Использование робототехники в преподавании информатики. Возможности использования робототехники в преподавании

1. 
   Возможности использования робототехники в преподавании.
   

Наш мир стремительно меняется под натиском визуальных средств и информационных технологий. Сначала бумом были развитие Интернета и программного обеспечения, а сейчас это развитие робототехники.

Мир давно знает Симура Пейперта – создателя языка программирования LOGO. Благодаря ему и его «Черепашке» современный мир шагнул далеко вперед.

Изначально компьютерная «Черепашка» представляла собой некий треугольник, который возникает и движется в соответствии с командами, вводимыми с клавиатуры. Сперва ученик дает черепашке простые команды, наподобие ВПЕРЕД 100, что означает “передвинуться вперед на 100 шагов”, или ВЛЕВО 60, т.е. “сделать поворот влево на 60 градусов”. Такие команды можно использовать для составления небольших программ или процедур, формирующих геометрические фигуры — окружности, квадраты, треугольники, и эти процедуры, в свою очередь, можно объединять в более сложные процедуры и фигуры.

Подобно тому, как двигается «Черепашка» на экране можно создать объект, который будет передвигаться в реальном времени. В настоящее время этим объектом становится робототехника.

Использование роботов в учебном процессе, как в школе, так и в ВУЗе дает положительные результаты, давая ученику наглядно понять, чему он научился, а преподавателю предоставляя возможность показать ученикам и студентам, как на практике применяется программирование, физика и математика. Давая, определенные команды на компьютере, робот выполняет их на практике. Имея широкий доступ и поддержку учителя, учащиеся смогут лучше овладеть трудными для понимания понятиями и развить интерес к программированию и учебе. Объясняя устройство и работу робота можно наглядно показать, как протекают процессы обработки информации и преобразования сигналов, которые в последствии приводят механизмы в движение. Причём стоит отметить, что по такому же принципу работают механизмы дисководов, принтера, сканера и других периферийных устройств.

Нами рассматривались темы связанные с преподаванием информатики, что не исключает эффективного использования роботов при преподавании других предметов в первую очередь физики и математики.

2. 
   Конструкция робота.
   

С помощью языка программирования Turbo Pascal написана программа, которая подает необходимые сигналы LPT порту, далее по кабелю данные сигналы приходят на плату робота, где происходит их обработка с помощью соответствующих микросхем и подача напряжения на катушки шаговых двигателей. Таким образом, робот может передвигаться по командам, которые задает оператор.

Увеличить количество параллельных портов просто и недорого, можно установить четыре параллельных порта с логическими именами от LPT1 до LPT4. Как уже было сказано, параллельный порт применяется для подключения принтеров, однако он может использоваться и для других приложений, связанных с сопряжением компьютера с внешними устройствами. Периферийные устройства, созданные для этого порта, легко подключаются к IBM PC-совместимому компьютеру. Принципиальные схемы отличаются мобильностью и могут применяться для решения проблем сопряжения с любым оборудованием, которое оснащено LPT портом. Поскольку LPT порт имеет 8 бит выходных данных, этого достаточно на два шаговых мотора, оставив проблематичным расширение системы (добавление моторов и расширение возможностей системы). Для работы нашего робота были взяты последовательные сигналы, которые в свою очередь с помощью микросхем 74LS164 и 74LS374 преобразуются в параллельные и подаются на управляющую интегральную микросхему ULN2803A.

Последовательно-параллельные регистры сдвига дают возможность при наличии всего двух входных линий получить неограниченное количество выходных. На (рис. 2.3) изображена схема на основе ИС 74LS164, предназначенная для получения восьми выходных линий. ИС 74LS164 имеет два входа с последовательной загрузкой, контакты 1 и 2 (А и В) и восемь выходных регистров сдвига (Qa – Qh). Данные на входах А и В по положительному фронту входного тактирующего сигнала сдвигается в ячейку Qa, затем перемещается в Qb, Qc и т.д. После восьми тактовых импульсов на выходах регистра присутствует 8 бит данных, причем первый записан в ячейку Qh. При подаче на контакт 9 (CLEAR) сигнала низкого уровня на всех восьми выходах появляется ноль. Максимальная частота тактового сигнала 25 МГц. Для получения большего количества выходов можно последовательно объединить несколько таких микросхем.

Последовательно-параллельное преобразование имеет два недостатка. Во-первых, компьютеры Pentium генерируют тактовый сигнал частотой 0,1-1 МГц. Период загрузки восьми бит можно вычислить. Таким образом, чем больше выходов в схеме, тем меньше скорость передачи данных; это не критично для низко- и среднескоростных приложений сопряжений. Но как показала практика, для нашего робота скорость отработки команд оказалась ограничена скоростью шагового двигателя.

Во-вторых, во время загрузки данных содержимое регистров сдвига изменяется случайным образом. Для решения этой проблемы применяются триггеры-защелки, в частности 74LS374 (рис. 2.3).

Для управления шаговыми двигателями (рис. 2.4) существуют различные алгоритмы, которые отличаются друг от друга последовательностями возбуждения обмоток. Всего существует три шаговые последовательности: волновая, полушаговая и шаговая. Волновая последовательность возбуждения – самый простой способ управления шаговыми двигателями: обмотки возбуждаются одна задругой. При этом двигатель начинает вращаться в сторону противоположную порядку возбуждения обмоток. Так как в одно время возбуждается только одна обмотка, вращающий момент двигателя небольшой. Для его увеличения используется шаговая последовательность, которая аналогична предыдущей, но здесь одновременно возбуждается две обмотки, благодаря чему увеличивается вращающий момент двигателя. Порядок подачи напряжения на обмотки двигателя приведен на рис. 2.5.

3. 
   Программное обеспечение.
   

Как уже было сказано, каждый двигатель имеет 4 катушки, которые в программе описаны с помощью двумерного массива М1 и М2 (первый и второй мотор) размерности 4х4.

procedure Init1; {процедура инициализации первого двигателя}

begin

for i:=0 to 3 do {циклы перебора массива}

begin

M2[i,j]:=0;

end;

M1[0,0]:=1; M1[0,1]:=1; {задание шаговой последовательности}

M1[2,2]:=1; M1[2,3]:=1;

M1[3,3]:=1; M1[3,0]:=1;

for i:=0 to 3 do {цикл ступора}

begin

M2[i,0]:=1; M2[i,1]:=1; {ступор 2-го двигателя}

end;
Процедура инициализации первого двигателя приводит его в готовность к работе и к ступору второго двигателя (двигатель не вращается).

В настоящее время работа ведется по двум направлениям:

1. Идет разработка псевдоязыка для управления роботом, который будет представлять собой модуль, скомпилированный на Turbo Pascal, в котором будут описаны функции для более простого управления и использования программы и заложены более сложные варианты траектории движения, такие как движения по заданной кривой.

2. Решается аналогичная задача, только в среде программирования Delphi. С целью создания более дружественного интерфейса.

1. 
   Тимотин А.М., Кузьмина О.С. Вклад Смура Пейперта в образование // Сб. XIII Кирилло-Мефодиевские чтения – Смоленск 2007.
   
2. 
   Пей Ан Сопряжение ПК с внешними устройствами / Пер. с англ. Мерещука П.В. – 2-е изд., стер. – М.: ДМК Пресс; СПБ, Питер, 2004.