Robótica con Lego Mindstorms - Departamento de Electrónica

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Robótica con Lego Mindstorms - Departamento de Electrónica
Robótica con Lego Mindstorms
Seminarios de Electrónica
Autor: Pedro F. Toledo
[email protected]
Índice
I. ¿Qué es la “Robótica”? ........................................................................................................................................................ 3
I.i.
Control Automático ...................................................................................................................................................... 3
1) Control a Lazo Abierto ............................................................................................................................................ 3
2) Control a Lazo Cerrado........................................................................................................................................... 3
II. Lego Mindstorms .................................................................................................................................................................. 4
II.i. Historia de los Lego Mindstorms ................................................................................................................................ 4
II.ii. RCX 1.0 ........................................................................................................................................................................ 4
1) Datos técnicos ......................................................................................................................................................... 4
2) Partes ....................................................................................................................................................................... 5
II.iii. Torre Infrarroja ............................................................................................................................................................. 5
II.iv. Como funciona un RCX............................................................................................................................................... 5
II.v. Como utilizar el sistema .............................................................................................................................................. 6
II.vi. Como escribir un programa......................................................................................................................................... 6
III. Utilizando el RIS 2.0............................................................................................................................................................. 6
III.i. Entorno de Programación .........................................................................................................................................10
1) Menú de Programación......................................................................................................................................... 10
2) Menú del RCX ....................................................................................................................................................... 14
3) Menú Principal....................................................................................................................................................... 14
4) Escritorio de Programación .................................................................................................................................. 15
III.ii. Configuración de sensores .......................................................................................................................................16
1) Configuración de Sensor de Tacto ...................................................................................................................... 16
2) Configuración del Sensor de Luminosidad ......................................................................................................... 17
Lista de Imágenes
Imagen 1: Partes del RCX ......................................................................................................................................................... 5
Imagen 2: Torre infrarroja USB ................................................................................................................................................. 5
Imagen 3: Icono del RIS 2.0 ...................................................................................................................................................... 6
Imagen 4: Launcher del RIS 2.0................................................................................................................................................ 7
Imagen 5: Ventana de selección de usuario ............................................................................................................................ 7
Imagen 6: Menú Principal del RIS............................................................................................................................................. 8
Imagen 7: Habilitación de la programación libre...................................................................................................................... 8
Imagen 8: Selección del modo de programación..................................................................................................................... 9
Imagen 9: Entorno de programación del RIS........................................................................................................................... 9
Imagen 10: Menú de programación ........................................................................................................................................10
Imagen 11: “Big Blocks”...........................................................................................................................................................11
Imagen 12: “Small Blocks”.......................................................................................................................................................11
Imagen 13: “My Blocks” ...........................................................................................................................................................12
Imagen 14: “Wait” .....................................................................................................................................................................12
Imagen 15: Bloques “Repeat”..................................................................................................................................................13
Imagen 16: Bloques “Yes or No”.............................................................................................................................................13
Imagen 17: Bloques “Sensors” y bloques “Sensors” colocados en interrupción.................................................................14
Imagen 18: Menú del RCX ......................................................................................................................................................14
Imagen 19: Menú Principal ......................................................................................................................................................14
Imagen 20: Ejemplo de programación....................................................................................................................................15
Imagen 21: Selección del tipo de sensor................................................................................................................................16
Imagen 22: Selección del lugar de conexión..........................................................................................................................16
Imagen 23: Selección del evento “Touch”..............................................................................................................................17
Imagen 24: Ventana resumen .................................................................................................................................................17
Imagen 25: Selección del evento de luminosidad .................................................................................................................18
Imagen 26: Selección del modo de discriminación................................................................................................................18
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I. ¿Qué es la “Robótica”?
La primera fuente de información al buscar esta respuesta es simplemente consultar un diccionario:
Robótica. 1. f.: Técnica que aplica la informática al diseño y empleo de aparatos
que, en sustitución de personas, realizan operaciones o trabajos, por lo general en
instalaciones industriales.
Esta definición satisface plenamente lo que se considera por robótica y nos permite identificar
claramente los aspectos más importantes de este concepto:
• La robótica es una “Técnica”
• Requiere “Informática”
• Requiere “Empleo de Aparatos”
• Es para realizar “Operaciones”
Finalmente, en una explicación menos sintáctica, podemos decir que la robótica es un con junto de
procedimientos y recursos que mediante la utilización de computadores y otros dispositivos permite
desarrollar comportamientos automáticos para realizar trabajos.
El hecho de que sea para realizar trabajos nos lleva a la necesidad de saber que trabajo se quiere
realizar. Simultáneamente, todo trabajo tiene un procedimiento, una manera de realizarse, un “Algoritmo”.
En resumen requiere de un “Control” que por el concepto de robótica debe ser “Automático” de la
situación y este ya no es un tema tan simple.
I.i. Control Automático
El “Control Automático” es la regulación de una situación sin intervención de alguien más, obviamente
intervención directa, ya que alguien debe haber creado este sistema de regulación.
Aunque no será necesario profundizar mucho más en este punto, cabe destacar que existen dos tipos
de control:
1)
Control a Lazo Abierto
2)
Control a Lazo Cerrado
En control automático, un control de “Lazo Abierto” es aquel tipo de control donde el encargado de
ejecutar la acción de control, realiza una serie de acciones para ejecutar la acción de control requerida
sin analizar las reacciones efectivas de las acciones que ejecuta. De manera simple, es un control que
hace las cosas sin saber si en realidad las está haciendo bien.
Este tipo de control parece, y en realidad es, bastante poco efectivo, pero hay situaciones en las que
no es particularmente necesario que el control sepa como está haciendo las cosas, por ejemplo el
simple hecho de encender un motor, ya que en caso de problemas alguien mas se encargará de
resolverlo, en el caso del motor, un ejemplo es que simplemente no funcione, en ese caso nosotros
mismos seremos los encargados de ver por que no lo hace.
En control automático, un control de “Lazo Cerrado”, es aquel tipo de control donde el sistema
controlador se “Informa” de los resultados de las acciones que ha tomado para poder realizar un
control realmente eficiente, por lo que en base a estos datos, determina sus siguientes acciones para
seguir con la tarea de control que se le ha programado. Este tipo de control es mucho mas eficiente
que el control anterior, pero al mismo tiempo requiere una mayor cantidad de dispositivos para
realizarlo.
Un ejemplo simple es cuando queremos ajustar el volumen de la música de una radio, nuestra
“Función de control” es girar la perilla encargada de ajustar el volumen hacia la derecha, si queremos
mayor potencia, o hacia la izquierda, si queremos disminuirla. Ahí, estamos adquiriendo
constantemente información sobre el volumen actual, y respecto a eso decidimos si la perilla debe ser
girada hacia la derecha o hacia la izquierda.
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Finalmente podemos notar que analizaremos cada desafío que se nos plantee como un problema de
control. Como la manera de controlar situaciones reales de manera eficiente y correcta es a través de un
sistema de “Lazo Cerrado”, será necesario que dispongamos de sensores que informen a la unidad de
proceso de las condiciones reales de la situación, para que esta unidad active de manera correcta los
actuadores que son los que realizan las tareas físicas y visibles del control.
II. Lego Mindstorms
Cuando hablamos de robótica con lego mindstorms hablamos de diseñar, construir y programar robots
con la línea de productos lego mindstorms.
La particularidad de este sistema de desarrollo de robótica es que el diseñador no se debe preocupar
mayormente de la parte mecánica del robot ya que el kit trae una cantidad importante de diversas piezas
que se encargan de ese problema, por lo que se puede destinar una mayor cantidad de tiempo a
programarlo.
En los siguientes puntos revisaremos información relativa a esta línea de productos.
II.i.
Historia de los Lego Mindstorms
En 1998 “LEGO Company” lanzó un nuevo producto llamado “LEGO Mindstorms Robotics Invention
Kit“. Tenía 717 piezas e incluía motores, sensores y un “Ladrillo RCX” que con un microprocesador
incorporado permitía el control de piezas, como motores, que ya estaban disponibles desde antes en la
línea “Lego Technic”. Así, con un software y conectividad adecuada se pudo pasar de juguetes al
desarrollo de robots, que aunque no permitían grandes proezas otorgan una plataforma sólida para la
enseñanza de lenguajes de programación y cursos introductorios al tema de la robótica. Obviamente
también jugar.
Tiempo después de este primer lanzamiento se comenzó a comercializar una segunda versión del
RCX llamada RCX2.0, y aunque esta versión es muy similar a la anterior, tiene menos limitaciones para
los programas que se pueden cargar en el.
Actualmente se espera el lanzamiento de una nueva versión de RCX llamada NXT, lanzamiento
programado para Agosto del 2006.
II.ii.
RCX 1.0
1)
Datos técnicos
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Procesador
SRam, en Chip
SRam, externa
Salidas
Entradas
Display
Sonido
Timers
Baterías
Transformador
Comunicación
8bit Hitachi H8/3292, 16MHz
16Kb
512b
3 puertos, 9V 500mA
3 puertos
1 LCD
1 Twitter
4 Timers de Sistema (8b)
6x AA
9-12V
Puerto IR (Transmisor - Receptor)
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2)
Partes
Emisor-Receptor IR
Opciones de Display
Encendido
Conector para Sensores
Selector de Programa
Correr Programa
Conector para Motores
Display
Conector para Transformador
Imagen 1: Partes del RCX
II.iii.
Torre Infrarroja
Existen 2 modelos de torres infrarrojas disponibles para el RCX, la única diferencia que presentan es el
conector.
Para este curso se utilizará la torre con conector USB:
Imagen 2: Torre infrarroja USB
II.iv.
Como funciona un RCX
Un RCX es igual que un computador de escritorio. A nuestro computador le podemos agregar
impresoras, conectarlo a Internet, cámaras Web, etc. Pero primero debemos configurarlo para que
funcione, y esto reconfigura sobre un sistema operativo, sin el cual nuestro computador funcionaría pero
no presentaría ninguna utilidad.
En un RCX, el sistema operativo es un programa llamado “FIRMWARE”, el cual debe ser cargado una
sola vez antes que se comience a desarrollar, ya que sin el, el RCX no “Sabría” que significan los
programas que le estamos enviando.
Este programa consume una gran cantidad de los recursos de memoria disponibles en el RCX, por lo
mismo se requiere un tiempo no despreciable para cargarlo.
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II.v.
Como utilizar el sistema
Es sistema de desarrollo es simple y se puede ver de la siguiente manera:
1. Se identifica el problema a resolver
2. Se desarrolla el procedimiento de solución
3. Se escribe un programa para “Implementar” la solución
4. Se descarga el programa al RCX
5. Se prueba la solución
6. Se evalúa la solución, si el resultado es satisfactorio se ha terminado, si no se vuelve al
punto 2. Si después de muchos intentos se sigue llegando a este punto hay que considerar
que quizá se haya cometido algún error en el punto 1.
II.vi.
Como escribir un programa
Esta es la parte más importante de esta actividad, ya que la mayoría de los puntos anteriores se
pueden desarrollar fácilmente.
“Escribir un programa” viene de la forma habitual de desarrollar aplicaciones, esto es escribiendo un
documento en un lenguaje que el computador puede entender para así poder “Ejecutarlo” es decir que el
computador realice las acciones indicadas en aquel documento. Se considera que este tipo de
programación es de más bajo nivel que el que utilizaremos ya que trabaja más directamente con la parte
electrónica de nuestro robot.
Es sistema que se utilizará para “Escribir programas” durante este curso es un sistema de
programación gráfico, es decir, veremos “Gráficamente” o “En dibujos” lo que estamos programando, esto
aunque debería recibir para mayor exactitud el nombre de “Dibujar un programa” mantiene el nombre
anterior ya que hereda de la programación de bajo nivel.
Finalmente, el programa con el cual aprenderemos a programar robots será el “Robotics Invention
System 2.0” (RIS 2.0). Este programa fue desarrollado por lego para poder controlar fácil y rápidamente
los robots armados con el sistema “Lego Mindstorms”.
III. Utilizando el RIS 2.0
Para comenzar a utilizar este programa lo primero que se hará es abrirlo, esto se hace con el icono:
Imagen 3: Icono del RIS 2.0
Con lo que aparecerá la siguiente pantalla:
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Imagen 4: Launcher del RIS 2.0
Al hacer clic en Run y luego de una introducción se pasa a la siguiente pantalla
Imagen 5: Ventana de selección de usuario
En esta pantalla se debe poner el nombre del usuario, esto es porque internamente el programa tiene
la posibilidad de tutoriales que deben ser superados por los usuarios, este nombre permite almacenar los
datos de cuales son los tutoriales ya hechos.
Luego de escribir nuestro nombre hacemos clic en “Enter” se presentará un video sobre el sistema
“Lego Mindstorms”, y luego se tendrá la siguiente pantalla:
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Imagen 6: Menú Principal del RIS
Para comenzar a programar debemos hacer clic en “Program”, con lo que aparecerá la siguiente
ventana:
Imagen 7: Habilitación de la programación libre
Se debe seleccionar la casilla y luego hacer clic en “Ok”. Esto habilitará que podamos programar sin
necesidad de haber terminado los tutoriales. Por lo que después volvemos a hacer clic en “Program” con
lo que pasaremos a la siguiente pantalla:
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Imagen 8: Selección del modo de programación
Aquí podemos elegir entre seleccionar un robot para armar y programar, simplemente programar o
revisar programas ya hechos. Seleccionaremos simplemente programar, que corresponde al botón
Freestyle. Luego de hacer clic pasaremos a la siguiente pantalla:
Imagen 9: Entorno de programación del RIS
Este será, para nosotros, lo que los programadores llaman “Entorno de Programación”.
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III.i.
Entorno de Programación
En la imagen anterior se pueden notar 4 partes importantes, al lado izquierdo se encuentra el “Menú de
Programación”, al lado de el, en la parte superior, el “Menú del RCX” y al lado derecho de este el “Menú
Principal”. Finalmente, todo el resto podemos llamarlo “Escritorio de Programación”.
1)
Menú de Programación
Como se puede ver en la siguiente figura, este menú se ha dividido por zonas para poder explicar el
contenido particular de cada una de sus secciones:
a)
b)
c)
e)
d)
f)
g)
h)
i)
j)
Imagen 10: Menú de programación
a) Big Blocks
Como el sistema “Lego Mindstorms” (LM) esta preparado para que niños desde apenas 6 años ya
puedan utilizarlo, por ello incluye un manual llamado constructopedia1 con una serie de robots tipo. Estos
robots, como todos, se deben hacer funcionar con secuencias de comandos para que se muestren sus
funciones. Como esto es muy complicado para niños de esas edades, se entrega una lista de robots tipo
que se pueden encontrar en las constructopedias, y con cada uno de ellos se encuentra la lista de
funciones tipo que puede realizar ese robot.
Dependiendo de la versión del kit adquirido se obtendrán deferentes constructopedias, aún así,
prácticamente todos los robots que aparecen en el RIS 2.0 están con manuales de armado en el mismo
software.
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Imagen 11: “Big Blocks”
No indagaremos mayormente en el tema ya que debido a las particularidades de cada modelo se
encuentran bloques específicos para cada situación, lo que es poco útil al momento de enseñar a
programar ya que todo el trabajo está hecho.
b) Small Blocks
Así como los "Big Blocks" están desarrollados en base a instrucciones mas simples, estas
instrucciones mas simples deben poder encontrarse en alguna parte, y este es el lugar:
Imagen 12: “Small Blocks”
•
•
•
•
•
•
Todas estas sentencias simples se encuentran agrupadas según su utilidad:
Power: Controla los recursos relativos a los motores
Sound: Controla los recursos relativos a los sonidos, tanto de tonos aislados como de secuencias de
sonidos preestablecidas
Comm: En esta división están los recursos relativos a la comunicación. Como el RCX se puede
comunicar, tanto transmitiendo como recibiendo, con una torre infrarroja, se pueden utilizar estas
mismas propiedades para poder para comunicarse con otros RCX.
Variable: Aunque este tema no se tratará en este curso, este sistema de programación permite tener
variables, esto significa que existen “Nombres” que poseen valores numéricos que podemos utilizar
y modificar. Esto sirve por ejemplo para saber cuantas veces se ha repetido una parte de un
programa o cualquier cosa que queramos guardar porque nos servirá en el futuro. En esta sección
se encuentran todos los bloques para poder trabajar con estas variables.
Reset: El sistema de programación del RIS permite la programación de dispositivos distintos del
RCX, algunos de estos requieren los bloques asociados a la agrupación Reset.
Advanced: En esta sección se encuentran bloques de programación avanzada respecto a temas
como prioridad de tareas, propiedades avanzadas generales de los motores, etc.
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c) My Blocks
En la sección a) se vio que el RIS trae bloques predeterminados con funciones para robots
prediseñados. Como estos consisten en tan solo un conjunto de "Small Blocks", My Blocks permite crear
bloques personalizados con las mismas características, esto es, permite agrupar un conjunto de "Small
Blocks" en tan solo uno, así reducimos considerablemente el espacio utilizado del escritorio.
Imagen 13: “My Blocks”
d) Wait
La mayoría de las situaciones requiere que el robot se mantenga haciendo algo durante una cierta
cantidad de tiempo, esto será hasta que suceda algo o que simplemente ocurra cuando transcurra una
cantidad de tiempo determinada.
Imagen 14: “Wait”
•
•
Como podemos ver, esta sección solo incluye 2 bloques:
Wait For: Permite determinar que cantidad de tiempo se esperará.
Wait Until: Permite determinar que evento determinará que se deje de esperar.
e) Repeat
Las funciones de repetición son una herramienta muy importante al momento de desarrollar programas
ya que nos evitan la molestia de tener que estar escribiendo una secuencia que se repite, en especial
cuando esa secuencia se repite una cantidad indeterminada de veces, en cuyo caso es prácticamente
imposible escribir esto por otro método.
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Imagen 15: Bloques “Repeat”
Como se puede ver existen cuatro maneras posibles de repetir una secuencia. La secuencia de
bloques simplemente debe ser colocada al interior de cada bloque de repetición en el sector donde dice
“Place Block Here”, dependiendo de cual sea el bloque de repetición que se haya elegido la acción se
repetirá de alguna de las siguientes maneras:
• Repeat For: Repite una cantidad determinada de veces.
• Repeat Forever: Repite hasta que el programa se detiene, de alguna manera, la secuencia
contenida. Por lo mismo anterior es inútil poner algún bloque bajo esta repetición, ya que esta nunca
se ejecutará.
• Repeat While: La secuencia se repetirá hasta que una situación determinada se deje de repetir.
• Repeat Until: La secuencia se repetirá hasta que suceda un evento determinado.
f) Yes or No
Una situación indispensable al determinar como se comportará algo es la toma de decisiones. En
programación esto se conoce como secuencia condicional, es decir, se ejecuta una secuencia si cierta
condición es verdadera, o se ejecuta otra si esta es falsa.
Imagen 16: Bloques “Yes or No”
Como se puede ver en el bloque que se obtiene al crear un “Yes or No”, es intuitivo que la secuencia
que se realizará en caso de que la condición sea verdadera será la que se coloque bajo “Yes” y la en
caso que no se cumpla será “No”. Es importante notar que la evaluación de la condición solo se realiza
cuando se ingresa al bloque y no mientras sus secuencias internas se ejecutan. Tampoco es necesario
que las secuencias internas tengan la misma cantidad de bloques.
g) Sensors
Cuando queremos que algo ocurra cuando un sensor detecta algo, no podemos estar poniendo
condiciones por cada uno de los bloques que vallamos a ejecutar bajo main, recordemos que los “Yes or
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No” solo se evalúan una vez a la entrada, por lo que sería útil poder interrumpir el programa en cualquier
punto y poder así ejecutar la secuencia que queramos. Esta función la cumplen las interrupciones por
sensores, que son los que se encuentran en esta sección.
Imagen 17: Bloques “Sensors” y bloques “Sensors” colocados en interrupción
Para pode crear una interrupción, simplemente arrastramos el tipo de sensor que queremos que cause
la interrupción y lo soltamos en el escritorio, esto creará bloques de sensor al lado de la secuencia
principal.
Debajo de la interrupción que se ha creado se debe colocar la secuencia de bloques que se quieren
realizar en caso de que se detecte la condición programada.
h) Movimiento del Escritorio
Cuando un programa se empieza a hacer más complejo, comienza a requerir una mayor cantidad de
espacio, es por eso que están estas flechas que permiten mover el escritorio y así poder ver el contenido
más fácilmente.
i) Zoom
Por la misma situación anterior, otra opción a la falta de espacio es hacer más pequeños los bloques, y
esto equivale a hacer un alejamiento del escritorio, mismo caso si se quiere revertir eso con un
acercamiento.
j) Basurero
Cuando queremos dejar de utilizar cierto bloque simplemente lo arrastramos hacia el basurero. En
realidad no es necesario arrastrarlo al basurero en si, basta con tirarlo sobre el menú de programación.
2)
Menú del RCX
Cuando queremos probar el funcionamiento de nuestro programa, este debe ser descargado al robot,
una ves ahí ya no es necesario el computador para que el programa funcione.
Imagen 18: Menú del RCX
El botón “Download” permite descargar el programa al RCX, el botón Run permite hacer que el
programa se active desde el computador y el botón “Stop” permite hacer que el programa se detenga
desde el computador. No es obligación utilizar estos botones para hacer correr el programa, ya que se
pueden usar directamente los botones del RCX.
3)
Menú Principal
Imagen 19: Menú Principal
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Este menú entrega las utilidades clásicas de todo programa en un sistema de ventanas, por lo que no
es necesario explicarlo mayormente. Los únicos datos de mayor importancia son:
• Para salir del programa: File/Exit
• Para volver al menú anterior (Imagen 8) se debe apretar el botón “Main Menú”
4)
Escritorio de Programación
Imagen 20: Ejemplo de programación
Para construir un programa los bloques simplemente se van poniendo en secuencias uno tras otros,
arrastrándolos desde el menú de programación hacia el escritorio. Los bloques se conectan solos por lo
que solo hay que ponerlos cerca y automáticamente se conectarán.
a) Zonas Blancas
En las zonas blancas se encuentran los botones de programación de las propiedades de cada bloque.
En caso de los bloques de sensores esto permite determinar la condición en la que se ejecutará la
interrupción. En el bloque amarillo (My Block) Permitirá cambiar el nombre. En el bloque rojo la condición
de fin de espera o el tiempo a esperar. En el bloque verde oscuro permitirá modificar las propiedades de
ese bloque en particular, ya que cada uno tiene propiedades diferentes no se puede hacer una
generalización. En el bloque naranjo se determina las condiciones de repetición, como “Repeat Forever”
no tiene condiciones de finalización este no tiene esta opción. Finalmente en el bloque verde claro es casi
lo mismo que el verde oscuro, pero esta ves determinará las propiedades particulares del “Small Block” al
que esta asociado el botón.
b) Zonas verdes
Para ahorrar espacio hay bloques que se pueden comprimir, es decir, se evita mostrar el contenido
interior y así ganar espacio. El caso de los “Small Blocks” y de los “Wait” no es necesario ya que estos no
se pueden comprimir más. Por el contrario, los “Big Blocks” son un conjunto de “Small Blocks”, por lo que
si apretamos el botón de la zona verde veremos el contenido de todos los Small Blocks” que lo
componen.
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III.ii.
Configuración de sensores
Independientemente de que estamos configurando, es decir, independientemente que sea un bloque
“Repeat” o “Wait” la configuración de los sensores siempre pasa por las mismas etapas dependiendo de
que tipo de sensor se esté utilizando.
1)
Configuración de Sensor de Tacto
Al comenzar esta configuración aparece la siguiente ventana:
Imagen 21: Selección del tipo de sensor
Como estamos configurando un sensor de tacto seleccionamos la primera opción. Luego:
Imagen 22: Selección del lugar de conexión
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Debemos informar al programa en que conector conectaremos nuestro sensor. Una vez seleccionado:
Imagen 23: Selección del evento “Touch”
Acá debemos elegir en que circunstancia se considerará, en este caso hemos seleccionado “Press”.
Finalmente:
Imagen 24: Ventana resumen
Esta ventana nos muestra la configuración final que hemos dado.
2)
Configuración del Sensor de Luminosidad
En la configuración de este sensor, la primera y segunda pantalla serán iguales, obviamente
tendremos que seleccionar sensor de luminosidad en la primera y en lugar correcto de conexión en la
segunda. Luego la tercera ventana presenta cambios:
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Imagen 25: Selección del evento de luminosidad
Acá se debe seleccionar el evento, como en este caso el sensor es de luminosidad, debemos
seleccionar entre si el sensor está detectando un color oscuro o claro. Luego:
Imagen 26: Selección del modo de discriminación
En este paso se debe seleccionar el modo de determinación de oscuro o claro, se recomienda el modo
“Automatic” pero aun así esta la posibilidad de determinar personalmente en que margen se considerará
oscuro o claro.
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