Prvý robot

Dnes si postavíme a naprogramujeme našeho prvého LEGO robota! Bude mať dva motory aby sa vedel pohybovať a EV3-kocku (EV3 brick), ktorá je takým mozgom celého robota, bude riadiť motory, ktoré pripojíme do nej káblami. Káble by sme mohli prirovnať k nervom a žilám v človeku. EV3-kocka je zároveň aj srdcom -- v zadnej časti obsahuje batérie, bez ktorých by mozog ani nohy (motory) nemohli fungovať. Návod ako robota postaviť nájdete tu.

robot

Príprava EV3-kocky

Programy budeme stále písať na počítači a potom ich cez USB kábel nahráme do kocky. Aby EV3-kocka vedela spustiť Python, musíme jej trochu pomôcť. Na micro SD kartu nahráme špeciálny operačný systém ev3dev. Keď bude SD karta v EV3-kocke a zapneme ju, spustí sa ev3dev. Ak sa chceme dostať do pôvodného režimu, jednoducho vypneme kocku, vytiahneme SD kartu a znovu spustíme robota.

Tip

Návod na prípravu SD karty nájdete na stránkach ev3dev, kroky 1, 2 a 4.

Príprava počítaču

Keďže EV3-kocka je omnoho jednoduchšie zariadenie než bežný počítač, nebudeme na nej spúšťať skutočný Python, ale jeho jednoduchšiu verziu: MicroPython špeciálne upravený pre LEGO, nazýva sa Pybricks. Tak budeme môcť z Pythonu spúšťať LEGO motory, vykreslovať obrázky na displeji, či načítavať dáta z rôznych senzorov. Aby sme tieto programy vedeli spustiť na EV3-kocke, potrebujeme vykonať ešte niekoľko vecí:

Nainštalovať si Visual Studio Code
Spustiť ho
Otvoriť extension tab
Vyhľadať rozšírenie EV3 MicroPython a nainštalovať ho

Tak a máme všetko pripravené :)

Vpred!

Teraz si napíšeme prvý jednoduchý program, ktorý pohne robota o kúsok vpred.

Vo Visual Studio Code si vytvoríme nový projekt.
Zadáme názov, napr. "2motors", a stlačíme Enter.
Otvorí sa nám prehliadač súborov. Tu zvolíme priečinok, kde chceme náš projekt mať uložený.
Dostaneme bezpečnostné upozornenie, či veríme autorom súborov vo zvolenom priečinku. Za predpokladu, že všetky budeme písať my, potvrdíme, že áno
Vo zvolenom priečinku sa nám vytvoril nový projektový priečinok s názvom aký sme zvolili v kroku 2 ("2motors"). Ten obsahuje súbor main.py s kódom, ktorý sa bude na robotovi spúšťať.

Vymažme počiatočný vygenerovaný kód v main.py a skopírujme doň tento:

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks.ev3devices import Motor
from pybricks.parameters import Port
from pybricks.tools import wait


left_motor = Motor( Port.B )
right_motor = Motor( Port.C )

left_motor.run( 360 )
right_motor.run( 360 )

wait( 2000 )

left_motor.stop()
right_motor.stop()

Vyzerá trochu inak ako tie, čo sme písali doteraz. Zatiaľ sa tým netrápme, onedlho si všetko rýchlo vysvetlíme.

Teraz zapneme EV3-kocku (s SD kartou s nahratým ev3dev), prípojíme ju USB káblom k počítaču a pripojíme sa ku nej z Visual Studio Code.
Zvolíme našu EV3-kocku.
Vľavo dole by sme mali vidieť najprv žltý krúžok (EV3-kocka sa pripája), potom zelený, indikujúci úspešné pripojenie. Ak je červený, spojenie zlyhalo. Klik pravým -> "Reconnect" pre nový pokus. Ak sa pripojiť nedarí a používate Ubuntu, môže pomôcť nastaviť "IPv4 Method" na "Shared to other computers" vrámci nastavení siete "USB Ethernet".
Teraz nahráme program do EV3-kocky pomocou tlačidla vpravo od "EV3DEV DEVICE BROWSER" (vľavo dole).
Aby sme program spustili, musíme ho nájsť an EV3-kocke. Zvolíme (stredným tlačidlom) File Browser -> 2motors -> main.py.
Po spustení sa motory na 2 sekundy rozbehnú a potom zastavia. To je všetko, čo náš program teraz robí. Celý tento postup nahrania kódu do EV3-kocky a spustenie ho sa dá spraviť naraz pomocou klávesu F5, skúste si to.

Vysvetlenie kódu

Prejdime si teraz náš program postupne, riadok po riadku:

1	`#!/usr/bin/env pybricks-micropython`

Toto je špeciálny riadok, ktorý hovorí, ako (akým interpretrom) spustiť napísaný kód. Nechceme ho spustiť ako klasický Python, ktorý sme používali doteraz. Tento riadok tiež budeme písať v každom našom ďalšom programe pre robota. Vždy musí byť hneď na začiatku súboru.

from pybricks.ev3devices import Motor
from pybricks.parameters import Port
from pybricks.tools import wait

Zatiaľ sme používali len bežné funkcie Pythonu, napr. sme ho používali ako jednoduchú kalkulačku, používali sme print či list. Ale existuje veľmi veľa rôznych funkcií, ktoré sa v Pythone dajú využiť. Aby v nich bol aspoň trochu poriadok, delia sa na balíčky (package) a moduly (module). Väčšinu z nich je treba doinštalovať, my si vystačíme s tými, ktoré sú vstavané v Pybricks. Balíček pybricks obsahuje všetko potrebné na riadenie EV3-kocky, motorov, komunikáciu so senzormi. Tento balíček obsahuje niekoľko modulov. Napr. ev3devides, parameters, tools. No a tieto moduly zase obsahujú funkcie a triedy (o triedach si povieme niečo viac o chvíľu) -- ak ich chceme v našom kóde využiť, musíme si ich naimportovať: from package.module import function. A to presne sa deje na týchto 4 riadkoch. Naimportujeme si triedy Motor, Port a funkciu wait, ktoré budeme ďalej používať. Bez tohto import by sme dostali chybovú hlášku ak by sme sa ich pokúsili použiť.

left_motor = Motor( Port.B )
right_motor = Motor( Port.C )

Ty sme využili naimportovanú triedu (class) Motor. Trieda slúži ako továreň na objekty (object). Takýto objekt v počítači často reprezentuje nejaký objekt v reálnom svete. Teraz je to jednoduché. Motor vytvorí v pamäti EV3 objekt, pomocou ktorého budeme ovládať skutočný motor pripojený káblom na EV3-kocku. Aby sa nám tento objekt v pamäti nestratil, pomenujeme si ho. Ale náš robot má dva motory, jeden pripojený k portu B, druhý k portu C. Musíme továrni povedať: "Teraz mi vyrob motor (objekt triedy Motor), ktorý je pripojený na porte B. Teraz zase chcem motor pripojený na C-čko." Podobne ako sme dávali argumenty do funkcií (napr. "ahoj" je argumentom v print( "ahoj" )), argumenty dávame aj keď vytvárame objekty pomocou tried. Port.B je spôsob ako povedať, že motor je pripojený k portu B.

Takže po vykonaní týchto dvoch riadkov, v pamäti EV3 sú dva motory, jeden pomenovaný left_motor, pripojený na port B, a druhý, right_motor, pripojený na port C.

Poznámka k triedam

Ak si pamätáte, slovíčko "class" sme už niekde videli.

>>> type( "hello" )
<class 'str'>
>>> type( 1 )
<class 'int'>
>>> type( [ 1, 2, 3] )
<class 'list'>

Vlastne všetko je v Pythone objekt. "hello" povie továrni triedy str aby vytvorila objekt -- text "hello". 1 vytvorí tiež objekt -- číslo 1. A rovnako pre list aj, v podstate, všetko ostatné :)

left_motor.run( 360 )
right_motor.run( 360 )

Keď chceme k vytvoreným objektom pristupovať, použijeme bodku .. Ako sme zvykli zavolať funkciu (print( "hello" )), tak zavoláme aj funkciu priradenú k objektu, tzv. metódu (method): objekt.metóda(argumenty). Funkcia print jednoducho vypíše daný text na obrazovku. Ale run potrebuje vedieť, aký motor má spustiť, preto je priradená k objektu, a teda nie je len funkciou, ale metódou.

Parameter metódy run je rýchlosť, akou motor bude spustený, v stupňoch za sekundu. Keďže kruh má 360 stupňov, je to rýchlosť 1 RPM (rotates per minute), 1 otočenie kolesa za sekundu. Ak by sme použili zápornú hodnotu, motor by sa otáčal do druhej strany.

Tieto dva príkazy teda spustia oba motory rovnakou rýchlosťou. A budú bežať až pokým ich znovu nevypneme.

wait( 2000 )

Funkcia wait jednoducho zastaví vykonávanie programu na daný počet milisekúnd. Takže vykonávanie počká na tomto riadku 2 sekundy (1 sekunda má 1000 milisekúnd). Počas tejto doby sa nič nové nedeje, motory sú stále zapnuté.

left_motor.stop()
right_motor.stop()

Po ubehnutí 2 sekúnd oba motory vypneme metódou stop, ktorá neberie žiadne argumenty. Takže kolesá by sa mali otočiť (približne) o dve celé otáčky -- skontrolujte to :)

Úloha

Vyskúšajte si program rôzne upravovať.

Vyskúšajte ako rýchlo dokáže robot ísť.
Naprogramujte ho tak, aby šiel dozadu, nie dopredu.
Čo sa stane, ak spustíte len jeden motor, zatiaľ čo druhý bude stáť?
Ako otočiť robota na mieste?
Zamyslite sa, akú rýchlosť treba nastaviť motorom, aby sa robot pohyboval do kruhu.

Príklad

Teraz si ukážeme zaujímavejší pohyb -- do špirály. Začneme v strede a postupne budeme robiť akoby väčší a väčší kruh. Už vieme, že na pohyb do kruhu je potrebné jednému motoru udeliť väčšiu rýchlosť než druhému. A čím je tento rozdiel rýchlostí menší, tým je kruh väčší. Až pokým nebude rozdiel nulový, vtedy pôjde robot rovno.

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks.ev3devices import Motor
from pybricks.parameters import Port
from pybricks.tools import wait


left_motor = Motor( Port.B )
right_motor = Motor( Port.C )

left_motor.run( 360 )

for right_speed in range( 1000, 359, -1 ):
    right_motor.run( right_speed )
    wait( 20 )

wait( 1000 )

left_motor.stop()
right_motor.stop()

Na postupné znižovanie rýchlosti motoru C sme použili nám už známu konštrukciu for ... in range(...). range generuje čísla od prvého vrátane, po posledné, ale zastaví sa jeden krok pred ním, preto sme použili 359, aby na konci bola rýchlosť o jedna väčšia, teda 360, a robot šiel rovno.

Na dnes toho bolo už dosť, nabudúce si ukážeme jeden spôsob ako púšťať motory o niečo presnejšie, a tiež použijeme prvý krát senzor! Bude to tlačidlový senzor, ktorým môžeme napr. odštartovať rôzne akcie robota alebo detekovať zrážku s iným predmetom.