Исследовательская работа "Дистанционное управление и удаленная регистрация данных на основе Mindstorms NXT и датчиков Vernier"

Автор: Репка Артем

учащийся 10 б класса

МБОУ СОШ №17

г.Новый Уренгой, ЯНАО, Российская Федерация.

Дистанционное управление и удаленная регистрация данных на основе
Mindstorms NXT  и датчиков Vernier.

Научный руководитель:

Подлесных Елена Викторовна

учитель физики и информатики

МБОУ СОШ №17

2012г.

Содержание:

1. Аннотация…………………………………………………………………………стр.3

2. Введение ………………………………………………………………………… стр.4-6

2.1 Гипотеза…………………………………………………………………стр 4

2.2 Актуальность……………………………………………………………стр 4

2.3 Новизна…………………………………………………………………  стр 5

2.4 Цели и задачи……………………………………………………………стр 5

2.5 Методы исследования………………………………………………… стр 5

2.6 Оборудование и программное обеспечение………………………… стр 5-6

3. Описание методики проведения исследования………………………………  стр 6-9

3.1 Подготовка к проведению исследования……………………………  стр 6-8

3.2 Проведение эксперимента……………………………………………   стр8-9

4. Результаты исследования……………………………………………………… стр 9-11

4.1 Описание полученных данных………………………………………  стр 9-10

4.2 Анализ результатов……………………………………………… …… стр 10-11

5. Выводы по работе, рекомендации……………………………………………  …стр 11-12

6. Приложения……………………………………………………………………… стр 13-14

7. Список литературы, ссылки на первоисточники……………………………. стр 15

1. Аннотация

В данной работе представлен принцип реализации дистанционного управления роботом Lego Mindstorms NXT. А также построена модель удаленной регистрации данных  при помощи физического датчика магнитного поля Vernier и микрофона NXT. Представлены теоретические основы установления связи по каналу Bluetooth, а также элементы управления с помощью планшетного компьютера. Приведен пример программы, написанной в среде NXT 2.0 Programming, реализующий удаленную регистрацию данных.

Создана и подробно описана экспериментальная конструкторская модель робота Lego Mindstorms NXT.  Уникальность конструкции состоит в том, что совместно с роботом используется адаптер NXT Vernier, при помощи которого возможно подключить к роботу до 30 различных датчиков.

В данной работе получены показания датчиков магнитного поля Vernier  и датчика звука NXT. Эти показания были собраны при дистанционном управлении и  зарегистрированы удаленным способом.

На основе анализа полученных данных установлено, что уровень магнитного поля находится в диапазоне допустимыx значений в соответствии с СанПиН. Уровень шума превышает предельно допустимые значения только в  серверной, а также  во время перемены.

Были сделаны выводы и рекомендации. А также поставлены дальнейшие задачи поекта.

2. Введение

На данный момент  человечество остро нуждается в роботах, которые могут без помощи оператора тушить пожары, самостоятельно передвигаться по заранее неизвестной, реальной пересеченной местности, выполнять спасательные операции во время стихийных бедствий, аварий атомных электростанций, в борьбе с терроризмом.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.

Конструкторы LEGO Mindstorms позволяют осознанно подойти к конструированию, моделированию и автоматическому управлению.

Конструктор Lego Mindstorms NXT состоит из системного блока (контроллера), являющимся главным блоком системы, обрабатывающим сигналы подсоединенных к нему датчиков, и управляющим исполнительными механизмами по алгоритму,  реализованному в среде разработки, поставляемой с конструктором.

К системному блоку можно подключить до четырех различных датчиков, таких как ультразвуковой датчик,  определяющий расстояние до объекта, микрофон, регистрирующий громкость звуковых сигналов, датчик освещенности, кнопки на системном блоке и датчики сервомоторов. Информацию, полученную с этих датчиков, системный блок обрабатывает по заложенной в нем программе и управляет сервомоторами, звуковым излучателем и ЖКИ экраном.

2.1 Гипотеза.

Существует возможность превращения Lego-робота фактически в цифровую естественнонаучную лабораторию. Предполагается реализация дистанционного управления роботом  при помощи планшетного компьютера и мобильного телефона.  А также  создание условий для удаленной регистрации данных, фиксируемых датчиками, сопряженными с роботом Minstorms  NXT.

2.2 Актуальность

Актуальность данной работы заключается в том, что на данный момент роботы используются практически во всех сферах деятельности человека. Они выполняют задачи, которые могут быть опасны для людей. Например, работа с взрывчатыми веществами, проникновение в труднодоступные места, использование роботов при исследованиях космических тел и регистрации данных без участия человека.

2.3 Новизна

Новизна проекта состоит в том, что существует возможность превращения Lego-робота фактически в цифровую естественнонаучную лабораторию. Это становиться возможным благодаря использованию адаптера, предназначенного для сопряжения интеллектуального блока робота Minstorms  NXT с датчиками Vernier, и соответствующего программного обеспечения. Использование такого робототехнического комплекта открывает новые возможности  и позволяет использовать как интеллектуальный блок  NXT, так и самого Lego- робота для проведения многочисленных экспериментов в самых разных областях.

А при использовании канала передачи данных Bluetooth  и Wi-fi появляется возможность дистанционного управления роботом при помощи планшетного компьютера и мобильного телефона.

2.4 Цели и задачи;

Цель работы: изучение программируемого робота на основе конструктора Lego Mindstorms NXT и создание дистанционно-управляемой модели, с совм  естным использованием физических датчиков Vernier.

Задачи проекта:

Для достижения цели были поставленные следующие задачи:

1. Собрать конструкторскую модель  и адаптировать датчик магнитного поля Vernier для совместного использования с роботом Lego Minstorms  NXT
2. Реализовать дистанционное управление и  видеорегистрацию с помощью планшетного ПК и мобильного телефона на платформе android.
3. Удаленно зарегистрировать данные о магнитном поле и уровне шума  с помощью физических датчиков Vernier, проанализировать показания датчиков. Получить их графическое представление.

2.5 Методы исследования;

Теоретические методы: определения проблем, формулирования гипотез и оценка собранных фактов.

Экспериментальный метод: Сборка конструкторской модели, проверка приема работы дистанционного управления и видеорегистрации, для выявления его эффективности. Проведение серии опытов по получению данных о магнитном поле и уровне шума. Анализ данных. Графическое представление данных.

2.6 Оборудование и программное обеспечение.

1. Компьютер

2. Интеллектуальный блок Lego NXT + конструктор

3. Планшетный компьютер ASUS eeePAD TRANSFORMER TF101

4. Мобильный телефон на платформе android Samsung  galaxy ace

5. Кабель NXT

6. Датчик магнитного поля Vernier

7. Датчик звука NXT

8.Адаптер датчика Vernier NXT

9. Wi-fi Router Asus RT 12

10. Доступ к высокоскоростному Интернету (от 2 Мбит/сек)

11. Программное обеспечение Minstorms  NXT 2

12.  Программа NXT Remote control

3. Описание методики проведения исследования.

3.1 Подготовка к проведению исследования:

Необходимо:

1. Собрать конструкторскую модель, которая состоит из несущего каркаса, на котором расположен контроллер с тремя подключенными сервомоторами. А также конструкцией для установки мобильного телефона;
2. Установить на конcтрукцию адаптер Vernier NXT, для подключения датчика магнитного поля,
3.   Установить на конструкцию  мобильный телефон, имеющий видео-камеру.
4. Подготовить блок NXT для сбора данных:

1. Установить переключатель датчика магнитного поля в положение 6,4 мТл (слабое усиление)
2. Подключить датчик магнитного поля к Адаптеру Vernier NXT
3. Подсоединить адаптер к порту 4 блока NXT кабелем Lego NXT
4. Убедиться, что блок NXT подсоединен к компьютеру (через USB) и включен.

5. Запустите NXT 2.0 Programming (Запустите новую программу Mag Zvuk.rbt). Данная программа создает файл данных во время перемещения робота с прикрепленными датчиками магнитного поля и звука. Чтобы самостоятельно составить программу выполняются следующие действия:

1. Запустить новую программу, назвать ее «Mag Zvuk.rbt» и нажать кнопку GO (Перейти)
2. Выберать блок Цикл и перенестие в рабочую область
3. В цепочке формирования программы (рис№3) внутрь цикла вставить блок Wait (Ожидать). В настройке Control (Управление) (рис №1 ) выберать датчики / датчик оборотов,  установить подключение датчика к порту  А .

Рис№1

4. После блока Wait (Ожидать) (рис№3) поместить в цепочку формирования программы блок Start Datalog (Начать регистрацию данных). Установить Duration (Продолжительность) 10 секунд. Установить  Rate (Частота) 5 замеров в секунду. Настроитье порт 4, соединенный с датчиком магнитного поля Vernier, на 6, 4 мТл и порт 3, соединенный с  датчиком звука NXT. (рис№2)

Рис.№2

5.  После блока  Начать регистрацию данных  в цепочку формирования программы поместите блок Закончить регистрацию данных.
6.  Далее программу необходимо загрузить  в микрокомпьютер робота. Для этого нажать кнопку Download ( загрузить) в NXT.

Примечание: Эта команда не запускает эксперимент, а только сохраняет программу в памяти блока NXT

7. После завершения загрузки отсоединить  блок NXT  от компьютера.

Рис№3

Теперь конструкция готова к удаленной регистрации данных о магнитном поле и уровне шума.

6. Нам необходимо заставить робота двигаться под дистанционным управлением.

1. Для того чтобы  производить дистанционное управление роботом Minstorms  NXT необходимо на планшетном компьютере установить ПО NXT Remote control (Приложение). Включить bluetooth на блоке NXT. Запустить программу NXT Remote control

Рис№4

Произвести поиск устройств и выбрать необходимое.

Рис№5

Робот готов к дистанционному управлению

7. Устанавливаем мобильный телефон на собранную конструкцию и запускаем видеокамеру.

3.2 Проведение эксперимента:

1. Поставьте робота NXT на пол. Теперь дистанционно управляя роботом необходимо удаленно произвести измерения магнитного поля и уровня шума в различных местах школы.
2. Чтобы произвести первое измерение достаточно запустить сервомотор А с планшетного компьютера. После этого производиться регистрация данных, которая длиться 10 с, после чего программа снова будет ожидать запуск сервомотора А.

В это время мы можем переместиться к следующему объекту и аналогично первому измерению зафиксировать уровня шума и индикации магнитного поля. Таким образом, можно выполнить удаленную регистрацию данных в нескольких местах.

3. Когда сбор данных завершится, загрузите показания магнитного поля и уровня шума в компьютер.

1. Снова подсоединить блок NXT к компьютеру (через USB или по bluetooth). Убедиться, что NXT включен.
2. Запустить программу NXT 2.0 Data Logging
3. В меню File (Файл) нажмите Open (Открыть).
4. Выделите NXT в окне Browse Devices (Загрузить устройства). Не торопитесь.  NXT может появиться с небольшой задержкой.
5. На экране появятся файлы с набором данных. Они будут отличаться друг от друга числовым расширением.
6. Обратите внимание, что набор данных сохраняется в таблице под названием датчика, используемого для сбора данных. Расширение добавляется автоматически.
7. Выберите файл для анализа .

4. Теперь необходимо проанализировать данные.

1. В окне Log Previw (Предварительный просмотр зарегистрированных данных) появиться график и все данные, зарегистрированные сенсорами, будут отображены в таблице.
2. Нажав кнопку Analysis Tools (Инструменты анализа), выберите Анализ точки или Анализ участка.

4. Результаты исследования

4.1 Описание полученных данных.

Мной было реализовано дистанционное управление роботом, видеосъемка с камеры мобильного телефона, закрепленного на конструкции. Также в процессе выполнения исследования были зафиксированы данные о состоянии магнитного поля и уровня шума дистанционным способом.

Нами были получены показания, зарегистрированные в следующих  помещениях школы:

1. Кабинет директора школы
2. Столовая
3. Рекреация (начальная школа)
4. Кабинет  (начальная школа)
5. Кабинет завуча
6. Спортивный зал
7. Кабинет 313(кабинет информатики)
8. Серверная
9. Информационный  центр
10. Кабинет 315 (кабинет информатики)

     Все данные были зафиксированы и сохранены роботом Minstorms  NXT в файлы. (Приложение №1)

2. Анализ результатов

После загрузки данных был проведен анализ построенных графиков и таблиц. (Приложение №)

В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» сказано следующее: "Предельно допустимый уровень ослабления геомагнитного поля в помещениях жилых зданий устанавливается равным 1,5". Также установлены предельно допустимые значения интенсивности и напряжённости магнитного поля частотой 50 Гц:

в жилых помещениях — 5 мкТл или 4 А/м;

в нежилых помещениях жилых зданий, на селитебной территории, в том числе на территории садовых участков — 10 мкТл или 8 А/м.Средне допустимым является уровень шума в 40 дБ.

На основании показаний были найдены средние показатели уровня шума (Дб) и индукции магнитного поля (мкТл) и зафиксированы в следующей таблице

Таблица№1 «Средние показатели уровня шума и магнитного поля»

Диаграмма №1

Диаграмма №2

5. Выводы:

Во время выполнения проекта все поставленные цели  и задачи были реализованы. Мной произведено дистанционное управление роботом Minstorms  NXT при помощи планшетного компьютера. Роботом зафиксировано видео производимых замеров.  А также  реализован принцип удаленной регистрации данных, фиксируемых датчиками, сопряженными с роботом Minstorms  NXT.

Мои измерения показали, что магнитные поля в различных помещениях не  превышают предельно допустимых значений. Показания уровня шума также находятся в переделах нормы, кроме уровня во время перемены (кратковременное действие). Уровень шума в серверной немного выше нормы, но работа в данном помещении ведется периодически и кратковременно.

Так или иначе, мы подвергаемся воздействию магнитных полей и шумовых загрязнений. Что в свою очередь может негативно сказаться на самочувствии, работоспособности и здоровье в целом. Основная опасность от магнитного поля заключается в том, что оно является переменным, а, следовательно, индуцирует токи в организме человека. Поэтому следует проводить мероприятия по защите от наведенных бытовыми приборами электромагнитных полей. Основными мерами по защите от магнитных полей являются: применение экранов из металлической сетки и металлизированных стекол.

Рекомендации:

Я считаю, что необходимо проводить мероприятия по защите населения от шумов в различных ситуациях, по ослаблению факторов приводящих к снижению работоспособности и ухудшению здоровья.

Следует проводить мероприятия по защите от наведенных бытовыми приборами электромагнитных полей: применение экранов из металлической сетки и металлизированных стекол.

Дальнейшие задачи проекта:

1. Передача изображения по эфиру (дальность в пределах квартиры (Wi-Fi))
2. Управление роботом по эфиру
3. Питание (аккумулятор с зарядным устройством)

6. Приложения.

Приложение №.2

7. Список литературы, ссылки на первоисточники.

1. «Новые информационные технологии для образования». Институт ЮНЕСКО по информационным технологиям в образовании. Издательство « Москва». 2000 г.
2. Интернет ресурсы

1. http://lego.rkc-74.ru/
2. http://www.lego.com/education/
3. http://www.wroboto.org/
4. http://learning.9151394.ru
5. http://www.roboclub.ru/
6. http://robosport.ru/
7. http://www.prorobot.ru/
8. http://www.asahi-net.or.jp