Aυτόνομα Ρομποτικά Οχήματα με Αrduino για δράσεις εκπαιδευτικής ρομποτικής

Απαιτούμενα τυπικά προσόντα και όροι συμμετοχής

Η Αξιολόγηση των υποψηφίων θα γίνεται βάση βαθμού απολυτηρίου λυκείου (Χ10) και αν υπάρχουν τα παρακάτω, αντίστοιχα βαθμού πτυχίου (Χ20), βεβαιωμένης διδακτικής προϋπηρεσίας σε Πανεπιστήμια ή ΑΤΕΙ ή ΙΕΚ (εξάμηνo Χ 5), βεβαιωμένης εργασιακής εμπειρίας ( έτος Χ5) και αγγλικής γλώσσας ( Β2 – 5, C1 – 7, C2-10)

Σκοπός του προγράμματος

Εκμάθηση προχωρημένης χρήσης της πλατφόρμας Arduino για την κατασκευή και τον προγραμματισμό   αυτόνομων έντροχων ρομποτικών οχημάτων, που προορίζονται για δράσεις εκπαιδευτικής ρομποτικής βασικού αλλά και προχωρημένου επιπέδου.

Εκπαιδευτικοί στόχοι

Απόκτηση γνώσεων και πρακτικών δεξιοτήτων απαραίτητων για την οργάνωση και υλοποίηση βασικών και προχωρημένων δράσεων εκπαιδευτικής ρομποτικής με χρήση  αυτόνομων έντροχων ρομποτικών οχημάτων.

Στοιχεία επικοινωνίας

Χρήστος Υφούλης

Αν. Καθηγητής

Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης

Διεθνές Πανεπιστήμιο Ελλάδος 

Σίνδος - Θεσσαλονίκη

Email: cyfoulis@ihu.gr

Tel: +302310013994, mob: +306972556883

Διδάσκοντες

Οι πιστοποιημένοι εκπαιδευτές που θα συμμετέχουν είναι:

Υφούλης Χρήστος - Μέλος ΔΕΠ ΔΙΠΑΕ

Τριανταφυλλίδης Δημήτριος - Μέλος ΔΕΠ ΔΙΠΑΕ

Το εκπαιδευτικό πρόγραμμα βασίζεται σε 2 κεντρικούς άξονες. Την τεχνολογία και την εκπαίδευση. Συνεπώς οι εκπαιδευτές πρέπει να προέρχονται από τα παραπάνω γνωστικά αντικείμενα.

Η επιλογή των εκπαιδευτών θα γίνεται βάση της εμπειρίας τους στο συγκεκριμένο είτε σε παρεμφερές γνωστικό αντικείμενο. Απαραίτητη είναι η γνώση βασικών αρχών ρομποτικής ή/και παιδαγωγικών – εκπαιδευτικών θεμάτων που μπορεί να προκύπτει από σπουδές μηχανικού.  

Η Αξιολόγηση των εκπαιδευτών θα γίνεται βάση του πτυχίου, της βεβαιωμένης διδακτικής προϋπηρεσίας στο γνωστικό αντικείμενο της ρομποτικής, βεβαιωμένης εργασιακής εμπειρίας και ξένης γλώσσας. 

Στην περίπτωση κατοχής μεταπτυχιακού τίτλου ή διδακτορικού διπλώματος, νομίμως αναγνωρισμένου, συνεξετάζεται η συνάφεια του τίτλου με το προς διδασκαλία αντικείμενο.

Τα τακτικά μέλη του Εκπαιδευτικού Προσωπικού δεν κρίνονται, επειδή βρίσκονται σε διαρκή κρίση από εκλεκτορικά σώματα και οι δηλούμενες ειδικότητες γίνονται καταρχάς δεκτές, με την προϋπόθεση ότι εμπίπτουν στην περιοχή που δραστηριοποιούνται εκπαιδευτικά και ερευνητικά και δεν προσβάλλουν περιοχές άλλων μελών του προσωπικού. 

Οι υποψήφιοι διδάκτορες του τμήματος εξετάζονται κατά προτεραιότητα, ιδίως όταν το γνωστικό αντικείμενο των διδακτορικών τους σπουδών είναι συναφές προς το αντικείμενο του εν λόγω εκπαιδευτικού προγράμματος.

Τα υπόλοιπα μέλη του προσωπικού του ΔΙΠΑΕ, δηλαδή μέλη του Ειδικού Τεχνικού Προσωπικού, Διοικητικοί Υπάλληλοι και Επιστημονικοί και Εργαστηριακοί Συνεργάτες, προκειμένου να γίνουν αποδεκτές οι ειδικότητες τις οποίες επικαλούνται, υπόκεινται σε κρίση όπως και κάθε άλλος υποψήφιος εκπαιδευτής. Η κρίση γίνεται, σύμφωνα με τον κανονισμό του Κέντρου Επιμόρφωση και Δια Βίου Μάθησης

Διδακτικές ενότητες και διάρκεια αυτών

1.    Έντροχα Ρομποτικά Οχήματα με Arduino,  βασικά υλικά, εξαρτήματα και υποσυστήματα   
2.    Μηχανική,   κινηματική και έλεγχος κίνησης ρομποτικών οχημάτων  με απλές εντολές και τηλεχειρισμό
3.    Αλγοριθμική λογική και Προγραμματισμός για αυτόνομα  ρομποτικά οχήματα
4.    Ανάπτυξη δράσεων εκπαιδευτικής ρομποτικής και εφαρμογές
 

Η διάρκεια της κάθε ενότητας είναι 50 ώρες.

Αναλυτική παρουσίαση διδακτικών ενοτήτων

ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΩΝ/ΕΝΟΤΗΤΩΝ 

ΕΝΟΤΗΤΑ 1:   

Έντροχα Ρομποτικά Οχήματα με Arduino,  βασικά υλικά, εξαρτήματα και υποσυστήματα   

Ωρες: 50

Περιεχόμενο Μαθήματος/ενότητας 

Η πρώτη ενότητα επικεντρώνεται στη εξοικίωση των εκπαιδευόμενων με τα βασικά δομικά υλικά που είναι απαραίτητα για την κατασκευή και την λειτουργία ενός ρομποτικού οχήματος που να βασίζεται στην πλατφόρμα Arduino κληρονομώντας τα πλεονεκτήματα της (απλότητα, φιλικότητα χρήσης, χαμηλό κόστος, ανοικτού κώδικα και επέκτασης λογισμικό και υλικό). Αυτά περιλαμβάνουν τα παρακάτω : Σασί, τροχοί, θήκη παταριών, διακόπτης τροφοδοσίας, πλακέτα δοκιμών, διάφορα αισθητήρια, κινητήρες, οδηγοί κινητήρων (ICs,shields), LCD οθόνη, και άλλα βοηθητικά κυκλώματα (π.χ. κύκλωμα φόρτισης επαναφορτιζόμενων μπαταριών, κύκλωμα ανάγνωσης τάσης μπαταρίας). 

Μετά από μια σύντομη αναφορά στα στοιχειώδη υλικά και αισθητήρια της πλατφόρμας Arduino  (LED, μπουτόν, ποτενσιόμετρο, φωτοαντίσταση, Buzzer,αισθητήριο θερμοκρασίας, LCD οθόνη)  οι εκπαιδευόμενοι θα ενημερωθούν  αρχικά για τα βασικά και απολύτως απαραίτητα εξειδικευμένα αισθητήρια για επίτευξη αυτονομίας, δηλ. 1) επαφής-bumpers, 2) ανίχνευσης παρουσίας-κίνησης με υπερήχους ή υπέρυθρες-sonar and IR distance sensors,  3) ανάκλασης φωτός για ανίχνευση ακμών/γραμμών-ΙR reflectance sensors for edge/line detection, 4) κωδικοποιητές τροχών για οδομετρία – wheel encoders, 5) ανίχνευσης παρουσίας ζωντανών οργανισμών -PIR(Passive Infrared), 6) ήχου – μικρόφωνο για αντίληψη ηχητικών ερεθισμάτων, 7) φωτός – φωτοαντιστάσεις για αντίληψη οπτικών ερεθισμάτων.

 Επίσης θα εξηγηθεί ο ρόλος που παίζουν οι κινητήρες DC που παρέχουν την απαιτούμενη ροπή στους τροχούς κίνησης του οχήματος, και οι σερβοκινητήρες που δίνουν την δυνατότητα περιστροφής αισθητηρίων απόστασης σε διάφορες γωνίες για ανίχνευση αντικειμένων. Συνθετότερα αισθητήρια (κάμερες, φάροι, επιταχυνσιόμετρα, πυξίδες, GPS) θα μελετηθούν προαιρετικά στην τελευταία διδακτική ενότητα.  Τέλος θα συζητηθούν αναλυτικά οι διάφοροι τύποι κινητήρων που χρησιμοποιούνται (DC brushed & brushless, servo, stepper), τα χαρακτηριστικά τους, ομοιότητες και διαφορές, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και οι εφαρμογές τους.

Εκτός των πρακτικών οδηγιών και λεπτομερειών, θα δοθεί υλικό μελέτης βασικών θεωρητικών εννοιών που σχετίζονται με όλα τα υποσυστήματα του ρομποτικού οχήματος (κυκλώματα τροφοδοσίας, ηλεκτρονικά ισχύος, κινητήρες, αισθητήρια κλπ).

Ο κάθε εκπαιδευόμενος θα κληθεί κατά την διάρκεια της πρώτης ενότητας να προμηθευτεί τα βασικά υλικά που είναι απαραίτητα για την συναρμολόγηση ενός ρομποτικού οχήματος με τα απαραίτητα παρελκόμενα (αισθητήρια, κινητήρες, περιφερειακά) για την επίτευξη αυτόνομης συμπεριφοράς σε συνδυασμό και με  τηλεχειρισμό. 

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο εκπαιδευόμενος θα είναι σε θέση να:

• κατανοεί τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά ενός έντροχου ρομποτικού οχήματος 
• καθορίζει τις απαιτήσεις λειτουργίας έντροχων ρομποτικών συστημάτων
• γνωρίζει όλα τα αισθητήρια που είναι χρήσιμα στην λειτουργία του οχήματος
• γνωρίζει την λειτουργία των τύπων κινητήρων που χρησιμοποιούνται
• διαθέτει πολύ εξειδικευμένες γνώσεις, μερικές από τις οποίες είναι γνώσεις αιχμής σε ένα πεδίο εργασίας και έρευνας που αποτελεί τη βάση για πρωτότυπη σκέψη, δημιουργία και καινοτομία.
• διαθέτει κριτική επίγνωση των ζητημάτων γνώσης στο πεδίο των ρομποτικών συστημάτων και στη διασύνδεσή τους με διαφορετικά πεδία και τεχνολογίες

ΕΝΟΤΗΤΑ 2 :   

Μηχανική,  κινηματική και έλεγχος κίνησης ρομποτικών οχημάτων  με απλές εντολές και τηλεχειρισμό

Ωρες: 50

Περιεχόμενο Μαθήματος/ενότητας 

 Στα πλαίσια της δεύτερης διδακτικής ενότητας θα παρουσιαστούν διάφορες έντροχες ρομποτικές πλατφόρμες, 1) με μετατροπή φτηνού τηλεκατευθυνόμενου αυτοκινήτου-παιχνιδιού 4 τροχών, 2) Αυτοεξισορροπούμενο ρομπότ (Self-balancing robot) -  σε όρθια στάση  με ισορροπία σε 2 τροχούς 3) κυκλικού ή ορθογώνιου σχήματος με 3 τρόχους- Τρίκυκλο (κίνηση σε 2 κύριους και ένας βοηθητικός-στήριξης και ελευθερης περιστροφής-caster) . 4) ορθογώνιου σχήματος με 4 τροχούς και ανεξάρτητη κίνηση σε δύο ή τέσσερις τροχούς.

 Θα εξηγηθούν  τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και οι απαιτήσεις της κάθε πλατφόρμας, καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της, όσον αφορά το κόστος, την ευελιξία κίνησης, τις απαιτήσεις ισχύος και τις δυνατότητες αυτόνομης συμπεριφοράς. Θα εξηγηθεί πως επιτυγχάνεται ο έλεγχος της πορείας (μεταφορική και περιστροφική κίνηση) σε κάθε περίπτωση   και ο έλεγχος ταχύτητας του οχήματος με και χωρίς χρήση των κωδικοποιητών των τροχών. 

Στην συνέχεια θα εξηγηθεί  αναλυτικά η διαδικασία τοποθέτησης τους στο ρομποτικό όχημα με  εργονομία και ευελιξία, και η διασύνδεσή  και ο έλεγχος τους με τον μικροελεγκτή Arduino. Μετά την κατασκευή του ρομπότ που θα επιλέξει ο κάθε εκπαιδευόμενος θα προχωρήσει στις πρώτες δοκιμές κίνησης σε διάφορες κατευθύνσεις με τις απαραίτητες ενέργειες συντονισμού της κίνησης των τροχών, με 1) απλή βαθμονόμηση-calibration του ρυθμού περιστροφής των τροχών κίνησης χωρίς ανάδραση ή 2) πιο ακριβή έλεγχος ευθύγραμμης ή καμπυλόγραμμμης τροχιάς με ανάδραση και ρύθμιση ελεγκτή τριών δράσεων PID . 

Οι δοκιμές θα γίνουν με απλές ρουτίνες κίνησης (Forward, Backward, Right , Left, Rotate, Stop) και στην συνέχεια θα εξηγηθούν οι διάφοροι τρόποι τηλεχειρισμού του οχήματος (TV IR remote, Ethernet Shield, ZigBee, Wireless Bluetooth module κλπ). Θα συζητηθεί επίσης η χρήση του AppInventor για τον τηλεχειρισμό μέσω κατάλληλης εφαρμογής για συσκευές smartphone με Android.  Κάθε εκπαιδευόμενος θα φροντίσει για την εφαρμογή ενός από τους ανωτέρω τρόπους τηλεχειρισμού του οχήματος του και θα ολοκληρώσει την δεύτερη ενότητα έχοντας ετοιμάσει ένα λειτουργικό ρομποτικό όχημα που θα κινείται προς όλες τις κατευθύνσεις υπακούοντας στις εντολές που θα δέχεται είτε μέσω τηλεχειρισμού είτε μέσω προγράμματος.  

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο εκπαιδευόμενος θα είναι σε θέση να:

• γνωρίζει τα χαρακτηριστικά, τις ομοίότητες και διαφορές  πολλών διαφορετικών έντροχων ρομποτικών οχημάτων 
• καθορίζει τις απαιτήσεις λειτουργίας έντροχων ρομποτικών συστημάτων
• γνωρίζει και υλοποιεί πρακτικά την διαδικασία κατασκευής ενός έντροχου ρομποτικού οχήματος 
• γνωρίζει και υλοποιεί πρακτικά την διαδικασία βαθμονόμησης που απαιτείται για την ομαλή κίνηση του ρομπότ προς οποιαδήποτε επιθυμητή κατεύθυνση με προγραμματισμό
• γνωρίζει και υλοποιεί πρακτικά τις δυνατότητες τηλεχειρισμού ενός έντροχου ρομποτικού οχήματος με διάφορους τρόπους 
• διαθέτει πολύ εξειδικευμένες γνώσεις, μερικές από τις οποίες είναι γνώσεις αιχμής σε ένα πεδίο εργασίας και έρευνας που αποτελεί τη βάση για πρωτότυπη σκέψη, δημιουργία και καινοτομία.
• διαθέτει κριτική επίγνωση των ζητημάτων γνώσης στο πεδίο των ρομποτικών συστημάτων και στη διασύνδεσή τους με διαφορετικά πεδία και τεχνολογίες

ΕΝΟΤΗΤΑ 3:   

Αλγοριθμική λογική και Προγραμματισμός για αυτόνομα  ρομποτικά οχήματα

Ωρες: 50

Περιεχόμενο Μαθήματος/ενότητας 

Στα πλαίσια της τρίτης διδακτικής ενότητας θα αναλυθεί διεξοδικά ο προγραμματισμός που απαιτείται για την επίτευξη αυτονομίας στην συμπεριφορά του έντροχου ρομπότ με την κωδικοποίηση των απαραίτητων αλγοριθμων. Αξιοποιώντας τις μετρήσεις από τα αισθητήρια που έχουν αναπτυχθεί στην πρώτη ενότητα, και τον έλεγχο κίνησης με βασικές ρουτίνες που αναλύθηκε στην δεύτερη ενότητα, ο εκπαιδευόμενος θα μυηθεί στην διαδικασία συγγραφής κώδικα   για την πραγματοποίηση μιας σειράς από βάσικές  αυτόνομες συμπεριφορές. Θα εκπαιδευτεί επίσης να προγραμματίζει τον συνδυασμό διαφορετικών λειτουργιών με ταυτόχρονη αξιοποίηση σημάτων από πολλά αισθητήρια για την εμφάνιση πιο πολύπλοκων συμπεριφορών και μεγαλύτερου βαθμού αυτονομίας. Για τον σκόπο αυτό θα  υιοθετηθεί μια ευέλικτη στρατηγική προγραμματισμού σε ανεξάρτητα software modules τα οποία μπορούν να συνδυαστούν κατά το δοκούν με τις προτεραιότητες που καθορίζει ο χρήστης.

Οι αυτόνομες συμπεριφορές που θα συζητηθούν είναι οι παρακάτω : 1) Κίνηση με ανίχνευση και αποφυγή εμποδίων είτε με άμεση επαφή είτε από απόσταση – obstacle detection/avoidance, 2) Ασφαλής εξερεύνηση χώρων με επόπτευση του εδάφους για ανίχνευση  και αποφυγή επικίνδυνων εμποδίων (σκάλες, γκρεμοί κλπ) και παραμονή σε ασφαλή περιοχή – edge detection 3) Επιτήρηση χώρων με ανίχνευση εισβολέων και ενεργοποίηση συναγερμών – security surveillance 4) Εντοπισμός και ακολουθία τοίχου ή γραμμής – line following, wall following 5) Eντοπισμός και ακολουθία (η αποφυγή) πηγής φωτός – light following, 6)  Εξερεύνηση και απόδραση από λαβύρινθο - maze solving, 7) Οδομετρία – μεταφορική και περιστροφική μετακίνηση με ακρίβεια, από μετρήσεις που παρέχουν οι κωδικοποιητές τροχών. 8) Παρακολούθηση εσωτερικής κατάστασης του οχήματος για λόγους ασφαλείας (μέτρηση θερμοκρασίας, τάσης της μπαταρίας, αύξησης του ρεύματος των κινητήρων όταν το όχημα παραμένει μπλοκαρισμένο).

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο εκπαιδευόμενος θα είναι σε θέση να:

• κατανοεί τη αλγοριθμική λογική 
• αναλύει προγραμματιστικές λογικές
• καθορίζει τις απαιτήσεις λειτουργίας αυτόνομων ρομποτικών συστημάτων 
• προγραμματίζει έντροχα ρομποτικά συστήματα  για επίτευξη αυτονομίας
• διαθέτει πολύ εξειδικευμένες γνώσεις, μερικές από τις οποίες είναι γνώσεις αιχμής σε ένα πεδίο εργασίας και έρευνας που αποτελεί τη βάση για πρωτότυπη σκέψη, δημιουργία και καινοτομία.
• διαθέτει κριτική επίγνωση των ζητημάτων γνώσης στο πεδίο των ρομποτικών συστημάτων και στη διασύνδεσή τους με διαφορετικά πεδία και τεχνολογίες

ΕΝΟΤΗΤΑ 4:   

Ανάπτυξη δράσεων εκπαιδευτικής ρομποτικής και εφαρμογές

Ωρες: 50

Περιεχόμενο Μαθήματος/ενότητας 

Στην τέταρτη και τελευταία ενότητα θα συζητηθούν θέματα που αφορούν 

1. Την διδακτική προσέγγιση που πρέπει να ακολουθηθεί για την αποτελεσματική και ευχάριστη διδασκαλία  των αυτόνομων ρομποτικών οχημάτων με Arduino  σε μαθητικά ακροατήρια, έτσι ώστε σε ένα μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό να δοθεί η δυνατότητα στους μαθητές να κατανοήσουν τις βασικές αρχές λειτουργίας, διασύνδεσης υποσυστημάτων και προγραμματισμού για την επίτευξη αυτονομίας. Θα διερευνηθεί η δυνατότητα δημιουργίας και παρουσίασης στα μαθητικά ακροατήρια μιας ευέλικτης πλατφόρμας με μια ποικιλία δομικών υλικών που επιτρέπουν την ανάπτυξη  πολλών διαφορετικών  τελικών  κατασκευών  και  όχι  μιας  κατασκευής,  με  δυνατότητα προσθαφαίρεσης  αισθητήρων.
2. Τις δυνατότητες που ανοίγονται στην προετοιμασία μιας ομάδας για συμμετοχή σε διαγωνισμούς διευρύνοντας τις κατασκευές που αναλύθηκαν και σε επίπεδο  hardware και σε software, έτσι ώστε να μπορούν τα οχήματα με χρήση πιο εξειδικευμένων αισθητηρίων και πιο πολύπλοκλων αλγορίθμων να εμφανίζουν υψηλότερου επιπέδου αυτονομία. 

Οι εκπαιδευόμενοι θα σχηματίσουν ομάδες 2-3 ατόμων και θα προτείνουν επεκτάσεις με διάφορες δράσεις που απαιτούν νέα αισθητήρια. Ενδεικτικά αναφέρονται η προσθήκη γυροσκοπίων και επιταχυνσιόμετρων π.χ. για ρομπότ-μεταφορείς που ισορροπούν σε 2 τροχούς (self-balancing robots), η προσθήκη πυξίδας, GPS modules, φαρων-beacons για αυτόνομο navigation, η προσθήκη κάμερας με δυνατότητα αναγνώρισης αντικειμένων (feature extraction) ,  η λειτουργία αυτόματου παρκαρίσματος παράλληλα σε τοιχίο σε κενό χώρο ανάμεσα σε άλλα οχήματα, η κατασκευή ρομπότ-καθαριστή με δυνατότητα επιστροφής στην βάση φόρτισης όταν είναι απαραίτητο, συνεργασία/ανταγωνισμός ανάμεσα σε περισσότερα από ένα έντροχα ρομπότ  για την επίτευξη μιας αποστολής στον μικρότερο δυνατό χρόνο με/χωρίς επικοινωνία μεταξύ τους κλπ. Οι κατασκευές τους θα χρησιμοποιηθούν σε διάφορες αποστολές κα το αποτέλεσμα θα διαχυθεί σε όλους τους εκπαιδευόμενους στην ημέρα παρουσιάσεων και επίδειξης.

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο εκπαιδευόμενος θα είναι σε θέση να:

• Αναλύει, σχεδιάζει και υλοποιεί εκπαιδευτικά προγράμματα ρομποτικής
• Δημιουργεί υλικό κατάλληλο για τη διδασκαλία των αυτόνομων ρομποτικών οχημάτων
• Χρησιμοποιεί σύγχρονες παιδαγωγικές μεθόδους
• διαθέτει πολύ εξειδικευμένες γνώσεις, μερικές από τις οποίες είναι γνώσεις αιχμής σε ένα πεδίο εργασίας και έρευνας που αποτελεί τη βάση για πρωτότυπη σκέψη, δημιουργία και καινοτομία
• διαθέτει κριτική επίγνωση των ζητημάτων γνώσης στο πεδίο των ρομποτικών συστημάτων και στη διασύνδεσή τους με διαφορετικά πεδία και τεχνολογίες

                                                                                                              Χρονοδιάγραμμα σύγχρονης τηλεκπαίδευσης 

(οι κατωθί ημερομηνίες αφορούν ημέρα Τρίτη, αλλά με συνεννόηση μπορούν κάποιες συναντήσεις να γίνουν και ημέρα Πέμπτη)