roboteid. Güroanduri pööramisnurka saab näiteks kasutada ka tuvastamiseks, kui kaugele robot on pööranud.

2.7 Heliandur

Heliandur ei kuulu LEGO EV3 komplekti, ent edukalt saab kasutada LEGO NXT heliandurit. Heliandur on robotile kõrvadeks ja võimaldab mõõta helirõhku (helitugevust) detsibellides ning kasutab sagedusi, mis on lähedased inimese kuulmisele.

Joonis 15. LEGO NXT heliandur.

2.8 Infrapunaandur koos infrapunamajakaga

Infrapunaandur koos majakaga on LEGO EV3 komplektis, kuid ei kuulu LEGO EV3 Education komplekti. Infrapunamajakale on sisse ehitatud infrapunasaatja. Infrapunaandur suudab tuvastada signaale, mis on saadetud infrapunamajaka poolt. Anduril on 3 erinevat töörežiimi: lähedal oleva objekti kauguse määramine, majakarežiim ja kaugjuhtimisrežiim. Nendest kaks viimast töötavad koos infrapunamajakaga.

Joonis 16. LEGO EV3 infrapunaandur.

Joonis 17. LEGO EV3 infrapunamajakas.

2.9 Mootorid

Mootorid annavad robotile liikumisvõime. LEGO EV3 mootoritele on sisse ehitatud pöördeandur, mis annab mootoritele suure kasutustäpsuse. Tavaliselt on kõik alalisvoolumootorid väga suure pöörlemiskiirusega ja neid ei ole mõttekas ühendada otse rataste või muude seadmete külge, sellepärast on igal LEGO EV3 mootoril reduktor, mis võimaldab kiiruse vähendamist ja pöördemomendi suurendamist. Neid mootoreid on võimalik programselt seadistada pöörlema eri suundades, erineva kiirusega, erineva ajavahemiku jooksul, andes selleks ette pöörlemise aja, pöörete arvu või isegi pööratava kraadi. Samuti on võimalik kasutada mitut mootorit samaaegselt ning sünkroonselt.

Joonis 18. LEGO EV3 suur mootor.

Joonis 19. LEGO EV3 keskmine mootor.

Suur mootor töötab 60‐170 pööret minutis ja keskmine mootor 240‐250 pööret minutis. Sisselülitatud suure mootori pöördemoment pöörleval mootoril on 20Ncm ja seisval mootoril 40Ncm, keskmisel vastavalt 8 ja 12. Mõlemas mootoris on pöördeandur täpsusega 1 kraad.

2.10 Ühenduskaablid

Joonis 20. LEGO EV3 ühenduskaablid.

Ühenduskaablid on erineva pikkusega kaablid, mis on mõeldud sensorite ja mootorite ühendamiseks EV3 aju külge. Kaablite otsad on universaalsed, sobides kõikidele sensoritele ja mootoritele.

Joonis 21. LEGO EV3 kaablite ja mootorite ühendamine.

Mootorid ühendatakse kaablite abil A, B, C või D porti, anduritele on mõeldud pordid 1, 2, 3 ja 4.

2.11 LEGO klotsid

Lisaks eelmainitud osadele kuulub LEGO EV3 komplekti ka hulgaliselt erinevaid LEGO klotse, millega on võimalik vastavalt fantaasiale robotile erinevaid kujusid anda.

Kasutatud materjalid
1. Rinken, P. (2015). LEGO Mindstorms EV3 roboti kasutamine infrapunamajakaga. Bakalaureusetöö, TÜ arvutiteaduse intituut.
2. LEGO Mindstorm EV3 kasutusjuhendid ja programmi abimaterjal.
3. Pildid: https://shop.LEGO.com.