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Daniele Benedettelli
Übersetzung: G&U Language & Publishing Services GmbH, www.gundu.com
Satz: G&U Language & Publishing Services GmbH, www.gundu.com
Copy-Editing: Ursula Zimpfer
Lektorat: Dr. Michael Barabas
Herstellung: Frank Heidt
Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de
Druck und Bindung: M. P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
ISBN:
Buch 978-3-86490-152-2
PDF 978-3-86491-472-0
ePub 978-3-86491-473-7
Deutsche Ausgabe der amerikanischen Auflage 2014
Translation copyright für die deutschsprachige Ausgabe © 2014 dpunkt.verlag GmbH
Wieblinger Weg 17
69123 Heidelberg
Copyright der amerikanischen Originalausgabe © 2014 by Daniele Benedettelli
Title of American original: The LEGO® MINDSTORMS® EV3 Laboratory
No Starch Press, Inc., San Francisco • www.nostarch.com
ISBN 978-1-59327-533-4
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Im Andenken an Nari
Daniele Benedettelli ist ein italienischer Robotiker, der weltweit für seine Lego-Mindstorms-Kreationen wie Lego Rubik Utopia (2007), Cyclops (2011) und Legonardo (2013) bekannt ist. Er lässt sich lieber Danny nennen, vor allem, um nicht mit einem Mädchen namens Danielle verwechselt zu werden. (In Bahrain wurde ihm einmal eine Plakette für »die Vermittlung ihrer Erfahrungen und Kenntnisse in der Robotik« überreicht.)
1992 schied sein Modell »Kater Tom« im Lego-Wettbewerb eines Spielwarenladens seiner Heimatstadt schon frühzeitig aus, aber er gab trotzdem nicht auf. Er spielte mit Begeisterung weiter, bis er in die »dunkle Lego-Phase« eintrat – die Zeit im Leben eines erwachsenen Lego-Fans, in der die Interessen der Realität (in seinem Fall Mädchen) die Leidenschaft für die Plastikbausteine verdrängten. Zumindest bis 2001, als er auf Lego Mindstorms RCX stieß.
Seit 2006 arbeitet Benedettelli als MCP (Mindstorms Community Partner) mit der Lego-Gruppe zusammen, um Lego-Mindstorms-Produkte zu testen und zu entwickeln. 2012 wurde er als externer Programmierer für Lego Education angeworben. Unter zwölf Fachleuten wurde er ausgewählt, um Lego Mindstorms EV3 zu testen. Er konstruierte die EL3CTRIC GUITAR, eines der Bonusmodelle für die im Einzelhandel erhältliche Version 31313.
2012 gelang es ihm mit der Hilfe des openPICUS-Teams, den NXT2WIFI über Spenden zu finanzieren und auf den Markt zu bringen. Dabei handelt es sich um einen WLAN-Adapter für den NXT, mit dem es möglich ist, Roboter über jedes browserfähige Gerät (Computer, Android-Smartphones, iPhones und iPads) zu steuern und Gruppen von vernetzten Robotern aufzubauen.
Zurzeit arbeitet er als Lehrer für Elektronische Systeme an einer High School und als freiberuflicher Lego-Designer für das Franchise-Unternehmen Bricks4Kidz. Er hat an vielen Lego-Veranstaltungen teilgenommen und wurde auch als Hauptredner und Workshop-Moderator zu Konferenzen in aller Welt eingeladen, die sich mit der Bildung im Bereich Informations- und Kommunikationstechniken beschäftigen. Sein YouTube-Kanal wird millionenfach aufgerufen, und seine Kreationen wurden überall auf der Welt in vielen Fernsehsendungen vorgestellt. Manchmal spielt Benedettelli auch Klavier und komponiert (vor allem die Begleitmusik zu seinen Videos). Er bastelt Origamifiguren und zeichnet Comics, wobei sich Letzteres bei diesem Buch als äußerst nützlich erwies. Darüber hinaus hat er bereits zwei Bücher verfasst: Creating Cool LEGO MINDSTORMS NXT Robots (Apress, 2008) und LEGO MINDSTORMS NXT Thinking Robots (No Starch Press, 2009). Mehr über ihn kannst du über folgende Links erfahren (in englischer Sprache):
http://robotics.benedettelli.com/
http://music.benedettelli.com/
http://www.facebook.com/robotics.benedettelli/
http://twitter.com/DBenedettelli
Claude Baumann hat 15 Jahre lang Lego-Mindstorms-Robotik für Fortgeschrittene als Nachmittagsbetreuung unterrichtet. Er war am Betatest der am Center for Engineering and Outreach (CEEO) der Tufts University (http://ceeo.tufts.edu/) entwickelten ROBOLAB-Software beteiligt und hat ULTIMATE ROBOLAB erfunden, eine compilerübergreifende Umgebung, die die grafische Programmierung der Lego-RCX-Firmware ermöglichte. Damit hat er das weltweit einzige selbst reproduzierende Programm für Lego RCX entwickelt (manche nennen es auch einen Virus). Außerdem hat Claude auch als einer der Entwickler im NXT-Module-Team des CEEO mitgearbeitet. Vor Kurzem war er als MCP (Mindstorms Community Partner) an der Entwicklung des neuen intelligenten EV3-Steins beteiligt. Er war Gutachter für viele Robotikprojekte an High Schools und ist Autor von Eureka! Problem Solving with LEGO Robotics (NTS Press, 2013) sowie von mehreren Artikeln und Präsentationen auf Konferenzen. Außerdem ist er Leiter eines Verbundes mehrerer Internate in Luxemburg. Er ist verheiratet und hat drei Kinder und drei Enkelkinder.
Ich hatte ganz vergessen, wie schwer es ist, ein Lego-Mindstorms-Buch zu schreiben – und jetzt obendrein noch eines mit einem Comic! Es gibt viele Menschen, denen ich dafür danken muss, dass sie dieses Projekt möglich gemacht haben. Als Erstes danke ich meiner Familie für ihre Unterstützung und Geduld während dieser Zeit: meinen in Sachen Lego völlig unerfahrenen Eltern, die die Bauanleitungen für die Roboter ausprobiert und mir dabei geholfen haben, sie glasklar zu gestalten; meinem Bruder, der mir ständig in den Ohren lag, mir doch einen vernünftigen Job zu suchen; meinen Großeltern, die entsetzt darüber waren, zu was sich Spielzeug entwickelt hat (vor allem meine Großmutter, die sich wie ein Ninja-Krieger von hinten an meinen Lego-Arbeitstisch heranschlich und mir zuflüsterte: »Was machst du da? Ist das Arbeit?«, wodurch meine Haare einen kleinen Tick grauer geworden sind). Nicht zu vergessen auch der unermüdlich liebenswürdige Haushund, der meinen Fußboden mit Fell und Sabber übersät und meine Lego-Roboter angebellt hat, als wären es Lebewesen.
Danke an das Team von No Starch Press, vor allem an Bill für den Glauben an dieses Projekt, für seine Kritiken und Vorschläge, und an Riley für ihre unermüdliche und freundliche Unterstützung.
Ein großes Dankeschön geht an Claude Baumann, einen renommierten Schulleiter, Lehrer und Autor, der die fachlichen Aspekte dieses Buches pünktlich und akribisch durchgesehen hat. Danke auch an die Gruppe twelve monkeys, deren stolzes Mitglied ich bin, für ihre Freundschaft und Anregung. Des Weiteren danke ich John Hansen für sein frühzeitig entwickeltes EV3-Screenshotprogramm und dem Team von Lego Mindstorms, vor allem Lee (dafür, dass ich als Programmierer für Lego Education arbeiten darf), Steven (für die Zustimmung zu meinen Projekten) sowie Camilla, Flemming B., Henrik, Jesper, Lars Joe, Linda, Marie, Oliver, Pelle und Peter.
Ein riesiges Dankeschön geht an alle Mitglieder der LDraw-Community, die Werkzeuge entwickelt haben, um qualitativ hochwertige Bauanleitungen zu erstellen, die aussehen wie von Lego selbst! Besonderer Dank gilt dabei dem Baumeister und Buchautor Philippe Hurbain (Philo), einem Könner in der 3D-Modellierung von Lego-Elementen, und Kevin Clague, dem Entwickler von LPUB4.
Danken möchte ich meinem lieben Freund, dem Fotografen Francesco Rossi (http://fr-ph.com/), für das großartige Foto auf dem Umschlag dieses Buches. Er hat mich schon mit verrückten und wunderbaren Fotos meiner Spitzenmodelle wie Cyclops und Legonardo unterstützt. Die Mädchen wollen immer nicht glauben, dass ich derjenige auf den Fotos bin, und wollen ihn sofort kennenlernen! Wirklich wahr!
Danke an Marco und Susanna, die mir geholfen haben, meine ersten Skizzen in eine komplette Bildergeschichte umzusetzen, und an Nicola für seine Hilfe in letzter Minute. Besonderer Dank auch an Cristiano für die Durchsicht der deutschen Fassung des Comic-Abenteuers.
Und zum Schluss geht mein Dank noch an den nichtsahnenden Eddie für die Inspiration zu Dexter. Für die anderen Gestalten in diesem Comic gilt wie üblich: Jegliche Ähnlichkeit mit lebenden oder verstorbenen Personen ist rein zufällig. Bei der Herstellung dieses Buches wurden keine Azubis verletzt.
Arte Invisibile oder »unsichtbare Kunst« (http://www.arteinvisibile.com/, http://www.facebook.com/AssociazioneArteInvisibile/) wurde 2007 gegründet und ist ein nicht kommerzieller Verband junger Künstler in der Toskana. Er hat über 100 Mitglieder.
Arte Invisibile organisiert Kurse für Comicgestaltung, Illustration, digitale Kunst, Drehbuchschreiben und Animation. Das Ziel besteht darin, junge Menschen die Kunst und damit verwandte Berufen näherzubringen. Im Laufe der Jahre hat der Verband verschiedene Publikationen herausgegeben sowie Ausstellungen und Workshops mit weltberühmten Künstlern organisiert. Außerdem unterhält er eine gut ausgestattete Comicbibliothek mit vielen seltenen Comicbüchern.
Einleitung
Der Praktikant des EV3L-Forschers
Kapitel 1 Das Lego-Mindstorms-EV3-Set
Kapitel 2 Den ROV3R bauen
Kapitel 3 Programmierung
Kapitel 4 On-Brick-Programmierung für Fortgeschrittene
Kapitel 5 EV3-Programmierung
Kapitel 6 Experimente mit den Infrarotbauteilen des EV3-Sets
Kapitel 7 Keine Magie – nur Mathematik!
Kapitel 8 Lego-Rezepte
Kapitel 9 Die WATCHGOOZ3 bauen
Kapitel 10 Die WATCHGOOZ3 programmieren
Kapitel 11 Das SUP3RCAR bauen
Kapitel 12 Das SUP3RCAR programmieren
Kapitel 13 Den SENTIN3L bauen
Kapitel 14 Den SENTIN3L programmieren
Kapitel 15 Den T-R3X bauen
Kapitel 16 Den T-R3X programmieren
Anhang A Inhalt des EV3-Sets 31313
Anhang B Unterschiede zwischen der Education- und der normalen Einzelhandelsausgabe von EV3
Index
Einleitung
Spielen ohne Computer
Für wen ist dieses Buch gedacht?
Was du neben diesem Buch noch brauchst
Die EV3-Software
Der Aufbau dieses Buches
Die Begleitwebsite
Und los geht’s!
Der Praktikant des EV3L-Forschers
1
Das Lego-Mindstorms-EV3-Set
Bauen ohne Noppen
Bauen mit und ohne Noppen: konstruktive Unterschiede
Die Bezeichnungen der Teile
Balken
Verbinder
Kreuze und Löcher
Räder, Reifen und Raupenketten
Dekorative Elemente
Sonderteile
Elektronische Bauteile
Die Unterschiede zwischen der Education- und der Einzelhandelsversion von EV3
Zusammenfassung
2
Den ROV3R bauen
Das Grundmodul
ROV3R mit Rädern
Stoßstange mit Berührungssensor
ROV3R mit Stoßstange und Berührungssensor
Spurfolgemodul
ROV3R mit Spurfolgemodul
Vorderer IR-Sensor
ROV3R mit vorderem IR-Sensor
Wandfolgemodul
ROV3R mit Wandfolgemodul
Alternative: ROV3R mit Wand- und Spurfolgemodul
Fußbodenreiniger
ROV3R mit Fußbodenreiniger
Alternative 1: ROV3R mit Fußbodenreiniger und Berührungssensor-Stoßstange
Alternative 2: ROV3R mit Wandfolgemodul und Fußbodenreiniger
ROV3R mit Raupenketten
Geheimprojekt: Greifermodul
Zusammenfassung
3
Programmierung
Die Grundbausteine von Programmen
Reihen
Verzweigungen
Schleifen
On-Brick- Programmierung
Dein erstes Stein-Programm
Schnelleinführung in die On-Brick-Programmierung
Die Blockpalette
Aktionsblöcke
Warteblöcke
Experiment 3-1
Der Schleifenblock
Experiment 3-2
Zusammenfassung
4
On-Brick-Programmierung für Fortgeschrittene
ROV3R mit Berührungs-sensor-Stoßstange
Experiment 4-1
So fährt der ROV3R geometrische Pfade ab
So folgt der ROV3R vorgezeichneten Linien
Das Spurfolgeprogramm erstellen
Fließendere Bewegungen
Experiment 4-2
So fährt der ROV3R immer an der Wand entlang
Fließendere Bewegungen
Experiment 4-3
Zusammenfassung
5
EV3-Programmierung
Die EV3-Software einrichten
Überblick über die EV3-Software
Die Lobby
Die Programmieroberfläche
Programme kompilieren
Die Hardwareseite
Das Werkzeugmenü
Die Programmierpaletten
Projekteigenschaften
Den EV3-Stein an den Computer anschließen
Ein Stein-Programm importieren
Das importierte Stein-Programm untersuchen
Das importierte Stein-Programm bearbeiten
Blöcke loswerden
Hintergrundwissen: Den Parameter »Gradanzahl« zur genauen Bestimmung der Fahrtstrecke berechnen
Mehr Genauigkeit!
Experimente mit Aktionsblöcken
Hintergrundwissen: Den Parameter »Gradanzahl« zum genaueren Lenken berechnen
Experiment 5-1
Den Programmablauf steuern
Der Schalterblock
Experiment 5-2
Zusammenfassung
6
Experimente mit den Infrarotbauteilen des EV3-Sets
Die IR-Fernsteuerung
Die IR-Fernsteuerung als Fernbedienung verwenden
Sensorblöcke und Datenleitungen verwenden
Datenleitungen entwirren
Experiment 6-1
Fehlersuche mit der EV3-Software
Datenanzeige mit dem Textblock
Was sind Datentypen?
Hintergrundwissen: Dezimalzahlen
Datentypumwandlung
So folgt der ROV3R der IR-Fernsteuerung
Hintergrundwissen: Ortung für Roboter
Experiment 6-2
Die Grundoperationen des Matheblocks nutzen
Experiment 6-3
Zusammenfassung
7
Keine Magie – nur Mathematik!
Mit Messrauschen umgehen
Der Matheblock im erweiterten Modus
Der Rundungsblock
Hintergrundwissen: Mit Fehlern aus dem Matheblock umgehen
Der Vergleichsblock
Numerische in logische Werte umwandeln
Vergleiche in anderen Blöcken
Der Konstantenblock
Das Wandfolgeprogramm verbessern
Hintergrundwissen: Rückkopplungsregler
Experiment 7-1
Experiment 7-2
Experiment 7-3
Zusammenfassung
8
Lego-Rezepte
Die geheimen Eigenschaften von Winkelbalken
Hintergrundwissen: Ein LDraw-Rätsel ist gelöst!
Dreiecke versus Vierecke
Balken verlängern
Klammern
Kreuzverbinder
Noch ein Wort zu Zahnrädern
Eine gute Verzahnung erreichen
Zahnräder montieren
Zahnräder kombinieren
Rechtwinklige Verzahnung
Zahnradgetriebe
Schneckengetriebe
Bewegungen umwandeln
Bauideen für Motoren
Mittlerer Motor mit vorderem Ausgang (1)
Mittlerer Motor mit vorderem Ausgang (2)
Mittlerer Motor mit einzelnem seitlichem Ausgang
Mittlerer Motor mit doppeltem seitlichem Ausgang
Mittlerer Motor mit einfach untersetztem seitlichem Ausgang
Mittlerer Motor mit Getriebe
Mittlerer Motor mit mehreren Ausgängen
Großer Motor mit horizontalem Ausgang
Großer Motor mit Getrieben
Zusammenfassung
9
Die WATCHGOOZ3 bauen
Wie bewegt sich die WATCHGOOZ3?
Rechtes Bein
Linkes Bein
Rumpf
Linker Fuß
Rechter Fuß
Rumpf
Hintere Halterung
Vordere Halterung
Rumpf
Hals und Kopf
Rumpf
10
Die WATCHGOOZ3 programmieren
Das Stein-Programm für die WATCHGOOZ3
Das Programm
Die Funktionsweise
Ausführen und Fehler beheben
Das Programm in die EV3-Software importieren und bearbeiten
Eine Sicherungskopie anlegen
Das Programm abwandeln
Eigene Blöcke erstellen
Eigene Blöcke mit Ein- und Ausgängen erstellen
Ein- und Ausgänge automatisch zu Eigenen Blöcken hinzufügen lassen
Zusätzliche Konfiguration eines Eigenen Blocks
Ein erweitertes Programm erstellen
Der Eigene Block ResetBody
Einen erweiterten Eigenen Block für die Fortbewegung erstellen
Das endgültige Programm für die WATCHGOOZ3
Der Logikblock
Hintergrundwissen: Drehzahlregelung für Motoren
Experiment 10-1
Experiment 10-2
Der Zeitgeberblock
Zusammenfassung
11
Das SUP3RCAR bauen
Karosserie
Motorhaube
Karosserie
Autodach
Karosserie
Lenkung
Karosserie
R3MOTE
Zusammenfassung
12
Das SUP3RCAR programmieren
Elektronische und mechanische Differenziale
Hintergrundwissen: Drehzahlen für ein elektronisches Differenzial berechnen
Variablen
Arrays
Numerische und logische Arrays im Variablenblock
Der Arrayblock
Der Schalterblock mit mehreren Fällen
Reihen parallel ausführen (Multitasking)
Eigene Blöcke erstellen
Der Eigene Block ResetSteer
Der Eigene Block Steer
Der Eigene Block Drive
Der Eigene Block ReadRemote2
Das Auto für selbstständiges Fahren programmieren
Das Auto für den Einsatz der Fernsteuerung programmieren
Den Block ReadRemote mithilfe von Arrays aufräumen
Das Auto für die Verfolgung der Fernsteuerung programmieren
Der Eigene Block Sign
Der Eigene Block Saturation
Der Eigene Block ReadBeacon
Experiment 12-1
Der Block Bereich
Das Programm FollowBeacon
Das SUP3RCAR mit einer Sirene ausstatten
Experiment 12-2
Der Block zur Schleifenunterbrechung
Der Block zum Beenden des Programms
Zusammenfassung
13
Den SENTIN3L bauen
Rumpf
Rechtes Bein
Rumpf
Linkes Bein
Rumpf
Brust
Rumpf
Linker Arm
Rechter Arm
Rumpf
Rückenschild
Mittelteil des Rückenschilds
Rückenschild (Forts.)
Kopf
Rückenschild (Abschluss)
Rumpf
COLOR CUB3
Zusammenfassung
14
Den SENTIN3L programmieren
Der Dateizugriffsblock
Dateien erstellen, löschen und Daten schreiben
Daten aus einer Datei lesen
Das Dateiende erkennen
Der Zufallsblock
Eigene Blöcke erstellen
Der Eigene Block ResetLegs
Hintergrundwissen: Der Zusammenhang zwischen »Stromstärke« und Drehzahl
Der Eigene Block WalkFWD
Der Eigene Block Laser
Der Eigene Block Turn
Der Eigene Block PowerDownFX
Der Eigene Block WaitButton
Der Eigene Block SayColor
Der Eigene Block ExeCode
Der Eigene Block MakeProgram
Der Eigene Block RunProgram
Der Eigene Block MakePrgFile
Der Eigene Block ParseFile
Der Eigene Block RunPrgFile
Den SENTIN3L für Patrouillengänge programmieren
Farbprogrammierung des SENTIN3Ls zur Laufzeit
Experiment 14-2
Experiment 14-1
Experiment 14-3
Experiment 14-4
Dauerhafte Farbprogramme erstellen
Zusammenfassung
15
Den T-R3X bauen
Rumpf
Beingerüst
Rumpf
Linkes Bein
Rechtes Bein
Rumpf
Der EV3-Stein
Rumpf
Kopf und Vorderarme
Rumpf
Zusammenfassung
16
Den T-R3X programmieren
Die Eigenen Blöcke für das Programm Wander erstellen
Der Eigene Block Reset
Die Eigenen Blöcke MoveAbsolute und MoveAbsolute2
Der Eigene Block Step
Der Eigene Block Roar
Der Eigene Block Chew
Der Eigene Block Look
Der Eigene Block Right
Der Eigene Block Left
Der Eigene Block TurnUntil
Den T-R3X für die Fortbewegung programmieren
Das Verhalten des T-R3X gestalten
Hintergrundwissen: Verhaltensmodellierung mithilfe von Zustandsautomaten
Einen Zustandsautomaten einrichten
Allgemeiner Aufbau
Anfangszustand
Die Zustandsvariable
Zustandsübergänge
Sensorereignisse
Zeitgeberereignisse
Mit dem Zeitgeber gefilterte Ereignisse
Hintergrundwissen: Komplizierte logische Operationen mit dem Matheblock berechnen
Aktionen
Die Eigenen Blöcke für das endgültige Programm erstellen
Der Eigene Block Turn
Der Eigene Block ReadBeacon
Hintergrundwissen: Die Gesetze von De Morgan
Der Eigene Block INIT
Der Eigene Block IDLE
Der Eigene Block HUNGRY
Der Eigene Block SEEK
Der Eigene Block CHASE
Das Verhalten des T-R3X programmieren
Zustandsübergänge nach Priorität ordnen
Zusammenfassung
Experiment 16-1
Experiment 16-2
Experiment 16-3
Experiment 16-4
A
Inhalt des EV3-Sets 31313
B
Unterschiede zwischen der Education- und der normalen Einzelhandelsausgabe von EV3
Elektronische Geräte
Die EV3-Software
Vom Einzelhandelsset zum Education-Grundkasten
Vom Education-Grundkasten zum normalen Einzelhandelsset
Vom Education- Erweiterungsset zum normalen Einzelhandelsset
Index
Die Idee zu diesem Buch kam mir 2012 in Saudi-Arabien. Zu dieser Zeit half ich der Lego-Gruppe dabei, das neue Lego Mindstorms EV3 zu entwickeln und zu testen. Wegen eines Sandsturms war ich in meinem Hotel gefangen, und während ich auf besseres Wetter wartete, hörte ich mir Paul Dukas’ symphonische Vertonung von Goethes Ballade Der Zauberlehrling an. Das inspirierte mich zu der Geschichte eines Kindes, das die Gelegenheit bekommt, als Gehilfe eines Wissenschaftlers zu arbeiten. Diese Geschichte sollte den Hintergrund meines nächsten Buches über Lego Mindstorms bilden.
Um alle Möglichkeiten des EV3-Sets nutzen zu können, brauchst du einen Computer mit schnellem Internetanschluss. Anders als die vorherigen Versionen ist die EV3-Software nur als Download erhältlich. Es wird auch keine gedruckte Bedienungsanleitung mitgeliefert, sondern nur ein Heftchen mit einer angedeuteten Bauanleitung für den einfachsten offiziellen Roboter, den TRACK3R, und einigen Hinweisen zur Programmierung direkt auf dem EV3-Stein.
Dank dieser neuen On-Brick-Programmierung kannst du aber auch ohne Computer mit den in diesem Buch vorgestellten Robotern herumspielen. Dies ist eine zwar eingeschränkte, aber doch brauchbare Möglichkeit, um Roboter direkt über das Menü auf dem EV3-Stein zu programmieren. In den Kapiteln 1 bis 4 und 8 bis 10 lernst du verschiedene Möglichkeiten kennen, um auch ohne Computer viel Spaß mit deinen Robotern zu haben.
Dieses Buch ist für alle gedacht, die sich für Roboter interessieren, gleich welchen Alters. Es zeigt dir, wie du Roboter mit der Einzelhandelsausgabe von Lego Mindstorms EV3 (Bestellnr. 31313) baust und programmierst.
Neben den spezifischen Bauanleitungen und Programmieranweisungen für die Roboter lernst du auch allgemeine Lego-Bautechniken sowie grundlegende und erweiterte Programmierprinzipien kennen. Selbst Experten und erfahrene Roboterkonstrukteure finden überall in diesem Buch Abschnitte mit Hintergrundwissen, die die einzelnen Themen noch vertiefen.
Um dieses Buch richtig nutzen zu können, brauchst du Lego Mindstorms EV3, und zwar die normale Version mit der Bestellnummer 31313. Außerdem benötigst du einen Computer mit Internetanschluss, um die EV3-Programmiersoftware herunterzuladen und zu installieren. Sie enthält auch die Anleitungen, um die fünf offiziellen Modelle dieses Sets zu bauen und zu programmieren. Lehrer und Schüler, die den Education-Grundkasten 45544 von Lego Mindstorms verwenden, finden in Anhang B eine Liste aller zusätzlichen Lego-Elemente, die sie brauchen, um ihren Satz auf den Umfang der Einzelhandelsausgabe 31313 zu erweitern.
In dem Set findest du auch ein USB-Kabel, mit dem du den EV3-Stein an deinen Computer anschließen kannst. Für eine Verbindung über Bluetooth braucht dein Computer einen eingebauten oder externen Bluetooth-Dongle. Willst du den EV3-Stein über WLAN anschließen, musst du dir noch einen USB-WLAN-Dongle beschaffen. Der einzige für den EV3-Stein geeignete Dongle ist zurzeit der Netgear WNA1100.
Die EV3-Software wurde von National Instruments entwickelt, dem Unternehmen, das auch die Entwicklungsumgebung LabView geschrieben hat. Die EV3-Sprache basiert auf der grafischen Datenfluss-Programmiersprache G. National Instruments hat auch die Programmiersprache NXT-G entwickelt, die bei NXT zum Einsatz kommt, der vorherigen Generation von Lego Mindstorms.
Wenn du NXT kennst und schon mit NXT-G programmiert hast, wirst du die Programmierung in EV3 als viel klarer empfinden: Jetzt zeigen alle Blöcke sämtliche Einstellungen auf einen Blick, sodass du einen Block nicht erst auszuwählen brauchst, um dir seinen Konfigurationsbereich anzusehen. In der Software kannst du deine Programme vergrößert darstellen und den Bildausschnitt ändern, um besser die Übersicht zu bewahren. Außerdem bietet sie zusätzliche Programmfunktionen.
Dieses Buch ist sowohl ein Handbuch als auch ein Arbeitsbuch. Im Verlauf der Geschichte in dem Comic werden neue Prinzipien und Vorgehensweisen eingeführt. (Schau dir die Comics genau an, denn sie enthalten einige versteckte Hinweise auf Bonusmaterial, das du von der Begleitwebsite herunterladen kannst, darunter die menschenfressende Pflanze AUDR3Y, den L3AVE-ME-ALONE-Kasten usw.). Die Kästen mit dem Titel »Hintergrundwissen« erklären schwierigere Themen etwas ausführlicher. Wenn du schon ein Experte bist, kannst du die einführenden Kapitel überspringen und gleich mit den Kapiteln 9 bis 16 loslegen, in denen du erfährst, wie du die vier anspruchsvolleren Roboter baust und programmierst. In den Kapiteln findest du auch Anregungen für Experimente, in denen du deine neu erworbenen Kenntnisse anwenden und vertiefen kannst. Die einzelnen Kapitel haben folgenden Inhalt:
Auf der Begleitwebsite http://EV3L.com/ (in englischer Sprache) findest du EV3-Projekte für Roboter, Hinweise zu Fehlern im Buch, zusätzliche Tipps und Tricks sowie Bonusmaterial.
Willkommen an Bord! Begleite Dexter und Danny auf ihren Abenteuern und werde selbst zum Gehilfen eines EV3L-Wissenschaftlers!
Das EV3-Set 31313 von Lego Mindstorms enthält verschiedene Lego-Elemente, ein gedrucktes Handbuch (mit einer Anleitung für den Bau des offiziellen Robotermodells TRACK3R und einigen Hinweisen zur Verwendung des intelligenten EV3-Steins), ein USB/miniUSB-Kabel für den Anschluss des EV3-Steins an den Computer und einen Testbogen (einfach die Banderole um den Kasten entrollen) – aber keine Software! Wo ist die Software? Du kannst sie im Download-Bereich der offiziellen Website zu Lego Mindstorms EV3 (http://LEGO.com/mindstorms/) herunterladen. Bei den Lego-Technic-Elementen in dem Kasten handelt es sich um Balken, Pins, Zahnräder und Räder sowie um elektronische Bauteile wie Motoren, Sensoren, Kabel und den intelligenten EV3-Stein.
Wie du vielleicht schon weißt, gibt es im EV3-Kasten keine klassischen Lego-Steine. Die Balken haben auch keine Noppen. Wie also kannst du sie verbinden?
Seit dem Jahr 2000 sind Lego-Technic-Bausätze hauptsächlich aus »noppenlosen« Teilen konstruiert. Die guten, alten scharfkantigen Technic-Steine mit Noppen wurden nach und nach durch abgerundete, noppenlose Technic-Balken ersetzt, die den Modellen einen schnittigeren Look geben (siehe Abbildung 1-1).
Ich weiß noch, wie ich zum ersten Mal mit den noppenlosen Elementen versuchte zu bauen: Trotz jahrelanger Erfahrung mit »klassischen« Lego-Technic-Elementen hatte ich plötzlich das Gefühl, ich könnte selbst die einfachsten Dinge nicht mehr bauen. Es war frustrierend! Aber nachdem ich mir die offiziellen Lego-Technic-Modelle etwas genauer angesehen hatte, wurde ich nach und nach vertrauter mit den neuen Teilen. Natürlich musste ich erst eine ganz neue Art und Weise des Bauens lernen, aber das hat sich gelohnt. Bei der noppenlosen Bautechnik kommen leichte, solide und elegante Modelle heraus. Wenn du erst einmal damit angefangen hast, wirst du dich fragen, wie du je ohne noppenlose Teile hast leben können!
Abbildung 1-1: Ein klassischer 8l-Technic-Stein im Vergleich zu einem noppenlosen 7L-Balken. Mit noppenlosen Teilen kannst du meistens nicht so einfach nach Gefühl bauen wie mit herkömmlichen Lego-Steinen und -Platten, die du nur von unten nach oben aufeinandersteckst. Tatsächlich erfordert das noppenlose Bauen ein dreidimensionales Vorstellungsvermögen von innen nach außen.
Technic-Steine haben eine gerade Anzahl von Noppen und eine ungerade Anzahl von Löchern (ein Zwei-Noppen-Stein hat ein Loch, ein Sechs-Noppen-Stein fünf Löcher usw.). Als Längenangabe dient die Anzahl der Noppen. Technic-Balken dagegen sind die abgespeckten, noppenlosen Gegenstücke zu diesen Steinen. Als Längenangabe kannst du die Anzahl der Löcher verwenden, wie es in Abbildung 1-1 gemacht wurde. Ähnlich wie die Noppen von Lego-Steinen dienen Technic-Pins als »Leim«, der deine Lego-Modelle zusammenhält (siehe Abbildung 1-2).
Dank der abgerundeten Enden der Technic-Balken kannst du Strukturen und Mechanismen bauen, die viel kompakter und leichter sind als diejenigen, die sich mit herkömmlichen Lego-Steinen konstruieren lassen. Wenn du zwei Noppensteine nebeneinander drehbar auf Zapfen lagern willst, musst du mindestens zwei Löcher zwischen ihnen frei lassen (siehe Abbildung 1-3). Bei noppenlosen Balken dagegen können die Zapfen unmittelbar nebeneinanderliegen.
Abbildung 1-2: Was die Noppen für die Steine, sind die Pins für die noppenlosen Balken: der »Leim«, der sie zusammenhält.
Abbildung 1-3: Technic-Balken nehmen weniger Platz ein als steine, sodass du kompaktere strukturen bauen kannst.
Andererseits lassen sich mit Standardsteinen und -platten stabilere und festere Strukturen bauen. Je nachdem, was du konstruieren willst, kannst du Elemente mit und ohne Noppen verwenden oder beide Bautechniken kombinieren.
Nehmen wir an, du möchtest einen Lego-Roboter bauen, dir fehlt dazu aber ein bestimmtes Teil. Du möchtest mich gern fragen, ob ich dieses Element habe, aber du kannst deine Bitte nur sehr ungenau formulieren: »Danny, könntest du mir wohl so ein Dingsda geben ... ein ... sag schnell, wie heißt das doch gleich ... äh ... also so ein Teil eben... äh ... so ein Dingsbums, nicht?« Dann wüsste ich wohl kaum, was du brauchst. Oder schlimmer noch; du musst Teile online kaufen und weißt nicht, wie du das gesuchte Element bezeichnen sollst. Dann wirst du deinen Roboter wohl nicht zu Ende bauen können.
Bezeichnungen sind wichtig. Du kannst die Lego-Bautechniken viel besser beherrschen, wenn du weißt, wie du Lego-Teile bezeichnen und bemessen kannst. Um einen Roman zu schreiben, musst du die Grammatik und den Wortschatz deiner Sprache kennen, und das Gleiche gilt auch für Lego: Du musst die Teile kennen.
Die Elemente im EV3-Set 31313 gehören in die folgenden Kategorien:
Balken: gerade Balken, Winkelbalken, Rahmen, dünne Balken und Verbindungsglieder
Verbinder: Pins, Achsen, Stopper, Achs- und Pinverbinder und Kreuzverbinder
Zahnräder: Stirnräder, Kegelräder und Schneckenräder
Räder und Raupenketten: Räder, Raupenketten und Reifen
Dekorative Elemente: Paneele, Zähne, Schwerter usw.
Sonderteile: Bälle, Ballmagazine, Ballschussgerät, Gummiband
Elektronische Teile: