Конструируем роботов на LEGO® MINDSTORMS® Education EV3. Волшебная палочка

37 Pages·015.275 MB·Russian

by  Тарапата В. В.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
LEGO
® ®
MINDSTORMS
(cid:615)(cid:602) Education EV3
Волшебная палочка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В. В. Тарапата, А. А. Салахова, А. В. Красных
КОНСТРУИРУЕМ
РОБОТОВ
LLEEGGOO
®
MINDSTORMS®
на Education EV3
Волшебная палочка
Электронное
издание
Лаборатория знаний
Москва
2017
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 373.167
ББК 32.97
С16
Серия основана в 2016 г.
Ведущие редакторы серии Т.Г.Хохлова, Ю.А.Серова
ТарапатаВ.В.
С16 Конструируем роботов на LEGO○R MINDSTORMS○R
Education EV3. Волшебная палочка [Электронный ре-
сурс] / В.В.Тарапата, А.А.Салахова, А.В.Красных.—
Эл. изд.—Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 37с.).—
М. : Лаборатория знаний, 2017.—(РОБОФИШКИ).—
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10".
ISBN 978-5-00101-550-5
Стать гениальным изобретателем легко! Серия книг «РОБО-
ФИШКИ» поможет вам создавать роботов, учиться и играть
вместе с ними.
Собрав из деталей конструктора LEGO○R MINDSTORMS○R
Education EV3 робота-спирографа, вы сможете получать с его
помощью замысловатые узоры. Попутно вы узнаете о загадоч-
ной притягательности повторяющихся узоров, которые создают
художники-декораторы и сама Природа. Создай свой узор,
неповторимый, единственный!
Для технического творчества в школе и дома, а также
на занятиях в робототехнических кружках.
УДК 373.167
ББК 32.97
Деривативное электронное издание на основе печатного
аналога: Конструируем роботов на LEGO○R MINDSTORMS○R
Education EV3. Волшебная палочка / В.В.Тарапата, А.А.Са-
лахова, А.В.Красных.—М. : Лаборатория знаний, 2017.—32с. :
ил., [4]с. цв. вкл.—(РОБОФИШКИ).—ISBN 978-5-00101-067-8.
Авторы благодарят учащихся ГБОУ Школа №283
Кордабовского Глеба и Салову Софию
за помощь при создании проекта
В соответствии со ст.1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных техническими средствами защиты авторских прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или
выплаты компенсации
ISBN 978-5-00101-550-5 ○c Лаборатория знаний, 2017
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Здравствуйте!
Издание, которое вы держите сейчас в руках — это не просто описание и практическое
руководство по выполнению конкретного увлекательного проекта по робототехнике.
И то, что в результате вы самостоятельно сумеете собрать своими руками настоящее
работающее устройство — это, конечно, победа и успех!
Но главное — вы поймёте, что такие ценные качества характера как терпение, акку-
ратность, настойчивость и творческая мысль, проявленные при работе над проектом,
останутся с вами навсегда, помогут уверенно создавать своё будущее, стать реально
успешным человеком, независимо от того, с какой профессией свяжете жизнь.
Создавать будущее — сложная и ответственная задача. Каждый день становится от-
крытием, если он приносит новые знания, которые затем могут быть превращены в про-
екты. Особенно это важно для тех, кто выбрал дорогу инженера и технического специа-
листа. Знания — это база, которая становится основой для свершений.
Однако технический прогресс зависит не только от знаний, но и от смелости созда-
вать новое. Всё, что нас окружает сегодня, придумано инженерами. Их любопытство,
желание узнавать неизведанное и конструировать то, чего никто до них не делал, и соз-
даёт окружающий мир. Именно от таких людей зависит, каким будет наш завтрашний
день. Только идеи, основанные на творческом подходе, прочных знаниях и постоянном
стремлении к новаторству, заставляют мир двигаться вперёд.
И сегодня, выполнив этот проект и перейдя к следующим, вы сделаете очередной шаг
по этой дороге.
Успехов вам!
Команда Программы «Робототехника:
инженерно-технические кадры инновационной России»
Фонда Олега Дерипаска «Вольное Дело»
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дорогой друг!
Как видно, ты уже совсем не новичок Что же делать теперь? Набор дорогой,
в LEGO, раз добрался до набора LEGO® выбрасывать жалко, а у младшего брати-
MINDSTORMS® Education EV3 и, ко- ка (если он есть) пока другие игрушки.
нечно, быстро собрал всё, что там предла- Не расстраивайся! Мы тебе поможем.
галось! Из этого набора можно собрать ещё
много интересных и полезных вещей.
Например, как тебе идея собрать робота,
способного создавать замысловатые узо-
ры?
Внимание!
Ты можешь собрать свои достижения
в робототехнике в электронное портфо- Задумайся над этим!
лио! Фотографируй или фиксируй на Фактически за какой-то час работы ты
видео результаты своей работы, чтобы сумеешь пройти многовековой путь изо-
потом представить их для участия в твор- бретателей прошлого! Почему в настоя-
ческих конкурсах. Результаты конкурсов щее время такое стало возможно? Можно
и олимпиад засчитываются при посту- ли изобрести что-нибудь новое, не зная,
плении в профессиональные учебные за- какие машины и механизмы существо-
ведения. вали в прошлом? Как интересней рабо-
тать — одному или вместе с другом?
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Графика в нашей жизни
Сегодня нас повсюду окружает компьютерная графика: рисунки на рекламных щитах
и информационных листовках, иллюстрации в книгах, заставки в телепередачах, — во
всех местах, куда достаёт взгляд. И всё многообразие изображений большинство людей
привычно делит на два класса — выполненные рукой человека и компьютерные, хотя на
самом деле компьютерная графика может очень сильно различаться в пределах своего
класса.
Существует три основных вида компьютерной графики: растровая, векторная и фрак-
тальная. Основное их различие заключается в возможности увеличения без потери ка-
чества готового изображения при дальнейшей работе с ним.
Чаще всего мы имеем дело с растровой
графикой — это фотографии или отска-
нированные из книги рисунки. Растро-
вую картинку нельзя масштабировать
без потери качества. Она построена из
множества пикселей (точек) определён-
ного цвета. При увеличении растровой
картинки используются технологии,
обеспечивающие так называемое сгла-
живание — автоматическую дорисовку Рис. 1. Растровая графика
отсутствующих точек, поэтому новое
изображение получается размытым или,
наоборот, обладает неестественными,
рва ными контурами.
Векторная графика встречается на ло-
готипах, эмблемах и прочих элементах,
требующих хорошего качества при раз-
ных размерах. Векторная графика, как
ясно из названия, использует векторы
(отрезки, для которых указано направле-
ние). Концы отрезков задаются коорди-
натами точек. При увеличении вектора
концы его отдаляются друг от друга, что
превращает действие в чисто математи- Рис. 2. Сравнение растровой и векторной
ческое вычисление. графики
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ся алгоритмами, которые обрабатывают
данные с прошлыми параметрами, поэто-
му чаще всего построение идёт от боль-
шого к малому.
Естественно, что увеличивать изо-
бражение можно до бесконечности, при
этом чёткость не будет теряться. Для по-
строения фрактала можно использовать
программы Art Dabbler, Apophysis или
другие редакторы. Кстати, Apophysis на-
Рис. 3. Фрактальный рисунок «Подвод- ходится в открытом доступе и для работы
ный» художника из Финляндии BoxTail не требует установки на компьютер.
Фракталы встречаются не только на
рисунках. Если приглядеться повнима-
Фрактальная графика — самоповто- тельнее, их можно увидеть везде. Дока-
ряющиеся изображения, выполненные зано, что в природе большинство узоров
с помощью вычислений. Для построения имеет фрактальную структуру. Возьмём,
фрактала задаётся правило, согласно ко- к примеру, цветок в горшке на подокон-
торому изображение строится из одних нике или дерево на улице. Они растут по
и тех же частей (геометрических фигур). определённым законам, которые можно
У фрактальных изображений есть не- выразить сложными формулами. Заме-
оспоримое достоинство — они занимают тив это, математики принялись состав-
малый объём памяти. В неё заносится лять формулы, описывающие природные
описание всего лишь одного изображе- фракталы. Так появились L-системы, де-
ния, а новые структуры, получающиеся ревья Пифагора и другие математические
на каждом «новом витке», запоминать сущности. А осенью жёлтые и красные
не требуется. К слову, витки эти задают- пятна на всё тех же листьях подозритель-
Рис. 4. Рост листа клёна можно предста- Рис. 5. Снежинка Коха
вить как движение прожилок от основания
к краям
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но копируют снежинки Коха. Все упомя-
нутые фракталы относятся к геометри-
ческим фракталам, наиболее наглядно
демонстрирующим самоподобие.
В 3D-моделировании фракталы ис-
пользуются для сокращения объёма Рис. 6. Самый популярный
памяти программного продукта. Вре- древнегреческий орнамент — меандр
мя диктует свои правила — новые игры
должны иметь высокую степень детали-
зации. С каждым годом разрешение уве- и одновременно удивительно красива,
личивается, и совсем скоро виртуальную поэтому немудрено, что орнамент приме-
реальность трудно будет отличить от ре- няли с древних времен. Знание же геоме-
алистичного изображения. Однако хра- трии позволяло совершенствовать узоры.
нение текстур и форм требует много ме- Например, в Древней Греции в орнамен-
ста: чем подробнее векторный рисунок, тах использовалось чередование равных
тем больше требуется памяти. Неудиви- по размеру или форме элементов, чтобы
тельно, что от растровой графики в играх создать ощущение движения узора. Ор-
почти отказались, исключая 2D-квесты намент не имел ни начала, ни конца —
и поиск предметов, поскольку эти файлы здания или кувшины покрывались не-
занимают слишком значительный объём прерывным рисунком, означавшим круг
памяти. Современные видеокарты имеют бытия. Декоративные сюжетные элемен-
достаточные вычислительные мощи, что- ты располагались вовсе не случайным
бы обрабатывать фрактальную графику образом, а в определённых местах, чтобы
в большом количестве. Холмы, горы, об- соблюсти принципы композиции.
лака — всё это сделано в современных Орнаменты можно было встретить не
играх с помощью фракталов. только в Европе. В Средние века в му-
Термин «фрактал» был предложен су льманских странах это искусство по-
французским математиком Бенуа Ман- лучило повсеместное распространение
дельбротом в 1975 году. Заметим, матема- и поражало сложностью и обилием форм.
тика и раньше служила для составления Причина крылась в религии: ислам накла-
рисунков. Стремясь украсить свое окру- дывает запрет на изображение человека
жение, люди испокон веков использова- или иного существа с душой. Восточные
ли различные узоры. Узор — это рису- художники, живущие среди пышной рас-
нок, состоящий из геометрических фигур тительности у воды и привыкшие к ярким
(например, линий, кругов или квадратов) природным краскам, активно создавали
разного цвета и размера. Обычно эле- прекрасные геометрические или расти-
менты в нём многократно повторяются тельные орнаменты. Их работы сильно
(в фрактальном узоре минимальный раз- отличались от произведений европей-
мер элемента никак не ограничивается). ских декораторов, орнамент которых был
Повторяющиеся узоры называются однонаправленным (выполнялся либо по
орнаментом. Орнаментами украшают- горизонтали, либо по вертикали). На вос-
ся здания, края тканей и многое другое. токе нашла распространение «ковровая»
Идея повторяющихся по горизонтали орнаментация, когда творцы полностью
или вертикали узоров настолько проста покрывали узором предмет, щедро впи-
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тали и вертикали. Однако, европейцы
это делали по-своему, используя паркет
(замощение, мозаика) — разбиение пло-
скости на фигуры без промежутков и пе-
рекрытий. Паркеты используют до сих
пор, правда сегодня под этим словом
чаще подразумевают деревянное покры-
тие, а не технику декоративного украше-
ния.
Различают несколько видов паркетов.
Если паркет полностью состоит из оди-
Рис. 7. Гирих на стенах Ханского дворца наковых правильных многоугольников
в Бахчисарае, Крым (в правильной фигуре стороны и углы
равны между собой) он называется пра-
вильным. Интересно, что правильными
сывая в орнамент пословицы, афоризмы бывают только орнаменты, составленные
или строки из Корана. из треугольников, квадратов или шести-
Геометрический исламский орнамент угольников. В каждой вершине парке-
называется гирих, что в переводе с пер- та должно сходиться целое число углов,
сидского означает «узел». В основе это- сумма которых должна быть равна 360(cid:113).
го узора — геометрия круга, деление его Если же выбраны правильные фигуры,
на равные части; с использованием цир- сумма углов которых на вершине пар-
куля и линейки в дальнейшем строятся кета даёт 360(cid:113), но при этом используют-
квадраты, прямоугольники, многоуголь- ся разные фигуры, паркет называется
ники. Чаще всего гирих встречается во полу правильным. Этот вид используется
внешнем оформлении мечетей или дру- чаще всего. Неправильными же называ-
гих важных зданий.
Домашнюю атмосферу на Востоке соз-
давал орнамент под названием ислими,
состоящий из стилизованного плюща
и обвиваемой им спирали. На изобра-
жении Ханского дворца ислими видно
между окнами, которые выходят во вну-
тренний дворик. Ислими покрывали так-
же посуду, подносы и использовали при
росписи книг.
В конце XIII–XIV веков в Западной
Европе, где в противовес лёгкости и яр-
кости исламских узоров царил готиче-
ский стиль, богатая знать стала украшать
во дворцах полы рисунками из дощечек Рис. 8. Паркеты в книге «Underweysung
из различных пород дерева. Узоры также der Messung», изданной в 1538 году.
формировались в орнаменты, повторя- Автор книги — знаменитый немецкий
ющиеся, как и у мусульман, по горизон- художник Альберт Дюрер)
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 9. Правильный Рис. 10. Полуправильный Рис. 11. Неправильный
паркет паркет паркет
ются паркеты, состоящие из неправиль- взры вателей для авиабомб, задался во-
ных фигур (в неправильной фигуре про сом: как быстро и качественно выво-
стороны и углы между собой не равны) — дить равные элементы с плавно за круг-
например, из стилизованных стрелок или ля ющимися сторонами. Идея настолько
звёзд. Иногда неправильные паркеты на- сильно запала ему в душу, что некоторое
зывают картами. время спустя он создал для этого специ-
Ещё одним геометрическим способом альный инструмент — спирограф. Нано-
заполнения плоскости, куда более близ- сить точные размеры и ускорить рабо-
ким к фракталам, чем орнаменты, являет- ту над серьёзным проектом с помощью
ся спираль — это кривая, которая огибает изобретения не получилось, зато члены
некоторую центральную точку или ось, семьи Фишера были в восторге! Тогда
постепенно приближаясь или удаляясь инженер решил переформатировать своё
от неё. В зависимости от коэффициента изобретение в игрушку. Она состояла из
кривая может быть похожа на круг или пластмассовой пластины с вырезанны-
напоминать плавную закругляющуюся ми кругами разных диаметров и набором
линию. Окружность, кстати, является зубчатых колёс с отверстиями. Пласти-
частным случаем спирали, которая уда- на прикладывалась к листу, в отверстие
ляется или приближается от точки (цен- вставлялся грифель карандаша или стер-
тра) всегда на одно и то же значение. жень ручки, а затем колесо приводилось
В 1962 году британский инженер Де- в движение. На бумаге появлялся спи-
нис Фишер, работая над чертежами ральный след.
Рис. 12. Спираль Рис. 13. Гиперболическая спираль
9