Lego и электроника. Raspberry Pi, Arduino, датчики, двигатели и многое другое для применения и программирования

Томас Каффка

LEGO и электроника

Thomas Kaffka

LEGO und Elektronik

Raspberry Pi, Arduino,  
Sensoren, Motoren 
und vieles  
mehr einsetzen 
und programmieren

Томас Каффка

LEGO и электроника

Raspberry Pi, Arduino,  
датчики, двигатели  
и многое другое  
для применения  
и программирования

Москва, 2020

УДК 004.94
ББК 32.971.9
К12

Каффка Т.
К12
LEGO и электроника / пер. с нем. Е. А. Ледниковой. – М.: ДМК Пресс, 
2020. – 300 с.: ил.

ISBN 978-5-97060-685-8

В этой книге вы узнаете, как с помощью электроники и программирования 
оживить ваши наборы LEGO. Вы сможете собрать роботов с помощью кирпичиков LEGO, использовать готовую модель LEGO или сконструировать проект 
из совсем иных деталей – главное, чтобы робот был достаточно большим для 
встраивания описанных электронных компонентов. Роботы приводятся в движение при помощи микрокомпьютеров Arduino и Raspberry Pi.
Издание предназначено школьникам старших классов, их родителям, а также 
всем энтузиастам робототехники.

УДК 004.94
ББК 32.971.9

First published as LEGO und Elektronik by Thomas Kaffka. © 1nd edition 2017 by MITP Verlag 
GmbH&Co, KG. All rights reserved. Published with arrangements made by Maria Pinto-Peuckmann, 
Literary Agency-World Copyright Promotion, Kaufering. Germany.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой 
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

ISBN 978-3-95845-414-9 (нем.)
Copyright © 2017 mitp Verlags GmbH & Co. KG, Frechen
ISBN 978-5-97060-685-8 (рус.)
© Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2020

Моей дочери Пиа Хелене

Опыт – это пародия на идею.

Вольный перевод 
Иоганна Вольфганга Гете

Содержание

Предисловие..................................................................... 10

Введение............................................................................ 12

Конструктор LEGO для сборки роботов .................. 20

1.1. Оснащение LEGO электронными компонентами.... 22
1.2. Изменяем собранную модель LEGO.......................... 26

Знакомство с Arduino Uno........................................... 28

2.1. Устройство .................................................................. 28
2.2. Устанавливаем среду разработки.............................. 29
2.3. Интерфейс................................................................... 30
2.4. Исходный код программы для Arduino .................... 32

Знакомство с Raspberry Pi ........................................... 33

3.1. Устройство .................................................................. 33
3.2. Интерфейс GPIO ......................................................... 35
3.3. Задаем конфигурацию Raspberry Pi.......................... 37
3.4. Интерфейс программного обеспечения................... 43

1

2

3

Содержание

7

Сборка цепи...................................................................... 52

4.1. Сборка датчика освещенности.................................. 53
4.2. Сборка линейного датчика........................................ 54
4.3. Сборка датчика касания ............................................ 56
4.4. Сборка дополнительной платы для Arduino ............ 56
4.5. Сборка дополнительной платы для Raspberry Pi ..... 60
4.6. Сборка источника питания........................................ 66

Использование моторов .............................................. 68

5.1. Моторы-редукторы .................................................... 68
5.2. Моторы LEGO.............................................................100
5.3. Задание и решение....................................................107

Использование датчиков............................................109

6.1. Реагирование на яркость ..........................................109
6.2. Измерение расстояний .............................................123
6.3. Обнаружение препятствий.......................................138
6.4. Обработка стороны света .........................................151
6.5. Задания и решения ...................................................157

Применение других компонентов ..........................161

7.1. Применение светодиодов .........................................161
7.2. Управление звуком....................................................170
7.3. Распознавание цвета.................................................181
7.4. Воспроизведение музыки с помощью  
Raspberry Pi.......................................................................188
7.5. Вывод информации на ЖК-дисплей ........................190
7.6. Задания и решения....................................................196

Робот, который не падает со стола  
и управляется с помощью Raspberry Pi .................198

8.1. Робот...........................................................................199
8.2. Датчики......................................................................202

4

5

6

7

8

Содержание

8

8.3. Программа .................................................................203
8.4. Параметризация........................................................205
8.5. Программа для Arduino.............................................206

Выход из лабиринта с помощью экспертной  
системы и Arduino ........................................................208

9.1. Для начала немного теории......................................208
9.2. Робот...........................................................................211
9.3. Датчики......................................................................214
9.4. Программа ................................................................218
9.5. Параметризация........................................................224
9.6. Выход из лабиринта с помощью Raspberry Pi .........225

Робот, который следует по линиям  
благодаря нейронной сети под управлением
Raspberry Pi......................................................................226

10.1. Краткое введение в нейронную сеть......................226
10.2. Робот.........................................................................228
10.3. Линейный датчик....................................................231
10.4. Стандартная программа для следования  
по линиям.........................................................................231
10.5. Обучение следованию по линиям  
с помощью нейронной сети............................................237
10.6. Следование по линиям с помощью  
нейронной сети................................................................242
10.7. Робот, который следует по линиям  
и управляется с помощью Arduino .................................243

Дистанционное управление роботом  
с помощью Raspberry Pi ..............................................245

11.1. Робот.........................................................................245
11.2. Дистанционное управление с помощью  
приложения Raspberry SSH..............................................247
11.3. Дистанционное управление посредством  
веб-сервера и PHP............................................................251

9

10

11

Содержание

9

11.4. Усовершенствование робота...................................256
11.5. Дистанционное управление роботом  
с помощью Arduino..........................................................257

Сбор стаканчиков роботом под управлением
Raspberry Pi и модуля BrickPi+..................................258

12.1. Робот.........................................................................259
12.2. Распознавание стаканчиков через камеру............261
12.3. Другие датчики........................................................262
12.4. Сбор стаканчиков ...................................................264
12.5. Параметризация программы .................................265

Модернизация имеющейся модели LEGO............267

13.1. Робот под управлением Arduino.............................268
13.2. Робот под управлением Raspberry Pi......................270
13.3. Датчики....................................................................271
13.4. Перспективы............................................................271

Приложение.....................................................................272

А.1. Небольшие фрагменты программ  
для отдельных компонентов...........................................272
А.2. Язык программирования С(++)................................276
А.3. Язык программирования Python.............................281
А.4. Справочник компаний-поставщиков .....................285
А.5. Настройка сервера VNC для Raspberry Pi ................286
А.6. О нейронной сети .....................................................287

Предметный указатель................................................296

12

13