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TicTacToe-Spiel mit Lego Mindstorm EV3

Zielstellung:

Praktisches Ergebnis: Legoroboter ALBERT ALFRED EINLEGOSTEIN

Praktisches Ergebnis: Legoroboter ALBERT ALFRED EINLEGOSTEIN

  • Erfassen des momentanen Spielstandes mit einer Webkamera und einem Bildverarbeitungsalgorithmus
  • Entwicklung eines Algorithmus zur Ermittlung des nächsten Spielzuges vom Roboter
  • Übertragung der Feldnummer an den Roboter
  • Ablegen der Spielsteine durch den Legoroboter

Mechanischer Versuchsaufbau und Funktionsweise des Modells:

Spielfeld mit Legoroboter, Magazin und Webcam

Spielfeld mit Legoroboter, Magazin und Webcam

  • mechanischer Versuchsaufbau erfolgt mit dem Lego Mindstorm Set
  • Kernstück des Bausatzes sind ein programmierbarer Legostein sowie Elektromotoren, Sensoren und Lego-Technik-Teile (Lochbalken, Zahnräder, Achsen, usw.)
  • Lego-Steckverbindungen ermöglichen einfache Konstruktion; es sind keine komplizierten Aufbauten mit Löt-, Bohr- und Schraubarbeiten notwendig
  • Versuch besteht aus einem Legoroboter und einer auf einem Gestell montierten Webkamera
  • der Roboter wurde programmiert mit der von Lego entwickelten Software EV3-G (übersichtliche, symbolbasierte Programmieroberfläche)
  • zur Bildverarbeitung wurde das Programm „Matlab“ genutzt

Legoroboter "ALBERT ALFRED EINLEGOSTEIN":

Legoroboter ALBERT ALFRED EINLEGOSTEIN

Legoroboter "ALBERT ALFRED EINLEGOSTEIN

  • besteht aus dem programmierbaren Legostein, zwei Antriebsmotoren, einem Drehmotor, einem Ultraschallsensor, zwei Farbsensoren und einem Gyrosensor
  • mithilfe des ersten Farbsensors wird die Feldnummer für den Spielzug vom Dialogfeld abgenommen
  • dann wird mit definierten Radumdrehungen ein Spielstein vom Magazin geholt
  • mit Hilfe des Gyrosensors dreht sich der Roboter und legt in einer mit dem Ultraschallsensor bestimmten Entfernung zum Gestell der Webkamera den Spielstein auf dem Spielfeld ab
  • nachdem der Roboter sich wieder zurück gedreht hat, fährt er mit Hilfe des zweiten Farbsensors an einer schwarzen Linie zurück, bis er seine Ausgangsposition und eine bestimmte Entfernung zum Magazin erreicht hat
  • nun wartet er auf den nächsten Zug

Magazin für Spielsteine:

Magazin für LEGO-Spielsteine

Magazin für LEGO-Spielsteine

  • Spielsteine werden übereinander gelagert, wodurch der nächste Spielstein nach dem Wegnehmen nachrutscht

Webkamera auf Legoplattform:

Webcam auf Legoplattform

Webcam auf Legoplattform


  • besteht aus der Kamera und einer Legoplattform
  • ist über ein USB Kabel mit dem Rechner verbunden
  • Bildverarbeitung und Spielzugberechnung wurden in Matlab programmiert
  • Ausgabe der Feldnummer erfolgt über  ein Dialogfeld

MATLAB-Programm zur Spielsteuerung und Bildverarbeitung

MATLAB-GUI und Webcam

MATLAB-GUI und Webcam

In der Programmierumgebung MATLAB wurde Software implementiert für

  • die Erkennung der Spielsteine auf dem Feld (Bildverarbeitung)
  • die Berechnung, auf welches Feld der Roboter als nächstes legen soll (Spielablaufsteuerung)
  • die grafische Darstellung von Spielablauf und Berechnungen

Fehleranalyse:

  • Messungenauigkeiten der Sensoren
  • eingeschränkter Wertebereich
  • gemessene Sensorwerte sind ganzzahlige Werte
  • Störungen der Sensoren (durch bspw. andere Ultraschallquellen)
  • Gyrosensor wird bei jedem Programmstart auf Null gesetzt. Deshalb muss der Roboter beim Start erst ausgerichtet werden.

Zusammenfassung:

  • es wurde eine Lösung des Problems der Datenübertragung entworfen
  • ein passender Roboter, eine Halterung für die Webkamera und ein Magazin zum Aufbewahren der Spielsteine des Roboters wurden gebaut
  • es wurde ein Spielfeld und passende Spielsteine gefunden
  • der Roboter holt sich eigenständig die Spielsteine und legt sie auf dem richtigem Spielfeld ab
Betreuer: Frau Prof. Kelber
Bearbeiter: Emanuel Schleif, Lukas Otto und Marius Gebert
Gymnasium: Gymnasium Dresden-Plauen
Zeitraum: 23.04.-04.05.2018
Ergebnis: Bau, Programmierung und Dokumentation eines Legoroboters
Last changed: 24.01.2019  |  Author: E. Schleif, M. Gebert, L. Otto und K. Kelber