Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2016

393

Forschung und Lehre

LEGO Mindstorms EV3 hat Einzug in das Einführungsprojekt Mechatronik gefunden

Johannes Stier, Prof. Dr.-Ing. Michael BeitelschmidtTechnische Universität Dresden, Institut für Festkörpermechanik,

Professur für Dynamik und Mechanismentechnik, Dresden

KurzfassungSeit der Premiere im Jahr 2010 ist das Einführungsprojekt Mechatronik fester Bestandteildes Stundenplans im ersten Semester des Studienganges Mechatronik. Jedes Jahr werdendie Studienanfänger erneut vor die Aufgabe gestellt, autonome Roboter für die Lösung ver-schiedener Aufgaben zu entwickeln. Dabei bildet LEGO Mindstorms zusammen mit Lab-VIEW bzw. LabVIEW für LEGO Mindstorms die Basis des Projektes. Im Wintersemester2015/2016 konnten mit Mitteln des sächsischen Initiativprojektes T-RoX statt der bisherverwendeten LEGO-Mindstorms-NXT-Kästen, Kästen der neuen Generation EV3 eingesetztwerden. Mit diesem Wechsel geht gleichzeitig eine Überarbeitung des bisher eingesetztenLabVIEW-Tutoriums einher. Der Fokus der Überarbeitung lag dabei insbesondere auf derFragestellung, wie das Konzept der grafischen Programmierung gemeinsam mit den allge-meinen Programmiergrundlagen in möglichst kurzer Zeit vermittelt werden kann. Die dabeigesammelten Erfahrungen sowie die Erfahrungen im Einsatz von LabVIEW und der LEGO-Mindstorms-Generation EV3 sind Gegenstand dieses Beitrages.

AbstractSince its premiere in 2010, the freshmen’s project mechatronics is an integral part of thecurriculum in the first half of the course mechatronics. Each year, the students are chal-lenged to develop mobile autonomous robots for solving different jobs. The project is basedon LEGO Mindstorms in combination with LabVIEW and the Mindstorms Robotics toolkit.In winter term 2015/2016, the previously used LEGO Mindstorms NXT sets could bereplaced by sets of the new generation LEGO Mindstorms EV3 by use of the funds from theSaxon project T-RoX. A revision of the LabVIEW tutorial used so far went along with thischange. The need for a revision was taken as a chance to edit the LabVIEW tutorial funda-mentally. In particular, the review was focused on how the concept of graphical program-ming and the programming basics can be imparted in the shortest time possible. Experiencegained with the tutorial and in the use of LabVIEW and LEGO Mindstorms EV3 are subjectof this article.

EinleitungNach mittlerweile sechs Durchgängen seit der Premiere im Wintersemester 2010/2011, istdas Einführungsprojekt Mechatronik an der TU Dresden ein etablierter Bestandteil desStundenplans im ersten Semester Mechatronik [1, 2]. In jedem Wintersemester werden dieetwa 80 Studierenden der Mechatronik nach nur sechs Vorlesungswochen herausgefordert,mobile, autonome Roboter zur Lösung verschiedener Aufgaben zu entwickeln. Zur Steige-rung der Motivation findet am Ende des einwöchigen Projekts ein Wettbewerb statt, in dem

Johannes Stier, Michael Beitelschmidt

394

Fors

chun

g un

d Le

hre

die Studierenden mit ihren Robotern gegeneinander antreten. Als Basis der Roboterent-wicklung dienen LEGO Mindstorms und LabVIEW, deren gemeinsamer Einsatz sich als sehrgut geeignet erwiesen hat (Bild 1).

Bild 1: Die Studierenden während der LabVIEW-Einführung

Die Studierenden arbeiten in Gruppen von drei bis vier Personen an jeweils einem Roboterund an der Lösung einer Aufgabe. Es ist sowohl eine geeignete mechanische Konstruktionzu entwerfen als auch die Steuerungssoftware zu implementieren. Es stehen vier verschie-dene Aufgaben zur Bearbeitung, die in den letzten Jahren weiter entwickelt wurden. DieAufgaben sind: Treppensteigen mit Zusatzaufgaben, Orientierung in einem Labyrinth, Auf-nehmen, Transportieren und zielgenaues Absetzen einer Last sowie Balancieren eines Ballsum Hindernisse.

Im Rahmen des sächsischen Initiativprojektes T-RoX [3] konnten im Wintersemester 2015/2016 die bisher verwendeten LEGO-Mindstorms-NXT-Kästen vollständig durch LEGO-Mindstorms-Kästen der neuesten Generation EV3 ersetzt werden. Aufgrund der in denneuen Kästen veränderten Hardware ergeben sich im Hinblick auf die im Projekt gestelltenAufgaben perspektivisch neue Möglichkeiten. Bevor jedoch Schritte in diese Richtunggegangen werden konnten, stand zunächst der praktische Einsatz der neuen Hardware imVordergrund. Zusätzlich zur veränderten Hardware wurde LabVIEW für LEGO Mindstorms,wenn auch nur geringfügig, an den EV3 angepasst. Daraus resultiert die Notwendigkeit, dasbisher eingesetzte LabVIEW-Tutorium zu überarbeiten. Die im Einsatz des EV3 gesammel-ten Erfahrungen sowie die daraus resultierenden Erkenntnisse für die Überarbeitung desLabVIEW-Tutoriums für die nachfolgenden Projektdurchgänge werden im Folgendenbeschrieben.

LEGO Mindstorms EV3 und LabVIEW im EinführungsprojektSeit den Anfängen des Projekts wurde LEGO Mindstorms NXT in Kombination mit Lab-VIEW wiederholt sehr erfolgreich eingesetzt. Aufgrund der nur geringfügigen Änderungenan den bei LEGO Mindstorms EV3 vorhandenen Komponenten und der daraus resultieren-

LEGO Mindstorms EV3 hat Einzug in das Einführungsprojekt Mechatronik gefunden

395

Forschung und Lehre

den Kompatibilität der Mindstorms-Generation zueinander, konnten die neu beschafftenEV3-Education-Kästen ohne wesentliche Umstellungen im Projekt eingesetzt werden.Allerdings ergaben sich deutliche Vorteile durch die Verwendung der neuen Hardware.

Einer der signifikanten Vorteile ist die höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit der vorhan-denen Sensoren. Zudem hat die Erfahrung der vorangegangenen Jahre gezeigt, dass auf-grund des häufigen Einsatzes der LEGO-Kästen die enthaltenen Komponenten starkem Ver-schleiß unterliegen. Teilweise fallen Sensoren aus, die Kapazität der Akkus lässt deutlichnach und die Getriebemotoren besitzen mitunter großes Spiel. Diese Gegebenheiten berei-ten bereits erfahrenen Ingenieuren Schwierigkeiten und stellen somit die Studierenden desersten Semesters, für die die Lösung der gestellten Aufgaben schon sehr herausfordernd ist,vor sehr große Hürden. Die Probleme mit der Hardware spiegeln sich häufig im Abschluss-wettbewerb wider, wenn die Roboter nicht mehr wie zuvor in Tests funktionieren oder ganzausfallen. Wie diese Schwierigkeiten prinzipiell kompensiert werden können, kann den Stu-dierenden aufgrund der kurzen Zeit im Projekt nicht in ausreichendem Umfang vermitteltwerden.

Ein weiterer mit den EV3-Kästen einhergehender Vorteil ist der im Kasten standardmäßigvorhandene Farbsensor, der ebenso als Lichtsensor einsetzbar ist. Durch diese Dualität desSensors ergeben sich einerseits keine Änderungen an den bestehenden Aufgaben, derenLösung einen Lichtsensor voraussetzt. Andererseits eröffnet der höhere Funktionsumfangneue Aufgabenvarianten für zukünftige Projektdurchgänge. Für eine der gestellten Aufga-ben sind bisher bereits Farbsensoren erforderlich, die zusätzlich beschafft werden mussten.Mit der generellen Verfügbarkeit in den EV3-Kästen kann nun für jede neue Aufgabe aufden Farbsensor zurückgegriffen werden (Bild 2).

Bild 2: Auszug aus einem Roboter-VI als Beispiel für die Verwendung des Farbsensors

Bei der Verwendung des Farbsensors zur Erkennung von Farben wurde von den Studieren-den in der Regel das VI „Read Sensor“ im Modus „Detect Color“ eingesetzt. Weil die zuerkennende Farbe mit diesem VI nicht festgelegt werden kann, kam es bei den in den Auf-gaben gegebenen Farben häufig zu Fehlerkennungen (z. B. bei der Detektion der Farbe Rot),die teilweise erst im Wettbewerb auftraten und zu einem Fehlverhalten des Roboters führ-ten. Das VI „Read Sensor“ zur Ansteuerung der Sensoren zu verwenden, ist einfach undermöglicht eine übersichtliche Programmierung. Mitunter ist, abhängig vom gewähltenModus des anzusteuernden Sensors, die Zuverlässigkeit der Ausführung nur mäßig, wennund weil in der Regel Abweichungen von den in den VIs eingestellten Parametern auftreten(z. B. Abweichungen von der Farbedefinition „rot“). Da damit große Probleme bei derBewältigung der gestellten Aufgaben einhergehen, muss schon in der Projekteinführung

Johannes Stier, Michael Beitelschmidt

396

Fors

chun

g un

d Le

hre

auf das Thema „Verwendung und Kalibrierung von Sensoren“ ausführlicher als bisher ein-gegangen werden.

Eine wesentliche Veränderung in den EV3-Education-Kästen gegenüber den NXT-Educa-tion-Kästen ist der Gyro-Sensor. Diesen Sensor einzusetzen, um beispielsweise Drehungendes Roboters um einen gegebenen Winkel zusätzlich zur Odometrie zu überprüfen, scheintauf den ersten Blick sehr vielversprechend. Speziell bei der Aufgabe „Labyrinth“ könntenein verbesserter Geradeauslauf sowie exakte Drehungen um 90 ° die Durchfahrt erleichtern.Einige Gruppen haben diesen Weg im Projektdurchgang des Wintersemesters 2015/2016auch beschritten, allerdings nur mit geringem Erfolg. Die Schwierigkeit in der Verwendungdes Gyro-Sensors liegt bei Nutzung des VIs „Read Sensor“ im Modus „Read Angle“ am Driftdes Winkelmesswerts, der sehr groß sein kann. Dieser ist abhängig davon, in welcher Lageder Sensor initialisiert wurde. Wird dieser Drift nicht kompensiert, führt dies zu unerwarte-ten Messwerten und in Folge dessen zur fehlerhaften Ausführung des ganzen Programms.Analog zur zuvor beschriebenen Problematik mit der Farberkennung muss dieser Sachver-halt im Rahmen der Einführung in das Projekt tiefgehender behandelt werden.

Das LabVIEW-TutoriumBereits anhand der im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Probleme ist ersichtlich,dass für eine erfolgreiche Bearbeitung der gestellten Aufgaben im EinführungsprojektMechatronik zwei Punkte essenziell für die Studierenden sind: Eine grundlegende fachlicheEinführung in das Projekt sowie eine Einführung in die Programmierung mit LabVIEW. Jebesser die notwendigen Inhalte am Anfang des Projekts vermittelt werden, desto bessersind die Studierenden auf die Arbeit in der Projektwoche vorbereitet. Die größte Herausfor-derung ist der geringe zur Verfügung stehende Zeitumfang. Zu den schon beschriebenenSchwierigkeiten kommen häufig Probleme im Verständnis der grafischen, signalflussorien-tierten Programmierung mit LabVIEW hinzu. Aus diesem Grund haben seit der Premieredes Einführungsprojektes sowohl das Konzept als auch die Inhalte der LabVIEW-Einfüh-rung einen stetigen Wandel vollzogen. Auf Basis der in den vorangegangenen Durchgän-gen gesammelten Erfahrungen wurde von Jahr zu Jahr an der Verbesserung und Weiterent-wicklung gearbeitet.

In den ersten beiden Projektjahren wurden die Programmiergrundlagen mit LabVIEW aus-schließlich mittels einer frontalen Präsentation vermittelt, wobei lediglich die Funktions-weise und der Ablauf der Programmierung vorgeführt wurden. Die Studierenden hattendamit keine Möglichkeit, die gezeigten Inhalte unmittelbar danach selbst praktisch nachzu-vollziehen. Im Gegensatz zum ersten Jahr, in dem nicht auf die Programmierung des LEGOMindstorms NXT eingegangen wurde, wurden im zweiten Jahr die LabVIEW-Grundlagenund die Programmierung des NXT separat vorgeführt.

Das Vorgehen der frontalen Präsentation hat sich hinsichtlich des Verständnisses derInhalte sowie der Aufmerksamkeit der Studierenden während der Präsentation als nachtei-lig erwiesen. Aus diesem Grund wurde in den zwei darauffolgenden Jahren eine Gruppen-phase eingeführt, in der die Studierenden im Anschluss an die Frontalpräsentation in kleineGruppen zur selbstständigen Bearbeitung eines vorbereiteten LabVIEW-Tutoriums mit klarabgegrenzten Aufgabenstellungen zur Programmierung des NXT aufgeteilt wurden. Beglei-tet wurde die Gruppenphase durch Tutoren, wodurch gezielt auf Fragen eingegangen undder Ablauf des Tutoriums individuell beeinflusst werden konnte. Durch diesen Schrittkonnte die fachliche Vorbereitung auf die Projektwoche stark verbessert werden, auchwenn der damit verbundene zeitliche Umfang gestiegen ist. Wegen der bereits dargelegten

LEGO Mindstorms EV3 hat Einzug in das Einführungsprojekt Mechatronik gefunden

397

Forschung und Lehre

Probleme mit der frontalen Präsentation wurde auf diese in den letzten beiden Jahren zuGunsten der Arbeitszeit für das Tutorium verzichtet.

Obwohl das Tutorium noch einmal eine selbstständige praktische und intensive Auseinan-dersetzung mit der Programmierung des NXT mit LabVIEW ermöglicht hat, ließen sich den-noch das Konzept der grafischen Programmierung sowie die größten Fallstricke bei derProgrammierung des NXT mit den gewählten Aufgabenstellungen nur unzureichend ver-mitteln. Bereits durch die Umstellung der Hardware von LEGO Mindstorms NXT zu LEGOMindstorms EV3 im Wintersemester 2015/2016, wurde das LabVIEW-Tutorium hinsichtlichder durch die verwendeten Aufgaben und Beispiele vermittelten Inhalte überarbeitet. Amgrundlegenden Konzept wurde allerdings nichts verändert.

Basierend auf den in sechs Jahren gesammelten Erfahrungen und unterstützt durch das T-RoX-Projekt, wird für das Einführungsprojekt Mechatronik im Wintersemester 2016/2017das LabVIEW-Tutorium noch einmal grundsätzlich überarbeitet. Im Mittelpunkt steht dabeivor allem die Fragestellung, wie das Prinzip der grafischen Programmierung am verständ-lichsten vermittelt werden kann und wie die während der Arbeit der Studierenden im Pro-jekt auftretenden grundlegenden Schwierigkeiten bzw. Fehler bei der Programmierung derRoboter vermieden werden können. Hierzu werden übersichtliche Aufgabenstellungen zurselbstständigen Bearbeitung vorbereitet, die einerseits einen praktischen Bezug besitzenund andererseits neben der Vermittlung der Programmiergrundlagen und der Programmie-rung mit LabVIEW auf fachliche Aspekte, wie z. B. die Kalibrierung von Sensoren oder ein-fache Regelstrukturen, eingehen. Weiterhin werden je Projektaufgabe Fragestellungen zurBearbeitung formuliert, die auf möglicherweise auftretende Schwierigkeiten und Problemehinführen.

ZusammenfassungIm Einführungsprojekt Mechatronik war der Wechsel von LEGO Mindstorms NXT auf dieneue LEGO-Mindstorms-Generation EV3 ein voller Erfolg. Bis auf kleinere Probleme, dieauch bereits in den vorangegangen Durchgängen in ähnlicher Art und Weise aufgetauchtsind, bereitete der Einsatz von LEGO Mindstorms EV3 keine großen Schwierigkeiten. Durchdie veränderte zur Verfügung stehende Hardware ergeben sich aber hinsichtlich der Aufga-benstellungen im Projekt zahlreiche Möglichkeiten für die folgenden Projektdurchgänge.

Eine wesentliche Erkenntnis aus den beschriebenen Problemen und den Erfahrungen desLabVIEW-Tutoriums, ist die Bedeutung der Einführung in das Projekt, sowohl die fachlicheEinführung als auch das LabVIEW-Tutorium. Viele der auftretenden Probleme bzw. diedamit verbundenen fachlichen Thematiken können den Studierenden bereits in der Einfüh-rung prinzipiell vermittelt werden. Insbesondere das LabVIEW-Tutorium ist hierfür sehr gutgeeignet, weil in Kombination mit der LEGO-Hardware diese Themen praktisch veran-schaulicht werden können. Bevor also an der Erweiterung der Aufgabenvielfalt des Projektsgearbeitet wird, ist das Ziel, die Einführung inklusive des LabVIEW-Tutoriums optimal zugestalten.

Literatur[1] J. Stier, G. Zechel, M. Beitelschmidt: A Robot Competition to Encourage First-Year

Students in Mechatronic Sciences. Eurobot Conference 2011, Prag, Juni 2011[2] TUDresdenTV bei YouTube: Videodokumentation zum Einführungsprojekt Mechatro-

nik: https://youtu.be/zMwAZnH5F58, 2016[3] TU Dresden T-RoX Projektseite: http://st.inf.tu-dresden.de/trox/, 2016