Исследование системы «скип – направляющее устройство»

62 

Вестник Карагандинского университета 

УДК  53.043  

А.А.Молнар

1

, И.П.Куритник

2

, В.В.Герасимов

3

, Д.Ж.Карабекова

4

 

1

Ужгородский государственный университет, Украина; 

2

Институт управления и инженерии продукции, Освенцим, Польша; 

3

Мукачевский государственный университет, Украина; 

4

Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова 

(E-mail: karabekova71@mail.ru) 

Пьезоэлектричество как источник электроэнергии для портативных 

электронных  устройств в системе «человек–одежда» 

Данная статья посвящена исследованию новых видов электроэнергии для питания портативных носи-

мых  устройств в системе  «человек–одежда». Предложено использование пьезоэлектричества. Пьезо-

электричество является одним из альтернативных источников энергии для питания электронных пор-

тативных устройств. Выработка энергии предусматривается через внедрение специальных видов кап-

сулированной  керамики  в  деформационно-нагружаемые  интерфейсные  зоны  системы  «человек–

одежда».  Рассмотрены  различные  виды  материалов  (в  частности,  керамика),  которые  могли  найти 

применение  как  источники  энергии  дополнительных    модулей  фиксации  экстремальных  состояний 

для работников спасательных служб. 

Ключевые слова: пьезоэлектричество, человек, одежда, портативные устройства, электропитание. 

 

В последнее время проблеме электропитания портативных электронных устройств уделяется все 

больше внимания. Сегодня практически каждый человек имеет, как минимум, одно портативное уст-

ройство — мобильный телефон. Не менее чем телефон распространены и используются такие  уст-

ройства, как — MP3 плееры, планшеты  и ряд других популярных гаджетов. Все эти устройства нуж-

даются в довольно мощных источниках портативного электропитания, в качестве которых, как пра-

вило,  используются    литий-ионные  аккумуляторы.  Как  правило,  для  их  подзарядки  используется 

обычное подключение к электросети, что значительно снижает удобство эксплуатации. Поэтому су-

ществует задача по поиску новых альтернативных источников энергии для электропитания и подза-

рядки устройств. Причем важным моментом является то, чтобы такие источники были портативными 

и не ограничивали пользователя  гаджета  регулярным поиском стационарной розетки. 

Одним из возможных источников электрической энергии для мобильных электронных изделий 

могут быть пьезогенераторы, которые вырабатывают  энергию от движения человека. 

Данные ожидаемого уровня электрической энергии от движения человеческого тела приведены 

в  таблице 1. Как  видно из  таблицы,  наибольшие значения  электрической энергии,  вырабатываемой 

человеком, связаны с ходьбой. Из сравнения генерируемой и потребляемой энергии понятно, что ис-

точники  питания,  связанные  с ходьбой  или дыханием,  могут  быть  использованы  в  любом  носимом 

приборе или устройстве. 

Т а б л и ц а   1  

Энергия, вырабатываемая человеком при различных видах движения 

Активное действие 

Генерируемая  

механическая энергия 

Электрическая  

энергия 

Количество энергии, 

затрачиваемое  

на движение 

Дыхание 0.83 

Вт 0.091-0.42Вт 0.5-2.5 

Дж 

Движение рук 3 

Вт 0.33-1.5 

Вт 1.5-6.7 

Дж 

Движение пальцев 6,9-19 

мВт 0.76-2.1 

мВт 143-266 

мкДж 

Ходьба 67 

Вт 5 

Вт 8.3-14 

Дж 

 

Пьезоэлектрические генераторы, основанные на движении верхних конечностей, в перспективе 

в состоянии обеспечивать питание GSM- и Bluetooth-устройств с низким энергопотреблением. 

В качестве преобразователей движения в электрическую энергию наиболее простыми и перспек-

тивными  считаются  пьезоэлектрические  преобразователи,  работающие  на  деформации  изгиба  (виб-

рационные преобразователи) или на деформации сжатия.  

Пьезоэлектричество как источник электроэнергии… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

63 

Как правило, пьезоэлектрические генераторы являются преобразователями механической энер-

гии (с давлением не менее 1–2 кН) в электрическую при циклическом нагружении. При этом пере-

менное напряжение преобразуется с помощью мостовых выпрямителей в постоянное. Поскольку пьезо-

электрический преобразователь работает в течение продолжительного времени с относительно малой 

электрической энергией, производимой за один цикл, как правило, используется система накопления 

и  хранения  энергии  (рис.).  Для  стабилизации  выходного  напряжения  пьезогенератора  на  заданном 

уровне используется система с обратной связью, специальный контроллер. Контроллер также обес-

печивает согласование импеданса пьезогенератора с выходным импедансом потребителя энергии. 

 

 

Рисунок. Блок-схема модуля питания 

Для преобразования механической энергии в электрическую наиболее широко используются хо-

рошо зарекомендовавшие себя материалы, такие как PZT-керамика (керамика на основе цирконата-

титаната свинца, или ЦТС-керамика) или полимеры — PVDF поливинилиденфторид (ПВДФ) [1, 2]. 

Разновидностью PZT-керамики  является  коммерческий  продукт PIC163 и PIC144. Данный  тип 

керамики  применяется  многими  американскими  компаниями  для  изготовления  пьезоэлектрических 

устройств, в частности компанией  PI [3]. Однако, несмотря на высокую технологичность данных ма-

териалов,  они  не  позволяют  достичь  максимальных  коэффициентов  преобразования.  Поэтому  по 

всему миру ведется интенсивный поиск новых альтернативных пьезоэлектрических материалов. Од-

ним из них можно считать монокристалл Sn

2

P

2

S

6

, для которого максимальное значение эффективного 

гидростатического  пьезоэлектрического  коэффициента  составляет  d

h

(1)

 = 260 pC/N. Для  этого  пластина 

Sn

2

P

2

S

6

 вырезается в плоскости (XYl)-20

o

. В случае изготовления композита на основе измельченного по-

рошка Sn

2

P

2

S

6

 и, например, эпоксидной смолы расчетное значение d

h

(1)

 = 136 pC/N, что неплохо совпа-

дает с полученными экспериментальными значениями [4].  

Т а б л и ц а   2  

Сравнения пьезокоэффициента разных материалов 

 PIC163 

PIC144 

LiNbO

3

 Sn

2

P

2

S

6

 

Ε 1200 

1250 

85 

300 

tg δ 

0.01 0.004 0.1 0.001 

d

h

(1)

 

600 265 70 260 

 

Как видно из таблицы 2, несмотря на то, что по такому параметру, как гидростатический пьезо-

электрический коэффициент PZT-керамика PIC163 в два раза лучше Sn

2

P

2

S

6

, однако по комбинации 

параметров (меньшее значение ε и tg δ) монокристалл Sn

2

P

2

S

6

 намного привлекательней. При изго-

товлении  многослойных  композитных  пьезоэлектрических  преобразователей  на  основе Sn

2

P

2

S

6

, 

встраиваемых  в  одежду  (преобразование  растяжения,  обусловленного  дыханием)  или  в  обувь [6]  

(часть подошвы под пальцами и каблук), по предварительным данным, мы можем получить 25–50 мВт 

электроэнергии,  которая  после  накопления  (в  ионисторах-суперконденсаторах)  вполне  может  быть 

использована для питания носимой электроники.  

В  то  же  время  создание  комплексной  системы  энергообеспечения  «человек–одежда»,  куда  бы 

обувь входила как неотъемлемая её часть,  довольно проблематично, так как необходимо использова-

ние  проводного  соединения  для  отвода  получаемой  электрической  энергии.  Это  приводит  к  значи-

тельному ухудшению показателя надежности и удобства конструкции в целом.  

А.А.Молнар, И.П.Куритник и др. 

64 

Вестник Карагандинского университета 

Одним  из  вариантов  повышения  эффективности работы  пьезогенераторов  в  системе  «человек–

одежда» является их применение в спецодежде спасательных или пожарных служб. Данная спецоде-

жда  предусматривает использование дополнительных тяжелых носимых элементов в общей экипи-

ровке  костюма  спасателя — кислородные  баллоны,  пояса,  различные  спецсредства.  Это  приводит 

к появлению  дополнительных  статических   и  динамических  нагрузок  на  поверхность  тела  человека 

[7] и в результате  может использоваться как аддитивный  источник электроэнергии.  

Более того, по количеству «выкидываемой» пьезоэнергии за единицу времени (вычисления мик-

роконтроллером) можно фиксировать величину внешнего «нагружения» спасателя в экстремальных 

случаях. В случае превышения  допустимой нормы — оповещать о возникшей опасности специаль-

ными средствами беспроводной связи. 

В данную систему довольно просто можно интегрировать ряд дополнительных датчиков — для 

измерения температуры (внешней и внутренней), пульса, артериального давления [8]. Это позволит 

на порядок повысить эффективность и информативность конструкции в целом. 

Следует  заметить,  что  ряд  производителей  электронных  компонентов  уже  достигли  успехов 

в разработке  специальных средств обеспечения  электропитанием  проводных и беспроводных  дат-

чиков  при их работе от альтернативных источников питания [9,10].    

Таким образом, можно утверждать, что пьезоэлектричество  является  одним из альтернативных 

источников энергии  для питания электронных портативных устройств.  

Исследования показали, что наиболее подходящим  материалом для практического применения 

являются керамические материалы на основе Sn

2

P

2

S

6

.  Эти пьезоматериалы, в случае их размещения в 

нагрузочно-деформационных  зонах  системы  «человек–одежда»,  могут  быть    источниками  электро-

энергии. При этом открывается перспектива использования  данных источников энергии  как допол-

нительных  модулей фиксации экстремальных состояний для работников спасательных служб. 

 

 

Список литературы 

1  Maior M.M., Vysochanskii Yu.M., Prits I.P., Molnar Sh.B., Slivka V.Yu., Rogach E.D., Savenko F.I., Kudinov A.P. Piezoelec-

tric effect in Sn

2

P

2

S

6

 Single-Crystals // Inorganic materials. — 1991. — № 27. — P. 604–606. 

2  Maior M.M., Gurzan M.I., Molnar Sh.B., Prits I.P., Vysochanskii Yu.M. Effect of Germanium Doping on Pyroelectric and Pi-

ezoelectric Properties of Sn

2

P

2

S

6

 Single Crystal // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. — 2000. — № 47. — Р. 877–880. 

3  [ЭР]. Режим доступа: Інтернет ресурс: www.pi-usa.us 

4  Panoŝ Stanislav, Panoŝová Dagmar. Influence of the sample orientation in Sn

2

P

2

S

6

 crystals on the hydrostatic piezoelectric 

coefficients // Central European Journal of Physics. — 2003. — Vol. 1. — Issue 1. — Р. 91–99. 

5  Kymissis J., Kendall C., Paradiso J.J., Gershenfeld N. Parasitic power harvesting in shoes // Proc. 2-nd IEEE Int. Conf. 

Werable Computing. — Los Alamitos, August, 1998. — Р. 45–47. 

6  Shenck N.S., Paradiso J.A. Energy scavending with shoe-mounted piezoelectric // Proc. IEEE Micro. May-June, 2001. — Vol. 

21. — № 3. — P. 34–37. 

7  Gerasimov V., Dulishkovich Y., Maga M. Improving sensor system for measument force loading parameters for clothing using 

a microcontroller // Proc. IV Int. Conferenc «Inzynier XX1 Wieku», ATH, Poland, 2014. — Р. 61–66. 

8  Куритник І.П., Молнар О.О., Герасимов В.В. Розробка вимірювальної системи фіксації параметрів середовища «одяг-

людина»  для  працівників  пожежно-рятувальних  служб // Мат.  міжнародної  науково-практичної  конференції  «Актуальні 

проблеми  наукового  та  освітнього  простору  в  умовах  поглиблення  євро  інтеграційних  процесів», 14–15 травня. — 

Мукачево, 2015. — С. 333–334. 

9  Dave Salerno.  Extend remote sensor battery life with thermal energy harvesting // Linear technology. — 2015. — Vol. 25. — 

№ 2. — P. 24–27. 

10  Бугаев В., Дидук В., Мусиенко М. Сборщики энергии вибраций от Mide Technology приходят на смену батарейкам // 

Новости электроники. — 2015. — № 7. — С. 23–27.  

 

 

 

 

Пьезоэлектричество как источник электроэнергии… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

65 

А.А.Молнар, И.П.Куритник, В.В.Герасимов, Д.Ж.Карабекова 

«Адам–киім» жүйесінде портативті электронды  

құрылғылар үшін пьезоэлектрлікті электр энергиясы көзі ретінде пайдалану 

Мақала  «адам–киім»  жүйесінде  портативті  тасымалдағыш  құрылғыларды  қоректендіруге  арналған 

электр  энергияның  жаңа  түрлерін  зерттеуге  арналған.  Пьезоэлектрлік  əдісті  қолдану  ұсынылды. 

Пьезоэлектр электронды портативті құрылғыларды қоректендіруге қажетті балама энергия көзі болып 

табылады. «Адам–киім» жүйесінің деформациялық жүктелген интерфейстік зоналарында капсулалық 

керамиканың  арнайы  түрлерін  енгізу  арқылы  энергияны  өндіру  алдын  ала  қарастырылды. 

Материалдың  əр  түрлі  түрлері,  соның  ішінде  қорғаныс  қызметкерлері  үшін  төтенше  жағдайларда 

қосымша тіркеу модульдерінде энергия көзі ретінде қолданыс табуы мүмкін керамика қарастырылған. 

 

A.A.Molnar, I.P.Kuritnik, V.V.Gerasimov, D.Zh.Karabekova 

Piezoelectricity as the source of electricity for portable electronic  

devices in the system «person–clothing» 

This work is devoted to research of new types of electricity to power portable wearable devices in the system 

«man–clothes».  Proposed use of piezoelectricity. Piezoelectricity is one of the alternative sources of energy 

to power the electronic handheld devices. Power generation provides through the introduction of special kinds 

of capsulated strain-ceramic plate interface zone system «man–clothes». The various types of materials, such 

as ceramics, which can be used as energy sources additional modules fixing extreme conditions for rescue 

workers. 

 

 

References 

1  Maior M.M., Vysochanskii Yu.M., Prits I.P., Molnar Sh.B., Slivka V.Yu., Rogach E.D., Savenko F.I., Kudinov A.P. Inor-

ganic materials, 1991, 27, p. 604–606. 

2  Maior M.M., Gurzan M.I., Molnar Sh.B., Prits I.P., Vysochanskii Yu.M. IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr, 

2000, 47, р. 877–880. 

3  [ЭР]. Режим доступа: Інтернет ресурс: www.pi-usa.us 

4  Panoŝ Stanislav, Panoŝová Dagmar. Central European Journal of Physics, 2003, 1, issue 1, р. 91–99. 

5  Kymissis J., Kendall C., Paradiso J.J., Gershenfeld N. Proc. 2-nd IEEE Int. Conf. Werable Computing, Los Alamitos, 

August, 1998, р. 45–47. 

6  Shenck N.S., Paradiso J.A. Proc. IEEE Micro. May-June, 2001, 21, 3, р. 34–37. 

7  Gerasimov V., Dulishkovich Y., Maga M. Proc. IV Int. Conferenc «Inzynier XX1 Wieku», ATH, Poland, 2014, р. 61–66. 

8  Kurytnyk I.P., Molnar A.A., Gerasimov V.V. Actual problems of scientific and educational space in terms of deepening Eu-

ropean integration processes: Materials of International scientific-practical conference, May 14–15, Mukachevo, 2015, p. 333–334. 

9  Dave Salerno. Linear technology, 2015, 25, 2, p. 24–27. 

10  Bugaev V., Diduk V., Musienko M. Electronics News, 2015, 7, p. 23–27.  

 

 

 

 

 

 

 

66 

Вестник Карагандинского университета 

УДК 004.43 

А.К.Карбозова¹, К.М.Маханов¹, А.М.Мустафина¹, М.А.Маукебаева

2

 

¹Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова; 

2

Жетысуский государственный университет им. И.Жансугурова 

(E-mail: makanov@inbox.ru) 

Применение NXT технологий в освоении основ  

робототехники в школе 

В статье представлены результаты сравнения программных разработок, реализованных по технологии 

Lego Mindstorms NXT. Проведен сравнительный анализ скорости реализации программного кода, вы-

полненного в двух разных вариантах. В первом случае программа написана в графической среде NXT-

G, во втором — в среде RoboLab. Показано, что при использовании среды RoboLab робот выполняет 

маневры  в  два  раза  быстрее.  Предложен  пример,  демонстрирующий  отличия  при  реализации  про-

граммы. 

Ключевые  слова:  обучение  программированию,  робототехнические  конструкторы, Lego Mindstorms 

NXT 2.0, Robolab, RobotC, NXT-G. 

 

Введение 

В 2015 г. в Казахстане впервые был проведен фестиваль робототехники «RoboLand – 2015», где 

команды из 6 школ города Караганды принимали участие в соревнованиях по пяти секциям. По пра-

вилам  конкурса  в  соревнованиях  могли  участвовать  только Lego конструкторы.  В  основном  были 

представлены роботы, собранные на базе MINDSTORMS NXT 2. 

При  составлении  программ  для  управления  своими  роботами  школьники  использовали  наряду 

с графическими оболочками NXT-G и Robolab также и более гибкую среду RobotC [1, 2]. 

Результаты  конкурса  показали,  что  роботы команд,  которые  программировали  в  среде RobotC, 

оказались наиболее быстрыми и управляемыми: быстрее проходили дистанцию, совершали маневры 

и  т.д.  Менее  «подвижными»  оказались  роботы,  управление  которых  осуществлялось  посредством 

программной среды Robolab. И наконец, следует отметить, что те роботы, которые были запрограм-

мированы с использованием графической среды NXT-G, оказались самыми медлительными. Анало-

гичные результаты наблюдались и во время Международного конкурса «Робофинист – 2015», прохо-

дившего в сентябре 2015 г. в Санкт-Петербурге (Россия). 

Таким образом, из сказанного выше следует, что для достижения наиболее высокой маневренно-

сти  и  скорости  выполнения  команд  роботы-машинки,  собранные  на  базе Lego-конструктора,  пред-

почтительно программировать либо в среде Robolab, а еще лучше в RobotC. Однако использование 

последнего несколько затруднено. В первую очередь, нет достаточного количества литературных ис-

точников,  плюс  освоение  языка  занимает  достаточно  длительное  время  и  требует  знания  большего 

количества команд, специального синтаксиса и лексики. По сравнению с ним освоение среды Robolab 

менее  трудоемкое,  к  тому  же  имеется  довольно  большое  количество  учебников  и  пособий [3–5], 

в которых подробно рассматриваются те или иные комбинации при построении программного кода. 

Нами была предпринята попытка на примере своих разработок продемонстрировать возможно-

сти построения программ для прохождения трассы в секции «Ралли» за максимально короткое время.  

Цель настоящей работы — на примере построения простых программ показать различия в при-

менении графической среды NXT-G и Robolab при решении задач, связанных с прохождением слож-

ной трассы (ралли). В основу статьи был положен опыт работы со школьниками в кружке «Основы 

робототехники», который организован в 2013 г. во Дворце детей и юношества г. Караганды. Также 

использованы результаты и опыт ведения занятий курса «Робототехника» в ШОД «Дарын» и «Му-

рагер». Несмотря на сравнительно короткую историю (не более 1,5 года), учащиеся данных школ 

Применение NXT технологий… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

67 

сумели добиться высоких результатов и продемонстрировали свои способности как на республи-

канских, так и на международных конкурсах (в Санкт-Петербурге, 2015 г.). 

Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач: 

 разработка  и  сборка  конструкции  с  учетом  использования  наименьшего  количества  деталей, 

что способствовало бы малому весу; 

 освоение среды программирования NXT-G; 

 освоение среды программирования Robolab; 

 изготовление макета с траекторией трассы; 

 набор программы, тестирование и оценка времени прохождения трассы. 

При сборке необходимой конструкции робота-машинки, используемой в секции ралли, необхо-

димо  понимать,  что  мощность  всех  сервоприводов  примерно  одинакова  (зависит  от  степени  заряда 

аккумуляторов). Следовательно, машина, имеющая наименьший вес, имеет больше шансов для быст-

рого достижения финишной черты. Исходя из этих соображений была сконструирована простая кон-

струкция робота-машинки, внешний вид которой представлен на рисунке 1. 

 

 

 

Следующий этап работы был посвящен программированию в графической среде NXT-G. 

На данном этапе была поставлена цель — изучить способы организации повторяющихся дейст-

вий в языке NXT-G; способы передачи данных между блоками.  

Данная среда в прямом смысле графическая, так как при «написании» программ используются 

готовые блок-схемы, так называемые иконки. 

Рассмотрим  вкратце  основы  среды NXT-G. Графическая  среда NXT-G используется  для  про-

граммирования модуля NXT Brick. Данный софт имеет интуитивно понятный интерфейс. Создание 

программ управления роботами напоминает создание блок-схем и осуществляется с помощью специ-

альных блоков, размещаемых на LEGO-балках вдоль оси последовательности действий. Порядок вы-

полнения программы определяется порядком следования блоков. Подключение новых компонентов 

выполняется путем их «перетаскивания» с палитры программирования на LEGO-балку, как показано 

на рисунке 2.  

 

 

 

 

Рисунок 1. Конструкция простого робота-машинки 

А.К.Карбозова, К.М.Маханов и др. 

68 

Вестник Карагандинского университета 

 

Каждый из иконок-блоков обладает набором уникальных характеристик, определяющих поведе-

ние робота. Например, блок «Движение», предназначенный для активации моторов, имеет параметры 

продолжительности  хода  и  направления,  а  также  мощность,  передаваемую  на  двигатели.  В NXT-G 

имеются  блоки:  для  арифметических  операций  (сложения,  вычитания,  умножения  и  деления),  для 

таймеров, для переменных, для сравнения числовых значений (меньше, равно, больше). Присутству-

ют блоки, отвечающие за звуковые эффекты роботов или за возможность бесконечного повторения 

установленных  действий  и  за  их  завершение  по  определенным  событиям.  В  программе  возможно 

создание своих собственных компонентов, каждый из которых будет являться последовательностью 

стандартных блоков, объединенных вместе. 

Кроме  того,  платформа NXT-G включает  в  себя:  подробные  инструкции  по  сборке  огромного 

ряда  моделей  роботов LEGO; дополнительные  инструменты  для  создания  изображений,  редактиро-

вания звуков и калибровки сенсоров; контроллер для передачи, запуска и остановки созданных про-

грамм и просмотра справочной информации о микрокомпьютере (ресурсах памяти, параметрах связи 

и т.д.). Имеется возможность дистанционного управления подключенного к компьютеру робота. 

Среди основных достоинств среды графического программирования — наглядность и простота 

в использовании, позволяющие быстро освоить программное обеспечение, без особых знаний и уси-

лий. Однако диапазон функциональных возможностей NXT-G весьма ограничен и требует для рабо-

ты значительных ресурсов персонального компьютера. Последнее, в свою очередь, является сущест-

венной преградой при разработке сложных проектов. 

Отметим также, что платформа NXT-G была разработана специально для LEGO специалистами 

компании National Instruments. Данная среда программирования создана на основе собственного про-

дукта компании — программного обеспечения LabVIEW. 

В целом опыт работы показал, что использование данной среды наиболее эффективно примени-

тельно к детям младшего возраста, т.е. к учащимся 5, 6

х

 классов. 

Дальше мы рассмотрим итоги реализации следующей задачи — освоение среды программиро-

вания RoboLab. Необходимо сразу отметить, что на уроках по робототехнике наибольшую популяр-

ность  среди  среднего  звена (7–9 классы)  приобрела  именно  среда RoboLab. По  сути,  она  является 

также графической, но предоставляет больше возможностей и маневренности при составлений про-

грамм [1]. 

Robolab — это многофункциональная графическая среда программирования, которая также соз-

дана на основе LabView и ориентирована на самые разные возрасты — от дошкольников до студен-

тов. Robolab позволяет программировать несколько типов микроконтроллеров — Control Lab, RCX, 

NXT, а также проводить независимые расчеты на компьютере. 

При запуске Robolab предлагает три уровня работы: Администратор, Программист и Исследователь.  

Нажатие на кнопку Выход завершит работу Robolab.  

Рисунок 2. Внешний вид палитры программирования  

и Lego-балки 

Применение NXT технологий… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

69 

Нажатием на кнопку Помощь вызывается контекстная справка об объектах, расположенных под 

указателем мыши.  

Кнопка Авторы открывает список разработчиков. 

При  запуске  среды  на  экране  появляются  два  основных  окна,  относящихся  к  одному  проекту: 

Front Panel и Block Diagram. Первое (Передняя панель) для программирования не пригодится, но его 

можно использовать в режиме Исследователя. Второе, в котором уже расположены две пиктограммы 

светофоров  (рабочее  поле  программы),  предназначено  для  составления  программы.  Его  можно раз-

вернуть на весь экран и приступать к работе. Два вспомогательных окна — Tools Palette и Functions 

Palette  содержат  все  необходимое  для  составления  программы.  В  случае  закрытия  их  снова  можно 

вывести на экран через пункт Windows верхнего меню. 

Программа похожа на блок-схему, положенную на левый бок. Она читается слева направо, хотя 

блоки располагать можно как угодно. Блоки команд находятся в окне Functions Palette (Палитра ко-

манд). Они связываются между собой проводами, а также управляются инструментами, находящими-

ся в меню Tools Palette (Палитра инструментов). 

Рисунок 3. Пример программирования в среде Robolab 

Рисунок 4. Палитра команд и палитра  

инструментов 

А.К.Карбозова, К.М.Маханов и др. 

70 

Вестник Карагандинского университета 

Дальше мы самостоятельно приготовили каркас будущей трассы. Расчет траектории движения и 

уровень  сложности  основаны  на  реальных  трассах,  используемых  в  соревнованиях.  Вид  используе-

мой нами трассы представлен на рисунке 5. 

 

Последняя задача по «написанию» программы, тестированию и отладке нами была осуществле-

на с участием учеников 7 класса. 

Алгоритм разработанной программы работает по следующему порядку. При включении питания 

робот находится в режиме ожидания и ждет развития событий, запрашивая данные с датчиков, в ча-

стности,  с  ультразвукового  датчика,  предназначенного  для  определения  расстояния  до  ближайшего 

препятствия. Реализуется следующий алгоритм: «если расстояние до препятствия менее 20 сантимет-

ров, то робот «разворачивается» на 30

0

 (либо вправо, либо влево). Если ультразвуковой датчик «сиг-

нализирует»  о  наличии  препятствия,  то  робот  «разворачивается»  в  обратном  направлении  на 60

0

  и 

делает 5 оборотов двигателя вперед». Цикл повторяется до тех пор, пока ультразвуковой датчик не 

покажет отсутствие препятствия. Следует отметить, что во время реальных соревнований участникам 

дается дополнительное время для изменения программы, и тогда участники могут подогнать код про-

граммы под конкретную трассу. В нашем случае мы за основу брали показания ультразвукового дат-

чика. Предполагалось, что траектория неизвестна, т.е. робот должен преодолеть любую трассу. 

Второй датчик, «датчик касания», срабатывает при наличии препятствий (расположенные очень 

низко  либо  очень  узкие),  которые  не  были  обнаружены  ультразвуковым  датчиком.  При  активации 

данного датчика реализуется алгоритм программы, схожий с приведенным выше. 

Таким  образом,  задача  робота — за  минимальное  время  преодолеть  препятствие.  Ниже  на  ри-

сунке 6 представлен вид программы, разработанной в среде NXT-G (а) и RoboLab (b). 

Рисунок 5. Вид трассы, которую должен проехать робот за минимальное время 

а)

b)

Рисунок 6. Коды программ для прохождения трассы с препятствиями, 

написанные в средах NXT-G (a) и Robolab (b) 

Применение NXT технологий… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

71 

По результатам прохождения трассы нами было установлено, что в обоих случаях робот прохо-

дит трассу. Однако в случае использования программы, разработанной в среде NXT-G (рис. 6 а), он 

тратит больше времени и преодолевает трассу за 4 минуты, а в случае использования среды RoboLab 

(рис. 6 b) на преодоление той же трассы уходит около 2 минут. 

Большое различие во времени прохождения трассы объясняется тем, что возможности  оболочек 

для программирования сильно различаются. Особенно различие проявляется при преодолении угло-

вых  разворотов.  В  случае  использования  среды NXT-G программист  может  осуществить  разворот 

следующим  образом:  он  «останавливает»  двигатель  одного  колеса  и  продолжает  вращение  второго 

(в зависимости от того, в какую сторону надо повернуть). В случае применения среды RoboLab оба 

двигателя  не  прекращают  вращение,  только  вращаются  в  разные  стороны,  что  способствует  более 

быстрому завершению маневра. Это, конечно же, далеко не единственный пример имеющихся разли-

чий,  но  он  дает  возможность  явно  продемонстрировать  отличия.  Также  управление  при  помощи 

Robolab будет более точным, так как этот язык позволяет вести расчеты в формате с плавающей точ-

кой. Такие расчеты особо актуальны при программировании робота на олимпиаде, конкурсе и т.д. 

Выводы 

В заключение еще раз проведем небольшое сравнение языков Robolab и NXT-G. NXT-G постав-

ляется вместе с конструктором Lego. Robolab покупается отдельно. Тем не менее Robolab представ-

ляет собой более мощное средство программирования, поскольку поддерживает некоторые команды 

языка СИ. 

Для занятий в робототехническом кружке Robolab слишком сложен, программы громоздкие и не 

полностью интуитивно понятные. NXT-G прост и понятен, программы легко читаются. Программи-

рование простейших действий (движения) может укладываться в одну–две команды. Все параметра 

команды  настраиваются  в  отдельном  окне  и  хранятся  внутри  блока  команды,  не  загромождая  про-

граммный код. В Robolab параметры в виде разноцветных модификаторов сетью опутывают код, что 

снижает его читаемость и понятность. Но плюс такого подхода в том, что несколько команд могут 

быть подключены к одному модификатору. Еще одна проблема — вывод данных на дисплей. В NXT-G 

все элементарно — для вывода информации выделена всего одна команда, которая может выводить 

текст,  изображение  или  чертеж.  Для  вывода  числовых  данных  предусмотрена  команда  приведения 

типа в Robolab. Для работы с дисплеем представлена целая серия команд, что не совсем удобно. Бо-

лее того, не ясно, как выводить числовые данные (команды приведения типов отсутствуют). Огром-

ный минус Robolab состоит в том, что в нем перемешаны команды для RCX и для NXT, причем не 

все  старые  команды  можно  использовать  с  новым  контроллером.  А  иногда,  напротив,  происходит 

дублирование  команд,  что  вынуждает  нас  изучать  аналогичные  конструкции.  Хотя  разработчики 

утверждают, что Robolab поддерживает программирование на СИ, далеко не все возможности языка 

могут быть реализованы в текстовом виде. В основном текстом можно записать арифметические опе-

рации и функции. 

Делая общий вывод, можно сказать, что каждый из языков программирования имеет свои досто-

инства и недостатки. Robolab неплохо подходит для программирования роботов на соревнованиях, но 

более сложен в изучении, нежели NXT-G. Последний, в свою очередь, менее функционален в плане 

точных расчетов, чем Robolab. 

 

 

Список литературы 

1  Филиппов C.А. Робототехника для детей и родителей / Под ред. А.Л. Фрадкова. — СПб.: Наука, Сер. «Шаги в кибер-

нетику», 2010. — 320 ст. 

2  Lego Mindstorms. Статья в Wiki. — [ЭР]. Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/Lego_Mindstorms. 

3  LEGO–конструирование — [ЭР].  Режим  доступа: http://www.homeedu.ru/user/uatml/00000011/oneurok/docum 

/vved.htm. 

4  Конструкторы LEGO DACTA в курсе информационных технологий‚ введение в робототехнику. — М.: Ин-т новых 

технологий, 2001. 

5  Разовый набор Lego Dacta (книга учителя) ИНТ, 2009780RM. 

6  Ананьевский  М.С.,  Болтунов  Г.И.,  Зайцев  Ю.Е.,  Матвеев  А.С.,  Фрадков  А.Л.,  Шиегин  В.В.  Санкт-Петербургские 

олимпиады по кибернетике / Под ред. А.Л. Фрадкова, М.С. Ананьевского. — СПб.: Наука, 2006. 

7  История робототехники. С древности до наших дней. — [ЭР]. Режим доступа: http://www.myrobot.ru/articles/hist.php. 

А.К.Карбозова, К.М.Маханов и др. 

72 

Вестник Карагандинского университета 

А.К.Карбозова, К.М.Маханов, А.М.Мустафина, М.А.Маукебаева 

жүктеу/скачать 11,76 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: