探索LEGO Mindstorms EV3
机器人搭建与编程实用工具及技术
Exploring LEGO Mindstorms EV3
Tools and Techniques for Building and Programming Robots
　　 [韩]　 朴恩俊（Eun Jung Park）著
　　　　 辛悦　 译
RoboFun创始人作序推荐，经验丰富的乐高机器人项目设计师撰写，全面介绍Mindstorms EV3套装
包含5个有趣的项目实例，涵盖从基础到高级的编程知识，并提供大量实用技巧

最新的LEGO Mindstorms 套装上市啦！你可以使用EV3搭建更智能、更强大的自主和互动式机器人。这个套装包括500多块乐高科技零件，你也可以获得升级的组件令你的乐高作品变得像机器人。这些组件包括将作为机器人大脑的可编程程序块（微型计算机）、将作为机器人肌肉的电机，以及使机器人意识到周围世界的传感器。使这个组件更酷的是EV3软件，它成为连接你和机器人的桥梁。你可以使用这个软件编写数不清的程序，并将它们下载到可编程程序块中使你的机器人富有生命。
我相信EV3套装是可以用在任何地方且最人性化的机器人套件之一。非常神奇的是，使用这个套装搭建和编程真的不需要任何经验。你对机器人的热情才是你需要的一切。不管怎样，如果你有一位可以指引你的伙伴，那么和EV3一起探索机器人世界的过程将更令人心满意足。本书将成为你探索时的伙伴。
本书将从你打开EV3盒子时看到的部件开始介绍，以如何开始制作你自己的机器人为结束，中间部分将涵盖从基础到高级的广泛编程内容。这些课程以项目的形式呈现，均可以用你自己的EV3套装完成。本书共包含五个机器人项目，我希望通过你的EV3旅程可以使你去挑战自己成为更好的创客。
下面是本书的组成部分：
第1章介绍LEGO Mindstorms EV3套装。
第2章将搭建入门小车（被称为自动驾驶汽车），它也将成为你在第3章至第6章里进行编程时使用的核心机器人。
那只你将在第7章里见到的间谍兔会在第8章和第9章陪伴你，并向你介绍传感器编程。
第10章和第11章将搭建龟先生（一只海龟机器人）并使其拥有生命。
第12章介绍了高级编程技巧。
第13章将搭建一个像人一样的大肚机器人，它可以进食，还可以便便。
第14章不仅仅介绍机器小狗Guapo，还将介绍一些设计机器人的诀窍。
附录将帮助你使用蓝牙或WiFi将程序下载到EV3程序块中。
如果你是初学者，我建议你从头至尾阅读本书。读完之后，你将在使用EV3的过程中更加有信心自己搭建机器人和编程。如果你拥有使用LEGO Mindstorms搭建机器人的经验，你可以根据需要跳读书中的内容（但是，不要错过那些机器人）。本书将作为对你已掌握知识的参考，以及未来搭建和编程的实用工具。
你是否吃过有果冻夹心的硬糖？在写本书的时候，我希望读者可以像吃一块夹心糖果一样学会如何使用EV3。你很努力地去融化糖果的外部想要吃到很有嚼劲的内心。无论你多努力，这个过程都将收获奖励，因为吃糖果的时候是十分甜蜜和满足的。探索EV3从而变成一位机器人搭建大师可能会是一个漫长的旅程，但是我希望你一页一页地翻阅本书，就像融化糖果的过程一样。

计算机\人工智能

“EJ Parks的这本书全面介绍了EV3套装，从入门汽车机器人到可以进食和便便的机器人，各个技术层次的读者都可以从书中找到新鲜又令人兴奋的内容，从而激发他们的想象。”
——Dustyn Roberts，
《让东西动起来：给发明家、业余爱好者以及艺术家的DIY机械装置》的作者
“如果你认为计算机编程对数学知识的要求过多而不适合你，那么本书就是为你量身打造的。Eun Jung Park以轻松的谈话式风格，以大量的日常情况作为示例来解释编程原理，并展示如何应用这些原理使用LEGO Mindstorms搭建许多有趣的机器人。Park 为我们介绍了编程，展示了它用于描述和控制机器人的行为，这些机器人可以感知外界、移动并对现实世界做出反应。”
——Tom Igoe，纽约大学帝势艺术学院副教授
“LEGO EV3系统是学习机器人和物理计算的强大而灵活的平台。在本书中，EJ Park 为我们提供了实用的步骤指导，使学习控制电机、使用传感器并为机器人编程的过程变得简单。无论你是学生、老师、业余爱好者，或者仅仅对机器人好奇，作者和她的五个机器人同伴（自动驾驶汽车、间谍兔、龟先生、大肚机器人和机器小狗Guapo）将引导你踏上从初学者快速成为机器人专家的旅程。”
——Jaymes Dec，纽约玛丽蒙学校和纽约Makery的科技教育家
使用LEGO MINDSTORMS EV3搭建和编程互动式机器人
? 探索EV3程序块——可编程程序块的特点
? 使用动作模块设计机器人的动作
? 使用红外、触动和颜色传感器组成环境传感器
? 使用数据线和传感器模块编程
? 使用数据操作模块处理来自传感器的数据
? 搭建拥有不同功能的独特EV3机器人：自动驾驶汽车、间谍兔、龟先生、大肚机器人和机器小狗Guapo
? 探索想法和练习的过程将帮助你开发自己设计和编程EV3机器人的方法

从成为乐高机器人教师，到后来创办红心机器人俱乐部，我接触过不少英文版的乐高机器人书籍。本书作者EJ Park拥有丰富的乐高机器人项目和课程设计的经验，了解各个技术层次的读者所需的技能和挑战，因此本书非常清晰且有条理地介绍了LEGO Mindstorms EV3的硬件和软件，并让读者在学习的同时收获快乐。
本书包括五个生动、有趣的项目模型，涵盖了从基础到高级的编程知识。初学者可以按照搭建指南的步骤进行搭建，有一定基础的读者可以从中学习到许多搭建的技巧并获得新奇的想法。除了程序示例以外，我强烈建议大家完成“试一试”中的题目。EJ Park提供的练习都很有意思，可以帮助大家巩固所学的知识，掌握解决问题的思路和编程的方法。“技巧”部分将教给大家很多编程的好习惯和小窍门，同样希望读者可以仔细研读。尤其是，本书的最后一章介绍了作者本人的机器人设计思路和经验，是非常宝贵的分享。
在翻译本书时，考虑到大部分读者习惯于使用中文版软件，我对技术术语的翻译均采用了中文版软件中的词汇。学习乐高机器人，最重要的是动手和尝试。在阅读本书时，搭建及编程是必要的，请读者按照书中项目、程序、变量、我的模块等名称进行命名。书中程序由浅入深，前文使用的一些对象会在后面的章节再次使用。使用和书中同样的名称可以提高学习效率。
翻译本书让我受益匪浅。希望本书能让更多的人了解乐高机器人，也像我一样从本书中收获知识和乐趣。特别感谢陈曾涛在翻译过程中对我的耐心、鼓励和建议。

辛悦

我进入乐高机器人领域已经有25年。我最早的一些经验来自Seymour Papert（麻省理工学院媒体实验室）与同事们一起设计并应用于儿童课程。从那时起，我就有了不同寻常的机会来运营我自己的公司，以帮助儿童和教师富有创造性且有效地使用技术。
大约三年前，一位同事介绍我同EJ Park相识。在EJ走进门的那一刻，我就知道她很特别。我很快邀请她和我一起工作，并且在过去的几年里，她一直是我的乐高机器人项目设计师。EJ在工作上永远追求完美。她不满足于退而求其次。最重要的是，她非常认真并专注于分享她在Mindstorms体系中令人难以置信的知识。这本书就像大餐一样，它被精心烹饪，并将为读者奉上想法、例子以及一步一步的指导。
当你听到“乐高机器人”这个词语时，你想到的是不是发明、创新，以及EV3平台带来的无限可能性，还有它在STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）和创客运动中的地位？
还是认为“机器人学”就是指在你家客厅摊开的乐高Mindstorms套装的600块积木，你尝试着激发孩子对机器人的兴趣，尽管你不知道该怎么做？
无论你现在处于机器人旅程中的哪一段，你都很难找到一本比本书更好的指导书。EJ 是一位拥有多年经验的小机器人发明者和乐高机器人项目设计师，同时还是充满热情的创造者和创客。EJ 教授各个级别的机器人学课程，因此她了解初学者应该学习的技能以及可以令专家感到兴奋的挑战。
本书通过清晰、有条理的搭建步骤教授机器人学。本书包含五个项目，教读者如何搭建机器人，如何编写程序使机器人可以工作，以及如何在学习的同时收获乐趣。
然而，机器人学不仅仅是根据既定的步骤制作可以移动的物体。就像EJ写的一样（我们在纽约市RoboFun教课也是如此），我们希望这个过程和这个产品是创新的，是受到其创造者的灵感和热情所启发的。
编程和搭建是十分强大的学习组合，其中会涉及计划、计算、估算、使用变量、齿轮比以及许多试错。编程和搭建可以帮助学生开发自主学习的能力，这是一种经常被学校课程排除在外，但对于儿童是十分必要的智力开发工具。
正如你将通过本书学到的，这个多层次学习过程的最终结果是，当学生们推出自己的发明并看到一个机器人作品（他们的机器人作品）活灵活现时感到的巨大兴奋和自豪。

Laura Allen
RoboFun 创始人兼总裁

推荐序
译者序
前言
致谢
第1章　介绍LEGO Mindstorms EV3 1
1.1　了解 EV3 套装：从你打开包装的那一刻开始 1
1.1.1　EV3电子部件 2
1.1.2　EV3软件 4
1.1.3　搭建部件 5
1.1.4　搭建指南和试验板 8
1.2　比较EV3和NXT 9
小结 9
第2章　搭建自动驾驶汽车：入门车型 10
2.1　从自动驾驶汽车开始 10
2.1.1　你可以使用自动驾驶汽车做什么 10
2.1.2　组装自动驾驶汽车 12
2.2　了解EV3程序块界面 21
2.2.1　使用程序块按键 21
2.2.2　探索基础界面 22
2.2.3　操作自动驾驶汽车 26
小结 26
第3章　让我们开始编程 27
3.1　什么是编程 27
3.1.1　与机器人沟通 27
3.1.2　了解编程语言 28
3.1.3　预览 EV3 软件系统 28
3.2　启动EV3软件 29
3.2.1　你在屏幕上看到了什么 29
3.2.2　了解编程界面和图形化语言 32
3.2.3　开始习惯界面 34
3.3　将程序下载至机器人 37
3.3.1　将EV3程序块连接至计算机 37
3.3.2　在软件中读取EV3程序块 39
小结 41
第4章　探索动作模块第一部分：电机编程 42
4.1　了解模块编程基础 42
4.1.1　规则1：使用开始模块 42
4.1.2　规则2：尊重程序流程 43
4.1.3　编程模块结构概览 44
4.2　开始认识电机的输入值 44
4.2.1　关闭、开启及开启指定秒数模式 45
4.2.2　开启指定度数和指定圈数模式 46
4.2.3　电机功率输入和电机方向 48
4.3　使用大型电机模块和中型电机模块控制电机 48
4.3.1　使用大型电机模块工作 49
4.3.2　使用大型电机模块新建程序 49
4.4　使用移动转向模块控制两个电机 52
4.4.1　使用移动转向模块工作 52
4.4.2　使用移动转向模块新建程序 55
4.5　使用移动槽模块控制电机的功率等级 59
4.5.1　使用移动槽模块工作 59
4.5.2　使用移动槽模块新建程序 59
小结 60
第5章　探索动作模块第二部分：使用显示、声音和程序块状态灯模块 61
5.1　显示模块 61
5.1.1　显示文本：文本—像素和文本—网格模式 63
5.1.2　绘制形状：线、圆圈、矩形和点模式 68
5.1.3　显示图像：图像模式 71
5.1.4　重置显示：重置屏幕模式 75
5.2　声音模块 75
5.2.1　播放文件模式 76
5.2.2　播放音调模式 78
5.2.3　播放音符模式 79
5.2.4　停止模式 80
5.3　程序块状态灯模块 80
5.3.1　开启模式 80
5.3.2　关闭和重置模式 81
小结 81
第6章　探索流程模块 82
6.1　开始模块 82
6.1.1　开始程序 82
6.1.2　展示代码 83
6.2　等待模块 83
6.2.1　等待模块的比较模式 84
6.2.2　等待模块的更改模式 84
6.2.3　时间模式 85
6.2.4　程序块按钮模式 86
6.3　循环模块 88
6.3.1　无限制、计数和时间模式 89
6.3.2　程序块按钮模式 90
6.4　循环中断模块 91
6.5　切换模块 92
6.5.1　切换模块中的比较模式 93
6.5.2　切换模块中的测量模式 95
6.5.3　使用来自数据线的值 96
小结 97
第7章　搭建间谍兔：一个可以对其周围环境做出反应的机器人 98
7.1　了解间谍兔 98
7.1.1　间谍兔的性格 99
7.1.2　组装间谍兔 99
7.2　测试间谍兔的移动组件 115
小结 116
第8章　感知环境：使用红外线、触动和颜色传感器 117
8.1　了解传感器 117
8.2　介绍EV3传感器 118
8.3　使用红外传感器和远程红外信标 118
8.3.1　远程红外信标 119
8.3.2　远程模式 120
8.3.3　信标模式 122
8.3.4　近程模式 124
8.3.5　使用红外传感器在端口查看中读取数值 127
8.3.6　使用红外传感器和远程红外编程 128
8.4　使用触动传感器 132
8.4.1　为间谍兔添加触动传感器 133
8.4.2　使用触动传感器在端口查看中读取数值 135
8.4.3　使用触动传感器编程 135
8.5　使用颜色传感器 138
8.5.1　颜色模式 138
8.5.2　反射光强度模式 140
8.5.3　环境光强度模式 140
8.5.4　为间谍兔添加颜色传感器 142
8.5.5　使用颜色传感器在端口查看中读取数值 144
8.5.6　使用颜色传感器编程 144
小结 146
第9章　使用计时器和电机旋转传感器 147
9.1　了解计时器 147
9.1.1　在编程模块中使用计时器 148
9.1.2　使用计时器编程 151
9.2　了解电机旋转传感器 153
9.2.1　在编程模块中使用电机旋转传感器 153
9.2.2　使用电机旋转传感器编程 156
小结 159
第10章　搭建龟先生：海龟机器人 160
10.1　了解龟先生 160
10.1.1　龟先生的身体结构 161
10.1.2　组装龟先生 162
10.2　测试龟先生的移动 182
小结 183
第11章　使用数据线编程并使用“我的模块” 184
11.1　什么是数据线 184
11.2　数据线是如何工作的 185
11.2.1　由数据线编程开始 185
11.2.2　使用模块输入和输出 187
11.2.3　了解数据类型和数据线类型 187
11.3　传感器模块和数据线 190
11.3.1　设置传感器模块 191
11.3.2　练习1：耶！我发现了些什么 192
11.3.3　练习2：你能听到我吗 193
11.3.4　练习3：亮光唤醒龟先生 194
11.4　介绍我的模块 195
11.4.1　使用我的模块创建器 195
11.4.2　导出和导入我的模块 199
小结 200
第12章　使用数据操作模块 201
12.1　变量模块 201
12.1.1　什么是变量 202
12.1.2　设置变量模块 202
12.2　常量模块 206
12.2.1　常量模块的多种模式 207
12.2.2　动作中的常量模块 207
12.3　阵列运算模块 208
12.3.1　附加模式 208
12.3.2　读取和写入索引模式 208
12.3.3　长度模式 209
12.4　逻辑运算模块 210
12.4.1　And模式 210
12.4.2　Or模式 211
12.4.3　XOR模式 211
12.4.4　Not模式 211
12.5　数学和舍入模块 213
12.5.1　数学模块 213
12.5.2　舍入模块 215
12.6　比较、范围和随机模块 215
12.6.1　比较模块 215
12.6.2　范围模块 216
12.6.3　随机模块 217
12.7　文本模块 217
小结 218
第13章　搭建大肚机器人：一个可以吃东西和便便的机器人 219
13.1　了解大肚机器人 219
13.1.1　大肚机器人的性格 220
13.1.2　大肚机器人的机械结构 220
13.1.3　组装大肚机器人 222
13.2　给大肚机器人编程 241
13.2.1　动作1—直立 241
13.2.2　动作2—进食 242
13.2.3　动作3—便便 242
13.2.4　动作4—关闭后端 243
小结 243
第14章　设计你自己的机器人：机器小狗Guapo 245
14.1　搭建机器小狗 Guapo 245
14.2　设置目标 274
14.2.1　为目标收集灵感 274
14.2.2　定义机器人的动作 274
14.3　决定移动部件和传感器 275
14.3.1　绘制草图做计划 275
14.3.2　添加传感器 276
14.4　搭建和修改 279
14.5　开始编程 280
小结 281
附录A　使用EV3程序块的蓝牙和WiFi功能 282