Lego Mindstorm - unibo.it · C and C++ sotto sistema operativo BrickOS (precedentemente LegOS)...

Lego MindstormCenni sulla programmazione

JAVA - Lego NXT

Raffaele Grandi

em@il :[email protected]

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DEIS - LAR

9 aprile 2010

Raffaele Grandi (DEIS - LAR) Lego Mindstorm 9 aprile 2010 1 / 57

Storia

Lego Mindstorm e una linea di prodotti

della LEGO nata nel 1998 e orientata al-

la progettazione e modellazione di sistemi

elettromeccanici e robotici. Nel 2006 la

LEGO immette sul mercato la nuova gen-

erazione di Lego Mindstorm (LMS) de-

nominata NXT con maggiore capacita e

versatilita.

Figura: Kit base LMS-NXT


Elementi

Lego Mindstorm combina principalmente 3 tipi di elementi:

1 Lego Technic : pensati per la costruzione di strutture meccaniche piu omeno complesse, comprensive di leve, catene ed ingranaggi.

2 Mattoncini programmabili (la novita geniale della LEGO) : mattoniintegrabili fisicamente con i lego Technic “classici” che hanno pero all’internoun microcontrollore programmabile, uno scherno LCD e delle prese sui latidove collegare motori e sensori appositamente studiati.

3 Motori e sensori : dispositivi integrabili con i mattoncini Technic ecollegabili al brick di controllo, che implementano determinate capacita.


Motori e Sensori

Motori con controllo di velocitae di posizione integrato

Sensori di luce, sensori audio,

ad ultrasuoni per il controllo

della posizione, infrarossi,

tattili, di colore, giroscopici...

Figura: NXT con sensori e motori


Mindstorm RCX

519 pezzi LEGO Technic

3 servomotori, con sensore dirotazione integrato e feedback peril controllo di precisione

Sensore luminoso, capace dirilevare colori e intensita luminosa

Sensore tattile

Mattoncino programmabile RCX

Figura: RCX con sensori e motori


Mattoncino di controllo RCX

“Motore” del Lego Mindstorm RCX

contiene un microcontrollore Renesas H8/300 a 8-bit con 32K di RAM perl’immagazzinamento del firmware e del programma utentedotato di porta IR per comunicare col PC o con altri RCXdotato delle porte per la connessione dei motori e dei sensoripredisposto per l’alimentazione via cavo e a batterie


Mindstorm NXT

619 pezzi LEGO Technic

3 servomotori

molto piu grandi dei precedenti

2 sensori tattili

Sensore di colore

Sensore audio

Sensore di prossimita a ultrasuoni

Mattoncino programmabile NXT

Figura: Esempio costruttivo


Mattoncino di controllo NXT

Mattoncino programmabile NXT

contiene un processore a 32 bit AtmelAT91SAM7S256 a 48 MHz (ARM7), con 256kflash e 64k RAMun coprocessore 8 bit Atmel ATmega48 a 8 MHz(RISC a 8 bit), con 4k flash e 512 byte RAMuno schermo LCD con una risoluzione di 60x100pixel

una porta USB 2.0 e connettivita Bluetooth


Modellizzazione

Praticamente tutti i tipi di

sistemi integrati

elettromeccanici esistenti nella

vita reale (come gli elevatori o i

robots industriali) possono

essere modellati con Lego

Mindstorms.

Figura: Braccio robotico


Comportamento

Avere a disposizione questo tipo di dispositivi ci permette di costruirerobots che interagiscono con l’ambiente circostante e che eseguonodei task operativi in base a cio che apprendono durante il lorofunzionamento, secondo le procedure sviluppate all’interno delprogramma.

Possono essere simulati comportamenti complessi tramite appositosoftware


Esempi costruttivi 1/4

Cassaforte: uno degli esempipiu classici di automa a statifiniti (ASF)

Figura: Schema di un ASF

Figura: Cassaforte a combinazione RCX



Robot di tipo differente cheimpiegano gli algoritmi piudiversi

Figura: Robot ritrattista Figura: Rubik cube solver



Robot che ci riguardano piu davicino per le aree di roboticamobile e controllo

Figura: Controllo di un pendolo inverso in

movimento (tipo Segway)Figura: Line follower



Oppure:

algoritmi di collaborazione distribuitasistemi multi-agentealgoritmi di apprendimentoalgoritmi di intelligenza artificiale...


Metodi di programmazione

La programmazione dei LEGO e possibile utilizzando due metodologie:

1 Programmazione grafica

2 Programmazione strutturata via codice


Linguaggi grafici

Forniti di default dalla Lego:

RCX Code: incluso nella versione commerciale del kit RCX e in vendita neinegozi di giocattoli;ROBOLAB: basato su LabVIEW e sviluppato dalla Tufts UniversityNXT-G: derivato da RoboLab e fornito in dotazione nella scatola NXT

Figura: Screenshot di NXT-G


Programmazione strutturata

Avviene tramite software di terze parti consentendo maggiore:

flessibilita

riusabilita

espandibilita

espressivita

velocita di esecuzione

integrazione con applicazioni e sistemi esistenti


Software in uso

Linguaggi di programmazione alternativi utilizzati:

QuiteCC and C++ sotto sistema operativo BrickOS (precedentemente LegOS)Visual BasicPythonJava sotto sistema operativo LeJOS (o TinyVM)

Ognuno di questi linguaggi permette l’interfacciamento con ilmicrocontrollore, previa modifica del firmware (?)

La modifica tramite LeJOS avviene attraverso un apposito programmaincluso nel pacchetto del nuovo firmware


LeJOSLa scelta

LeJOS e un firmware sostitutivo per il mattone Lego MindstormsRCX e NXT.

Include una Java Virtual Machine, che permette di programmare irobot LMS mediante l’utilizzo del linguaggio di programmazione Java.

Vaste librerie di codice che supportano varie funzioni di alto livelloquali navigazione e automatismo basato algoritmi comportamentali

Al momento risulta la struttura piu completa per la programmazionedei Lego MS

OpenSource: http://lejos.sourceforge.net/


Cosa offre LeJOS NXJ

1 Object oriented language (Java)

2 Preemptive threads (cambio di contesto forzato)

3 Arrays, including multi-dimensional

4 Recursion

5 Synchronization

6 Exceptions

7 Java types including float, long, and String

8 Most of the java.lang, java.util and java.io classes

9 A well-documented Robotics API


Integrated Development EnvironmentIDE: Ambienti integrati per lo sviluppo del software

NetBeans

ambiente di sviluppo multi-linguaggio scritto interamente in Java (Swing) nato nelgiugno 2000.scelto dalla Sun Microsystems come IDE ufficialeplug-in oriented

Eclipse

ambiente di sviluppo multi-linguaggio scritto in Java (SWT)progetto opensource sviluppato da una vasta comunita sotto la tutela della EclipseFoundationplug-in oriented

Noi utilizzeremo Eclipse, in quanto si integra meglio con LeJOS (plug-in specifico)

e possibile lavorare tramite linea di comando


EclipseRisorse per la programmazione

Eclipse e un ambiente di sviluppomultipiattaforma

(Linux - Windows e Mac)

Lo si scarica gratuitamente dawww.eclipse.org/downloads

La versione a cui siamo interessati eEclipse Classic 3.5.2 (162 MB)

viene cosı installato tutto l’ambiente di sviluppocompresa la JVM

per chi avesse Ubuntu e disponibile anche nel

repository ufficiale

Figura: Eclipse Downloads site


EclipseL’ambiente di lavoro

Una volta installato Eclipse e caricato,l’interfaccia appare come nella figura afianco:

Area di lavoro

Gerarchia dello spazio di lavorocontenente i packages e le classi

Console di output

Menu per la gestione delle

opzioni

Figura: Eclipse Interface


Risorse su EclipseDa dove imparare

1 Google ;-)

2 Eclipse Community :http://www.eclipse.org/community/

3 Libro:

1 Eclipse for Dummies


Integrazione Java - LeJOSAPI LeJOS

Le API di LeJOS sono state prodotte attraverso la compilazioneautomatica utilizzando il tool javadoc e si possono trovare

all’indirizzo http://lejos.sourceforge.net/nxt/nxj/api/index.html

help di Eclipse dopo aver installato il plug-in relativo


Integrazione Java - LeJOSAPI LeJOS - overview

Figura: LeJOS API Overview


Integrazione Java - LeJOSAPI LeJOS - blocchi concettuali

Osservando le API ci si accorge che i packages si dividono a grandi linee in 3macro blocchi concettuali:

1 Packages mutuati direttamente dal linguaggio JAVA (java.* - javax.*)

2 Packages che riguardano la gestione delle piattaforma NXT-RCX (lejos.*)

3 Packages di supporto specifici per la robotica (lejos.robotics.*)


Integrazione Java - LeJOSAPI LeJOS - il linguaggio

Packages mutuati direttamente dal linguaggio JAVA (java.* - javax.*)

1 relative al core del linguaggio (java.lang - java.io - java.util -java.net)

2 relative alla grafica (java.awt - java.awt.geom)3 relative alla comunicazione bluetooth (javax.bluetooth -

javax.microedition)


Integrazione Java - LeJOSAPI LeJOS - la piattaforma

Packages che riguardano la gestione delle piattaforma NXT-RCX (lejos.*)

1 relative alla gestione dei motori, sensori, batteria ... (lejos.nxt)2 relative alla gestione delle comunicazioni (lejos.nxt.comm -

lejos.nxt.remote)


Integrazione Java - LeJOSAPI LeJOS - la robotica

Packages di supporto specifici per la robotica (lejos.robotics.*)

1 supporto alla navigazione (lejos.robotics.navigation)2 supporto alla localizzione (lejos.robotics.localization)3 supporto alla “Subsumption Architecture” per la gestione dei Behaviour

(lejos.robotics.subsumption)


LeJOSRisorse

@

Sito : http://lejos.sourceforge.net

Tutorial :http://lejos.sourceforge.net/nxt/nxj/tutorial/index.htm

Forum : http://lejos.sourceforge.net/forum/index.php

Libri :

free: “Develop leJOS Programs Step by Step“ , JuanAntonio Brena Moral (ebook - google)...


Behaviour based roboticscenni

In LeJOS esiste una tipologia di programmazione basata suicomportamenti che utilizza la Subsumption Architecture (SA)

SA e una architettura logica fortemente legata alla gestione deicomportamenti nell’ambito della robotica “autonoma”. Il termine estato introdotto da Rodney Brooks (professore di robotica al MIT) ecolleghi nel 1986

Il concetto di sussunzione e usato nella rappresentazione dellaconoscenza, nella logica matematica, nelle ontologie ed in altrediscipline scientifiche, per indicare una classificazione gerarchizzante(specializzazione) per mezzo di sostituzione, ricondurre un concettonell’ambito di uno piu ampio che lo comprende.


Subsumption Architecture (SA)

SA viene quindi vista come una via per decomporre la struttura diun comportamento complesso in una sottostruttura dicomportamenti piu semplici correlati tra loro che possono esseremodellati in base ad idee generalizzate.

Ad ogni comportamento “semplice” viene associato un livello diastrazione

Ogni livello ha un obiettivo ben preciso che l’agente deve portare atermine


Subsumption Architecture (SA)Esempio

Ad esempio l’azione prendi oggetto A viene svolta assumendo che leazioni

individua oggetto A

posizionati vicino all’oggetto A

siano state portate a termine. A loro volta queste implicano che

muoviti verso oggetto A

sia state conclusa.Eventualmente e possibile che questa azione sia stata possibile utilizzandouna sotto struttura comportamentale

evita oggetti non-A


Subsumption ArchitectureStruttura

Architettura con struttura bottom-up

sono gli eventi che si verificano agli strati inferiori dell’architettura cheoffrono la possibilita a quelli superiori di essere attivati e portati aterminegli strati decisionali piu bassi sono quelli che hanno contatto con lastruttura “fisica” del robot

ci si interfaccia con le API di controllo: l’attuatore visto come unarisorsa softwaremaggiore reattivita: i task inferiori prendono decisioni dirette


Comportamento

Ogni comportamento viene visto come entita dotata di 3caratteristiche funzionali:

1 condizione di attivazione2 attivita da svolgere in fase attiva3 attivita da svolgere in caso di soppressione

Si utilizza un arbitro (o supervisore) che identifica la condizione diattivazione del comportamento ed esegue la relativa azione, compresal’eventuale soppressione se altre condizioni si verificano con unapriorita di esecuzione maggiore

in LeJOS l’arbitro e un thread che utilizza un array di comportamentiin ordine di priorita crescente con la posizione nell’array


Vantaggi, Svantaggi e Soluzioni

Vantaggi:

maggiore modularitaogni livello lavora direttamente sulle risorse del proprio ambienteogni livello percepisce direttamente il proprio obiettivo

Svantaggi:

incapacita di avere piu livelli contemporanei dato che gli inneschi diuno possono interferire con quelli di un altrodifficolta di selezione dell’azione da eseguire in sistemi altamentedistribuiti attraverso la sola capacita di inibizione/soppressione di uncomportamento

Soluzioni:

eventuale programmazione mista ad esempio behaviour-planning perla selezione di comportamenti concorrenti


ProgrammazionePremessa

All’interno del pacchetto lejos-nxj sono presenti nella cartellaprojects/samples degli esempi da consultare

Sono esempi semplici che illustrano il funzionamento di base delsistema compresi l’utilizzo dei sensori e dei motori

Gli esempi possono essere facilmente ampliati per integrarefunzionalita avanzate e capacita di gestione piu articolata

L’eventuale codice sviluppato viene messo a disposizione sul sito


Programmazionethreads - p1/5

Il procedimento e analogo a quello che succede normalmente con i Threadsin Java

estensione della classe Thread

implementazione dell’interfaccia Runnable

Sensori e motori vengono visti come risorse software, di conseguenza comeoggetti manipolabili nel consueto modo.


Programmazionethreads - p2/5

Molte delle classi di LeJOS avviano threads propri per scopi differenti :

Bottoni e sensori avviano threads di ascolto se i listener sono utilizzati

Ogni motore ha un thread regolatore

La classe Bluetooth avvia un thread per comunicare con altridispositivi BT

Ogni oggetto Timer avvia un proprio thread


Programmazionethreads - p3/5 - esempio

Ipotizzando di avere un robot mobile con torretta che spara palle coloratedotato di sensore ad ultrasuoni e tre motori configurati come :

1 Motori A e C per la movimentazione del robot

2 Motore B per l’azionamento della torretta di sparo

3 Il sensore ad ultrasuoni sulla porta 1

Si prende in esame solamente il codice che gestisce la torretta ...



LegoTest (main)

import lejos.nxt.*;import lejos.robotics.*;public class LegoTest {

public static void main(String[] args) throws Exception{Sonic ultraSonic = new Sonic(SensorPort.S1);int shotNum = 2;FireBalls fire = new FireBalls(Motor.B, 2*360);ultraSonic.start();while(!Button.ESCAPE.isPressed()){ /*Brain funs*/

if(ultraSonic.getDistance()<10){for(int i = 0; i < shotNum; i++)

fire.shot();}//endiftry { Thread.sleep(200); }catch (Exception e) { /*do nothing*/ }

}//end whileLCD.clear();LCD.drawString(”Exit LegoTesT”, 0, 0);

}//end main}//end main class

FireBalls

import lejos.nxt.*;import lejos.robotics.*;public class FireBalls{

private TachoMotor fireMotor;public FireBalls(TachoMotor fMotor, int mSpeed){

fireMotor = fMotor;setMotorSpeed(mSpeed);

}//end constructorpublic void shot(){

fireMotor.rotate(360);}//shotpublic void setMotorSpeed(int motorVel){

fireMotor.setSpeed(motorVel);}

}//FireBalls



Sonic

import lejos.nxt.*;import lejos.robotics.*;public class Sonic {

UltrasonicSensor sonic;public Sonic(I2CPort port){

sonic = new UltrasonicSensor(port);}// end constructorpublic void run(){

while(true) {LCD.clear();LCD.drawString(sonic.getVersion(), 0, 0);LCD.drawString(sonic.getProductID(), 0, 1);LCD.drawString(sonic.getSensorType(), 0, 2);LCD.drawInt(sonic.getDistance(), 0, 3);LCD.refresh();try { Thread.sleep(100); }catch (Exception e) { /*do nothing*/ }

}//while}//runpublic int getDistance(){ return sonic.getDistance();

}//getDistance}//end Sonic


Programmazionebehaviours

Da un punto di vista strutturale, la programmazione dei Lego utilizzando iBehaviours agevola molto la decomposizione logica e quindi la relativaimplementazioneDi seguito il breve esempio di una macchina che utilizza 2sub-comportamenti


Programmazionebehaviours - p1/7- specifiche

Si ipotizza di avere la classica macchinina che si muove in avanti a nelcaso colpisca un muro si fermi, torni indietro e ruoti per assumere unadirezione migliore.La macchina e dotata di due motori e un sensore di contatto cosıconfigurati:

Motore 1 : collegato alla porta A

Motore 2: collegato alla porta C

Sensore di contatto: collegato alla porta 2


Programmazionebehaviours - p2/7 - analisi

Analizzando in modo preliminare il comportamento globale della macchinadescritto dalla specifiche e possibile individuare azioni ipotetiche da cuipartire :

1 Muovere in avanti o fermarsi

2 Tornare indietro e ruotare


Programmazionebehaviours - p3/7 - schema

Figura: Schema BumperCar


Programmazionebehaviours - p4/7 - interfacce

Behaviour :

public boolean takeControl();public void suppress();public void action();

Arbitrator :

public Arbitrator(Behavior [] behaviors) {}public void start();

e un thread


Programmazionebehaviours - p5/7 - codice

DriveForward

import lejos.robotics.*;public class DriveForward implements Behavior {

public boolean takeControl() {return true;

}public void suppress() {

Motor.A.stop();Motor.C.stop();

}public void action() {

Motor.A.forward();Motor.C.forward();

}}

DriveForward

L’azione principale e quella di muovere

la macchina in avanti o nel caso il

comportamento venga soppresso dal

presentarsi di un altro comportamento

a priorita maggiore l’azione e quella di

arrestarsi



HitWall

import lejos.robotics.*;public class HitWall implements Behavior {

public boolean takeControl() {return Sensor.S2.readBooleanValue();

}public void suppress() {

Motor.A.stop(); Motor.C.stop();}public void action() {

// Back up:Motor.A.backward();Motor.C.backward();try{Thread.sleep(1000);}catch(Exception e) {}

// Rotate by causing only one wheel to stop:Motor.A.stop();try{Thread.sleep(300);}catch(Exception e) {}Motor.C.stop();

}}

HitWall

L’azione principale e quella di arretraree ruotare. In caso di soppressionevengono fermati i motori.

Il comportamento prende il controllo

nel momento in cui viene rilevata la

collisione dal sensore di contatto



BumperCar (main)

import lejos.robotics.*;public class BumperCar {

public static void main(String [] args) {Behavior b1 = new DriveForward();Behavior b2 = new HitWall();Behavior [] bArray = {b1, b2};Arbitrator arbitro = new Arbitrator(bArray);arbitro.start();

}};

BumperCar (main)

L’azione principale e quella di muovere la

macchina in avanti o nel caso il

comportamento venga soppresso dal

presentarsi di un altro comportamento a

priorita maggiore l’azione e quella di

arrestarsi


Fase di upload sul LEGOCompilazione ed esecuzione

1 Seguendo le istruzioni sul tutorial reperibile nel sito di LeJOS e possibileinstallare per tutte le piattaforme il plug-in di LeJOS per Eclipse. Il plug-inconsente di compilare e fare l’upload del programma in modo semplice.

1 Dopo l’installazione del plug-in, all’interno del menu di Eclipse, sonodisponibili le voci per settare l’ambiente di lavoro di LeJOS

2 In ogni caso se si volesse usare la riga di comando i programmi principali darichiamare sono nxjc e nxj.

1 nxjc: compila il programma originando un file .class2 nxj: crea un file .nxj ed esegue l’upload sul microcontrollore3 Le varie opzioni dei comandi possono essere utilizzate ad esempio per

mettere in esecuzione automaticamente i programmi dopo l’upload

3 L’interfacciamento con il microcontrollore puo essere effettuato sia viabluetooth che via USB


Disaccoppiamento

I programmi che possono essere sviluppati in modo da lavorare inlocale sul robot sono programmi complessi ma comunque semprelimitati dalle capacita di calcolo e di memoria della piattaforma

LeJOS permette la ricezione via bluetooth di dati utilizzandotecnologia ereditata dai cellulari (javaME) e quindi permette disviluppare programmi che guidano il robot da remoto.

In questo modo possono essere sviluppati programmi particolarmentecomplessi disaccoppiando la parte “pensante” da quella “esecutiva”. Laprima viene seguita sul PC mentre la seconda sul robot.


Un progetto complesso

Figura: Schema unibot

Figura: Unibot


Obiettivi dell’attivita

1 Scopo: interagire con la piattaforma Lego MS-NXT e RCX in modoche si possa approfondire l’interazione hardware - software

2 Esercitazioni: assegnamento di task operativi che necessitano sia dellacostruzione di un robot adeguato alla risoluzione del task sia della suaprogrammazione

3 Lavoro di gruppo con eventuale suddivisione delle attivita di analisidel problema proposto e realizzazione della soluzione

4 Eventuale utilizzo della piattafirma per il test e lo sviluppo dialgoritmi piu complessi...


Controllo “modernizzato”

Toilet flusher:

uno dei piu classici esempi di

controllo automatico, modernamente

implementato tramite l’utilizzo di

Lego MS NXT

Figura: Toilet flusher control


Domande?

Riferimenti personali:

ufficio: Laboratorio di informatica industriale(exLAB2)

tel: (051 20) 93903/2

sito: lar.deis.unibo.it/people/rgrandi/

em@il: [email protected]


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