Programmieren mit LEGO® MIND-STORMS® 51515 und SPIKE® Prime

Scratch und Python für Einsteiger und Fortgeschrittene

Alexander Schulze

• Verlag: dpunkt.verlag
• Jahr: 2021
• ISBN:
  9783969105566
• Thema: Computer Science
• Thema: Programming Languages

Scratch und Python mit der neuen LEGO-Roboter-Generation

• Programmieren lernen leicht gemacht: Steuerungsbefehle schreiben und real mit LEGO-Robotern ausführen
• Beispiele in Scratch und Python
• für die neue LEGO-Mindstorms-Generation "Robot Inventor" und den kompatible Spike Prime

Programmieren lernen muss nicht theoretisch sein: Zusammen mit den LEGO-Modellreihen Mindstorms Robot Inventor 51515 oder dem kompatiblen Spike Prime können Sie Ihre Programmzeilen direkt mit selbstgebauten Modellen ausprobieren. Die Code-Beispielen in diesem Buch erklären Schritt für Schritt, was gutes und effizientes Programmieren ausmacht. Die direkte Ausführung mit einem Roboter macht mehr Spaß als Befehlebüffeln und führt auf praktische Weise zum Lernerfolg.
Das Buch bietet einen methodisch sinnvollen Weg, die zwei Sprachen zu erlernen, die LEGO für die Modellreihen vorsieht. Leserinnen und Leser können die Lösungen zu Programmier-Aufgabenstellungen jeweils in beiden Sprachen verfolgen und lernen dabei ihre Unterschiede und Stärken kennen:
- Scratch, das mit grafischen Textblöcken arbeitet, eignet sich besonders gut für Einsteigerinnen und Einsteiger.
- Python dient als einfacher Zugang zur textbasierten Programmierung und ermöglicht auch komplizierte Abläufe.
- Experimente und intuitives Lernen mit dem exklusiven Beispielroboter, der aus Teilen der Sets gebaut werden kann.
Das Robotermodell lässt sich aus Teilen des Sets LEGO Mindstorms Robot Inventor 51515 bzw. dem
LEGO-Education-Spike-Prime-Set 45678 aufbauen.

1Einleitung

Im Rahmen einer Robotik-AG an einer Grundschule sowie an einem Gymnasium und der Teilnahme an mehreren Roboter-Wettbewerben entstand die Idee für ein LEGO-Mindstorms-Buch, das sich an einer konkreten didaktischen Vorbereitung orientiert und neben den notwendigen Robotermodellen und Programmbeispielen auch unterschiedliche Programmiersprachen behandelt. Damit wird der Grundstein für eine professionelle Anwendungsentwicklung gelegt.

Aus dieser Idee entstand das Buch »LEGO Mindstorms programmieren – Robotikprogrammierung mit grafischen Blöcken, Basic und Java« für den LEGO Mindstorms EV3, welches ebenfalls beim dpunkt.verlag erschienen ist.

Mit Einführung des LEGO Spike Prime Sets im Januar 2020 und dem LEGO Mindstorms Robot Inventor (51515) im Oktober 2020 hat LEGO den technologischen Nachfolger des EV3 auf den Markt gebracht, welcher bereits mit Textblöcken oder Python programmiert werden kann. Dieses Buch basiert auf der LEGO MINDSTORMS App 10.1.0 und LEGO Education SPIKE App 1.3.5, welche die aktuellen Fassungen zum Redaktionsschluss darstellten.

Die grafische Programmierung der LEGO-Software auf Basis von Scratch 3.0¹ ist für Einsteiger ein perfektes Mittel, um die klassischen Programmierkonzepte, auf die in diesem Buch noch eingegangen wird, zu erlernen und schnell Erfolge zu erzielen. Dies ist nicht zuletzt der Grund, warum LEGO Mindstorms vor allem an Bildungseinrichtungen bereits mit seiner LabVIEW²-basierten Programmierung ein großer Erfolg ist.

Die grafische Programmierung hat jedoch Limitierungen, sobald komplexere Lösungen umzusetzen sind. In der kommerziellen Softwareentwicklung hat sich die grafische Programmierung nie durchgesetzt, auch wenn dort Ansätze vorhanden waren (zum Beispiel mit Visual Age for Java). Somit kommt in der kommerziellen Softwareentwicklung textbasierte Programmierung mit unterschiedlichen Programmiersprachen zum Einsatz. Dieser Tatsache wird in diesem Buch Rechnung getragen, indem nicht eine Konzentration auf die grafische Programmierung mit Textblöcken erfolgt, sondern alle Übungen und Beispiele auch in Python gezeigt werden. Damit ist es möglich, sich entweder auf eine Programmiersprache zu konzentrieren oder aber die Unterschiede der Sprachen zu bearbeiten und darzustellen. Bei Konzentration auf eine Sprache ist es nicht notwendig, die Abschnitte mit den Beispielumsetzungen und Lösungen der anderen Sprache zu lesen. Im Hauptkapitel werden immer die generellen Aspekte erläutert und für jede Programmiersprache anschließend spezifisch vertieft.

Die Teilnahme an Robotik-Wettbewerben wie der World Robot Olympiad³, FIRST LEGO League⁴, dem RoboCup⁵ oder regional angebotenen Wettkämpfen stellt für viele Lernende vor allem in Schulen eine besondere Herausforderung und auch Motivation dar, die auch als Coach viel Spaß bereiten. Die Programmierkenntnisse, die dieses Buch vermittelt, werden bei Wettbewerben von Vorteil sein.

Material zum Buch (Modelle, Anleitungen, Quellcode in den verschiedenen Programmiersprachen) kann über die Website des Verlags unter »Zusatzmaterial« kostenfrei bezogen werden:

dpunkt.de/mindspike

Dieses Buch nutzt ein einfaches Robotermodell, das vollständig mit dem LEGO Mindstorms Robot Inventor oder dem LEGO Spike Prime Set gebaut werden kann und für das Erlernen der Programmierelemente alle erforderlichen Komponenten berücksichtigt. Das Buch enthält keine komplexen oder ausgeklügelten Robotermodelle, wofür es sehr gute alternative Bücher gibt, die sich auch mit der Konstruktion von Robotern, Getrieben oder Ähnlichem beschäftigen.

Neben den verschiedenen Programmierkonzepten in den ersten Kapiteln werden in einem der späteren Kapitel die Umsetzung größerer Projekte thematisiert und dabei auch mehrere kleine Spiele auf dem Hub umgesetzt. In diesen Kapiteln werden somit die Erkenntnisse der vorherigen Kapitel zusammengefasst angewendet.

Im Rahmen dieses Buchs werden die Umgebungen auf einem Windows-10-System installiert und konfiguriert. Die LEGO-Software ist ebenso für andere Plattformen wie zum Beispiel macOS verfügbar. Auf die Unterschiede wird jedoch nicht explizit eingegangen.

Das Buch verwendet an verschiedenen Stellen aus Gründen der leichteren Lesbarkeit die maskuline Form. Dies impliziert jedoch keine Benachteiligung anderer Geschlechter, sondern ist im Sinne der sprachlichen Vereinfachung als geschlechtsneutral zu verstehen.

Juli 2021
Alexander Schulze

2Einführung in die Basiskomponenten

2.1Einführung in LEGO-Mindstorms

LEGO Mindstorms hat mittlerweile eine sehr lange Historie und wurde von LEGO 1998 auf den Markt gebracht. Es war ursprünglich als Marketingkanal für LEGO zur Kundenbindung angedacht, um eine »lebenslange Bindung« zu LEGO zu erzeugen und nicht nur Kinder anzusprechen. Mit LEGO Mindstorms hat LEGO eine programmierbare Plattform zur Steuerung von LEGO-Modellen geschaffen, die über Sensoren Werte einlesen, verarbeiten und über Motoren als Aktoren agieren kann.

Über mehrere Jahre erfolgte eine Evolution des Produkts, angefangen beim RCX 1998 über den NXT 2006 zum Modell EV3 im Jahr 2013 und zur aktuellen Plattform Spike Prime / Robot Inventor 2020. Dabei kamen weitere Anschlüsse, die Unterstützung von USB, Bluetooth und WLAN sowie leistungsfähigere Prozessoren und Speicherkomponenten hinzu.

Vor allem im Bildungsbereich (Schulen, Universitäten) wird LEGO Mindstorms intensiv eingesetzt: in Robotik-Arbeitsgemeinschaften vieler Schulen, dem LEGO-Mindstorms-Labor im Deutschen Museum in München und der Fraunhofer-Initiative »Roberta – Lernen mit Robotern«¹, um nur einige wenige Beispiele zu nennen.

LEGO liefert mit dem Robot Inventor (51515) verschiedene Motoren und Aktoren sowie Sensoren und bietet verschiedene weitere Komponenten zum Nachkauf an. Weiterhin existiert der LEGO Spike Prime (45678), der sich im Vergleich zum Robot Inventor durch eine Stapelbox, andere Farbgebung sowie eine alternative Zusammenstellung von Motoren und Sensoren auszeichnet. Details zu den beiden Sets sind in den Folgekapiteln zu finden.

Die folgende Tabelle gibt eine kurze Übersicht über die Unterschiede der verschiedenen Entwicklungsstufen von LEGO Mindstorms, angelehnt an die Darstellung in Wikipedia.²

Für die Programmierung stellt LEGO die entsprechende Software kostenfrei zur Verfügung. Über den Microsoft Store kann die Programmiersoftware für Windows einfach installiert und aktualisiert werden. Für den LEGO Spike Prime steht die »SPIKE LEGO Education« und für den LEGO Mindstorms die »LEGO® MINDSTORMS® Robot Inventor«-App zum Download zur Verfügung. Alternativ kann die Software auch über die jeweiligen LEGO-Internetseiten bezogen werden, wobei neben Windows hier auch Versionen für macOS, iPad, Android und Chromebook angeboten werden.

2.1.1Übersicht über Aktoren und Sensoren

Als Aktoren bezeichnet man Komponenten, über die eine Ausgabe oder Aktion erfolgen kann. Die folgenden sind dabei zu nennen, die alle in selbst erstellten Programmen genutzt werden können:

• Zwei Tasten auf dem Brick direkt nutzbar
• 5 × 5-Lichtmatrix als Ausgabe für Text und Grafik
• LEDs der zentralen Taste ansteuerbar
• Lautsprecher zur Ausgabe von Tönen
• Großer Motor
• Mittlerer Motor

Abb. 2–1 // Übersicht der Aktoren

Sensoren liefern Werte für die weitere Verarbeitung und sind essenziell für einen Roboter, um mit der Umwelt zu interagieren. LEGO bietet derzeit folgende Sensoren an:

• Kraftsensor und Taster
• Licht-/Farbsensor
• Ultraschallsensor für millimetergenaue Entfernungsmessung sowie ansteuerbare LEDs
• Kreiselsensor (Gyroskop) für Drehwinkelbestimmung (3-D) eingebaut im Hub

Die Aktoren und Sensoren der früheren Mindstorms-Generationen (NXT, EV3) lassen sich nicht mehr an dem neuen Hub betreiben.

Eine Besonderheit der LEGO-Motoren ist, dass die Motoren auch als Sensoren eingesetzt werden können, da sie als Schrittmotoren die Drehung in Grad auslesbar zur Verfügung stellen. Damit lassen sich interessante Anwendungsfälle erzeugen, die später in Kapitel 5.2 noch behandelt werden.

An einem Hub können bis zu sechs Motoren als Aktoren oder entsprechende Sensoren angeschlosse...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Über der Autor
• Titel
• Impressum
• Danksagung
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Einführung in die Basiskomponenten
• 3 Vorbereitung der Umgebungen, Installation der Basissoftware und Grundeinführung
• 4 Programmierung des LEGO Mindstorms
• 5 Weiterführende Themen der Programmierung
• 6 Weiterführende Informationen
• 7 Fazit und Ausblick
• 8 Anhang
• Fußnoten