樂高 NXT與EV3主控模塊的比較及功能適用性探析

趙鶴然

（山東省實驗中學西校區高三45班，山東 濟南 250000）

樂高機器人（Lego Mindstorms）是由丹麥樂高公司和美國麻省理工學院媒體實驗室（Media Lab）合作開發的可編程式、模塊化拼裝機器人套件，現已廣泛應用于青少年科技教育、科學實驗、機器人競技比賽等眾多領域。筆者多年跟隨俱樂部參加培訓和比賽，均以樂高機器人套件為主要器材，對其第2代產品NXT和第3代產品EV3都有較多使用。筆者認為，盡管二者是新舊兩代產品，但NXT目前亦有一定的優勢。將NXT和EV3進行認真比較分析，對在教育培訓和競賽中用好樂高機器人套件，具有一定的指導作用。

1 樂高機器人的發展與系統特征

樂高公司的模塊化機器人產品統稱為頭腦風暴（Mindstorms），名字來源于西蒙·派珀特教授1980年出版的著作《頭腦風暴：孩子、電腦和超強創意》。樂高機器人的設計研發始于1986年，從1998年推出第一代LEGO Mindstorms RCX 開始，迄今共推出3代產品，此間還陸續推出過若干改進版和用于特定套裝的簡化版（表1）。由于內存容量小、編程不便、功能低下等原因，RCX已基本退出市場，而2006年推出的第2代產品LEGO Mindstorms NXT，和2013年推出的第3代產品LEGO Mindstorms EV3，目前均有大量使用。

表1 樂高機器人的產品發展

從第1代RCX開始，樂高機器人就形成了穩定的模塊化結構系統，整個系統由主控模塊（主機）、伺服電機、傳感器、技術零件（齒輪、輪軸、橫梁、插銷等）等4大系列模塊組成。主控模塊是系統的大腦和指令中樞，可通過編程控制與之相連的外部組件，顯示屏可以反饋相關信息和狀態。電機模塊用于動力輸出，通過接口與主控模塊相連接，接收指令，同時由主控模塊供電。觸動、溫度、距離、光線等各種傳感器，同樣通過接口與主控模塊相連接，用于采集外部環境信息。技術零件是主要的機構組件，用來將各種模塊連接為一個整體，它也是最豐富多樣的模塊系列。產品換代以主控模塊的版本升級和功能改進為主，傳感器和電機模塊亦有相應增加或改善，而很多技術零件在各代產品中是兼容通用的。

除硬件的改進外，編程方式也不斷演變，越來越友好和便于使用。MIT研究人員為第1代RCX開發了基于NI LabVIEW的圖形化編程工具RCX Code，采用一種圖標式的程序碼進行邏輯操作，通過拖拽圖標模塊并按指令順序連接代碼即可編程，比較適合沒有編程經驗者，但它不適合為復雜項目編程。第2代NXT出現了革命性的NXT-G圖形化編程軟件，簡稱G語言，對圖標模塊進行了簡化，由400個減少為40個。第3代EV3最大的變化是主控模塊自身即可進行簡單編程，而依靠外部計算機的編程軟件界面也更加友好和便于使用，它將可更改的參數置于圖標中，更可以通過簡單拼接圖標達到復雜的運算效果，還將編程的實際操作和幫助文檔有機結合起來。當然，以上所述均為樂高公司官方提供的編程軟件，隨著樂高機器人的發展，第3方編程軟件也一直相伴相生，如微軟開發的Microsoft Robotics Studio (MSRS)、卡內基梅隆大學開發的RobotC等，均得到普遍使用。

2 NXT與EV3主控模塊的比較

2.1 NXT主控模塊

NXT基于32位ARM7微處理器，RAM為256K，內置USB和藍牙模塊，具有4個輸入端口（連接傳感器）和3個輸出端口（連接電機），套件中配置了觸動、聲音、光電、溫度和超聲波等傳感器，通過連接組合和編程可以實現多種功能（圖1）。除了控制系統較RCX大幅增強外，NXT的電機使用伺服控制，程序執行起來更加精準。此外，NXT 使用官方提供的NXT 2.0 Programming進行編程，也可以使用微軟推出的可視化編程環境Microsoft Robotics Studio進行編程與開發，該軟件能模擬機器人仿真運行，操控較為方便。

2.2 EV3主控模塊

EV3主機采用300MHz的64位ARM9處理器，基于Linux操作系統，內置16MB的ROM和64MB的RAM。EV3主機有4個輸入端口及4個輸出端口，另有一個用于數據和程序傳輸的編程接口和一個可連接WIFI通信模塊的USB2.0接口；一個mini SD卡擴展槽，支持最高32GB的micro SD外置存儲卡。EV3主機支持USB2.0、藍牙和WIFI與PC、移動設備進行通訊，可通過iOS、Android系統的移動設備App進行控制，經過簡單改造，甚至可以支持簡單的人機交流。EV3的傳感器類型更加豐富，增加了陀螺儀傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器等，可以實現更多的外界環境感知，進而使機器人更為智能。

圖1 樂高機器人3代主控模塊外觀圖

2.3 性能比較

NXT和 EV3主控模塊的基本性能指標見表2。

顯然，與上一代產品NXT相比，EV3的整體性能有大幅提升，其運算速度、數據處理能力、通訊能力等方面都優于NXT，主要表現在3個方面。首先，與NXT的封閉系統不同，EV3運行的是基于Linux的開源操作系統，這意味著機器人幾乎就是一臺完整的計算機，使用者無須借助額外的計算機，即可在EV3主控模塊上進行簡單編程。更為強大的是，通過針對性的Linux編程支持，可以突破樂高產品套件的限制，將任何設備與EV3相連接，例如用于無線連接的WiFi加密狗、USB鍵盤或網絡攝像頭等，均可通過USB接口連接到EV3主控模塊，實現更多的功能。其二，與NXT相比，EV3有更強大的主控模塊串聯能力。盡管通過藍牙通訊，NXT主控模塊間可以進行連接，但連接過程較為復雜，并容易受外界信號干擾而失穩。EV3有菊鏈（Daisy-Chain）接口，可以用USB串接主控模塊，可連接多達4個EV3主控模塊，因此實現在一個機器人上控制16個電機和16個傳感器。配合外置micro SD卡存儲，EV3可以進行復雜的編程和大量數據的處理，實現高度復雜的動作和功能。其三，作為新一代產品，EV3向后兼容，NXT套件中的電機和傳感器均可用于EV3，與EV3套件模塊混合搭配使用，即便是最早版本的NXT 觸動傳感器，經過修改也能夠與EV3兼容。但EV3傳感器無法用于NXT主控模塊。EV3的官方編程軟件可以對NXT進行編程， EV3軟件能夠辨識和顯示NXT設備，也就是說，NXT的用戶也可以下載EV3編程軟件進行編程操作。相反，NXT軟硬件不可兼容EV3。

表2 NXT和 EV3主控模塊的基本性能指標比較

盡管EV3整體上更勝一籌，但作為老一代產品，NXT仍然有一定優勢，特別是針對特定使目的和特定人群來說，NXT有值得偏愛之處。第一，傳感器是機器人功能實現的關鍵，樂高套件提供的傳感器畢竟種類有限，類型豐富的第3方傳感器是實現特殊功能的必備 組 件。HiTechnic，Mindsensors和 Dexter Industries等第三方生產商針對NXT開發了大量的傳感器，但這些傳感器必須專門創建編程模塊，才能用于EV3。目前，HiTechnic公司已推出I2C總線通訊、模擬傳感器和顏色傳感器三種程序模塊，支持與EV3的連接，但總體上第三方傳感器軟件支持的跟進尚在繼續，導致EV3在傳感器可用性上，目前與NXT相比稍顯不足。第二，為更精確地進行市場定位，EV3加強了定型化設計，目前推出的家庭版和教育版均為定型化教育機器人產品，特定的套件實現有限的功能，如擴展功能，則需再單獨購置程序和擴展包，其經濟代價較高。相比而言，NXT更為廉價，支持LABview和RobotC的編程，各種擴展功能較多，加1塊HiTechnic的Prototype Board，甚至可以做數據采集卡。EV3的Linux系統緩慢的開機速度和較為有限的編程軟件，并不能令高級用戶滿意。對于高級用戶來說，NXT依靠編程和增加傳感器，也能夠非常廉價地實現EV3的很多功能。

3 功能適用性分析

基于以上NXT與EV3主控模塊的性能比較，可以認為，目前EV3比NXT更有整體優勢，但NXT暫時無法完全被替代。NXT價格低廉，具有很好的擴展性和豐富的外設支持，比較適合高級用戶在預算緊張的情況下進行復雜的科學實驗和機器人競賽項目搭建。另外，由于NXT的操作界面、編程較為簡單，更適合初學者入門學習使用。由于數據處理能力有限，存儲空間小，NXT不適合高度復雜的編程，比較適合相撲、投籃等一些簡單的比賽。EV3作為專為定型化的教育機器人產品，更適合用于機器人教育普及課堂和有一定基礎的青少年使用。對于高級用戶而言，在經費充足的情況下，通過增購程序、設備和復雜的編程，EV3可以實現高度復雜的功能，比較適合WRO等高級機器人比賽。當然，EV3畢竟是全面更新換代的樂高機器人產品，具有NXT不可比擬的潛力，隨著外圍支持的發展和使用者的增多，EV3全面勝過NXT，只是時間問題。