Μάθημα : POMΠOT

ΣΤΕΙΛΤΕ ΜΟΥ ΜΙΑ ΤΕΤΟΙΑ ΕΡΓΑΣΙΑ (ΕΚΤΟΣ ΤΩΝ 2 ΠΡΩΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΩΝ ΑΝ ΣΤΕΙΛΑΤΕ ΜΙΑ ΤΕΤΟΙΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ) ΓΙΑ ΕΝΑ ΜΟΥΣΙΚΟ ΡΟΜΠΟΤ ΟΜΩΣ ΩΣ ΤΙΣ 18/3 για να μη χαθεί ένας βαθμός για την περίληψη κι ένας για τα κεφάλαια

(περσινή εργασία)

Robot κονσόλα gamer

Περίληψη

Παρουσιάζουμε ένα ρομπότ τύπου Αrduino που εκτελεί χρέη κονσόλας παιχνιδιών Η/Υ και προγραμματίζεται αντικειμενοστραφώς και διαδικτυακά. Έχει τη δυνατότητα να διαβάζει πλήκτρα Α και Β για συμμετοχή ή μη σε κοινή εικονική πίστα πολλών παικτών. Επικοινωνεί με άλλο ρομπότ-παίκτη με αισθητήρες ραδιοσυχνοτήτων μέσω προβολής μηνυμάτων στην οθόνη ή αλληλεπίδρασης στην κίνηση η  οποία εξαρτάται επίσης από την ταχύτητα και τον προσανατολισμό του ρομπότ και καταγράφεται στην οθόνη που απεικονίζει την πίστα, που αλλάζει ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη φωτεινότητα του πραγματικού χώρου. Βασικά δομικά του στοιχεία είναι τα chip-εγκέφαλοι σε ρόλο κεντρικής μονάδας επεξεργασίας με οθόνη μηνυμάτων led, οι ενσωματωμένοι αισθητήρες θερμοκρασίας, ταχύτητας, φωτεινότητας αλλά και δυνατότητα επιπλέον σύνδεσης βοηθητικών π.χ ήχου. Χρειάστηκαν λεπτομερείς μετρήσεις των μεταβλητών από τον υπολογιστή και πειράματα-δοκιμές για τις βέλτιστες παραμέτρους.

Λέξεις κλειδιά: προγραμματισμός, αισθητήρες, μεταβλητές

1.Εισαγωγή

Το εκπαιδευτικό ρομποτάκι αποτελεί ένα μέσο όπου το αποτέλεσμα είναι απτό και άμεσα κατανοητό με πλεονεκτήματα να ακονίζει το μυαλό και την κριτική ικανότητα, βοηθάει να χρησιμοποιούμε αυστηρές λέξεις (εντολές) και διδάσκει έτσι πειθαρχία, αφήνει το παιδί να δημιουργήσει με ευελιξία, αφήνει τη φαντασία να αναπτυχθεί και την αυτοπεποίθηση να μεγαλώσει αφού με σωστή δουλειά και μέθοδο όλα μπορούν να γίνουν, ευνοεί την εκπαίδευση σε ομαδική εργασία και διευκολύνει την εκμάθηση δύσκολων εννοιών κοινών σε όλες τις θετικές επιστήμες (φυσική, μαθηματικά). Μαθαίνουμε να κατασκευάζουμε μοντέλα μηχανικής που προσομοιάζουν τη πραγματική ζωή και τη συμπεριφορά ανθρώπων και ζώων.

2. Περιγραφή και εξαρτήματα

Κατασκευάσαμε ένα ρομπότ-ζώο, όπως φαίνεται στο Σχήμα1 που προσομοιάζει τη μνήμη του ελέφαντα με τους αισθητήρες πίεσης Α και Β και led φωτεινού πίνακα, επικοινωνίας αγέλης λύκων με τον αισθητήρα ραδιοσυχνοτήτων, την ακινησία των ερπετών στη ζέστη και των θηλαστικών στο κρύο (χειμερία νάρκη) με τους αισθητήρες  θερμοκρασίας, την παραλλαγή χρώματος του χαμαιλέοντα ή τον ηχοεντοτισμό των κητοειδών με τους αισθητήρες ήχου, την ευαισθησία στο φώς νυχτόβιων ζώων και την δυνητική κατακόρυφη ταχύτητα πτηνών, ιπτάμενων εντόμων ή ψαριών/θαλασσινών και με τους αισθητήρες βαρυτικής έλξης που αναλογεί στο ύψος ή βάθος πλοήγησης αντίστοιχα.

Σχήμα 1.  Αποστολή ρομπότ.

Όταν το 1^ο μέλος-ρομποτ της αγέλης (γιατί μόνο σε αυτό έχουμε συνδέσει εξαρτήματα κίνησης, λόγω προϋπολογισμού) λαμβάνει το κατάλληλο μήνυμα αρίθμησης της σειράς πορείας από άλλο μέλος με τον αισθητήρα ραδιοσυχνοτήτων κινείται ή κάνει στάση για όσο χρόνο χρειάζεται, ή όταν λαμβάνει το κατάλληλο μήνυμα ιχνηλάτησης κινεί άλλοτε ανασηκώνοντας κι άλλοτε κατεβάζοντας ως το επίπεδο του εδάφους τον λαιμό μέσω βραχίονα ώστε να ιχνηλατεί. Κάθε φορά που πιέζεται ένα πλήκτρο-γράμμα πάνω του (Α ή Β), που το αντιλαμβάνεται με τους αισθητήρες πίεσης ανακαλεί από τη μνήμη του γεγονότα όπως ο ελέφαντας. Λεπτομέρειες του ρομπότ αυτού φαίνονται στο Σχήμα 2, όπου η μνήμη που ανακαλείται και αναπαράγεται σε μια ενσωματωμένη οθόνη με led. Εκτός από τους αισθητήρες που είναι ενσωματωμένοι στο chip-εγκέφαλο σε ρόλο κεντρικής μονάδας επεξεργασίας με οθόνη μηνυμάτων led, χρησιμοποιούνται επίσης κινητήρες που κινούν ο ένας τον βραχίονα με ένα γρανάζι, ο δεύτερος τον ένα τροχό και ο τρίτος βαρούλκο που αλλάζει το ύψος του ρομπότ όταν θέλουμε να προσομοιώσει πτηνό, ιπτάμενο έντομο ή ψάρι/θαλασσινό αντιλαμβανόμενο την βαρυτική έλξη ή την πίεση του νερού αντίστοιχα και εκδίδοντας κατάλληλο μήνυμα στην φωτεινή οθόνη. Το ρομπότ αποφασίζει με την βοήθεια της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας που την προγραμματίσαμε με εντολές, τί κίνηση θα κάνει ανάλογα με τα ερεθίσματα που έχει, δίνοντας στους κινητήρες εντολές για να κινηθούν. Το ρομπότ αντιλαμβάνεται επίσης χρώματα ή ένα εμπόδιο με αισθητήρα συχνοτήτων ήχου και ανάβει αντίστοιχα χρώματα πάνω στο σώμα του με εξωτερικά led συνδεδεμένα στους ακροδέκτες του όπως οι χαμαιλέοντες ή όπως τα κητοειδή.

Σχήμα 2. Η μορφή των ρομπότ

3. Συναρμολόγηση

Με τη καθοδήγηση του καθηγητή πληροφορικής, εργαστήκαμε ομαδικά, ώστε να συναρμολογήσουμε τα εξαρτήματα του ρομπότ-γραφής, αξιοποιώντας τις αρχές της μηχανικής (με τροχούς, γρανάζια)  για να εξασφαλίσουμε τη μετάδοση της κίνησης και την απρόσκοπτη ευλυγισία. Η πορεία της συναρμολόγησης φαίνεται στο Σχήμα 3. Τον βραχίονα και το σύστημα τροχών το συναρμολογήσαμε ενώνοντάς το με κινητήρες. Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας με τους ενσωματωμένους αισθητήρες τοποθετήθηκε χαμηλά πίσω και προς τα πάνω για να επιτρέπει την απρόσκοπτη κίνηση του βραχίονα στην ανοδική-καθοδική κίνησή του στο μπροστινό μέρος. Έπειτα, ενώσαμε τους κινητήρες με καλώδια και όλα με τον κεντρικό εγκέφαλο. Επιλέξαμε στη μορφή του οχήματος να τοποθετήσουμε διακόσμηση μορφής διαφόρων ζώων. Τον βραχίονα τον τοποθετήσαμε μπροστά για την ιχνηλάτηση. Τα καλώδια (με αρνητικό θετικό πόλο και γείωση), τα συνδέουμε σε αντίστοιχες θύρες με ακίδες πάνω στον εγκέφαλο που φέρουν αριθμούς (1, 2, 3) για να δώσουν και να παίρνουν τα αντίστοιχα σήματα προς/από τον εγκέφαλο αντίστοιχα. Τέλος κατασκευάσαμε ένα ικρίωμα για την τεχνητή ανύψωση ή βύθιση του εγκέφαλου που αναπαριστά το πτηνό, ιπτάμενο έντομο ή ψάρι/θαλασσινό.

Σχήμα 3. Πορεία συναρμολόγησης κυρίως (τροχοί, σώμα-κινητήρες, βραχίονας-γρανάζια, θέση εγκεφάλου/ζώο, θέση βραχιόνων ιχνηλάτησης)

4. Προγραμματισμός

Με την βοήθεια του υπολογιστή και με ειδικό διαδικτυακό πρόγραμμα δώσαμε εντολές ώστε τα ρομπότ να μάθουν να αντιδρούν ανάλογα με τα ερεθίσματα του περιβάλλοντος αυτόνομα. Στις εντολές αυτές προσέχουμε να δηλώσουμε συγκεκριμένο αριθμό που δηλώνει τον κινητήρα και τον αισθητήρα που προγραμματίζουμε (Σχήμα 4). Μπορούμε να επιλέξουμε παραμέτρους, όπως ταχύτητα κινητήρα, τη φορά του συμπεριλαμβανομένης όπισθεν και δεξιάς ή αριστερής στροφής με συγκεκριμένη γωνία όσον αφορά τους κινητήρες με τις εντολές ΕΓΓΡΑΦΗ ΣΕΡΒΟ ΑΚΡΟΔΕΚΤΕΣ επιλέγοντας τους κατάλληλους ακροδέκτες για κάθε κινητήρα αλλά και εντολές επανάληψης όπου χρειάζονται αντίστοιχες τροχιοδρομήσεις. Όσον αφορά τον αισθητήρα ραδιοσυχνοτήτων, μπορούμε να επιλέξουμε παραμέτρους που περιγράφουν το όνομα του πομπού (ρομπότ-ανάγνωσης) και του δέκτη (ρομπότ-γραφής) που εκπέμπουν στο ίδιο κανάλι συχνοτήτων, με τις οποίες ενεργοποιείται το τελευταίο (εντολές τύπου ράδιο αποστολή και λήψη) όταν σχηματίζεται μια δέσμη φωτεινών σημείων που αντιστοιχεί τη σειρά πορείας στο ρομπότ-μέλος της αγέλης λύκων δημιουργώντας μια μεταβλητή τύπου value και δίνεται εντολή στο 1^ο μέλος της σειράς για ιχνηλάτηση. Αυτό πραγματοποιείται με τον αισθητήρα πίεσης Α ή Β  και υλοποιούνται με την εισαγωγή εντολών τύπου βρόχων ΕΑΝ και λογικών σύγκρισης ώστε να αντιστοιχίζεται η σειρά πορείας κάθε λύκου. Τις τιμές όλων αυτών των παραμέτρων τις επιλέξαμε με τη μέθοδο μετρήσεων, δοκιμών και διορθώσεων, ώστε το ρομπότ να λειτουργεί κατά τις επιθυμίες μας. Όλοι αυτοί οι αισθητήρες προγραμματίζονται σε συνάρτηση με τους κινητήρες για να μαθαίνουν να αντιδρούν όπως θέλουμε αποφασίζοντας αυτόνομα. Αυτό γίνεται με εντολές τύπου ελέγχου συνθηκών, αποθηκευμένες στον κεντρικό εγκέφαλο μέσα σε εντολές ελέγχου-επανάληψης γιατί ελέγχουμε σε κάθε βήμα του τα ερεθίσματα και επίσης εντολές ελέγχου- επανάληψης για να προχωράει γιατί μας είναι άγνωστο αν κάποιο μέλος της αγέλης μείνει πίσω ή καταστρατηγήσει τη σειρά του. Οι εντολές αυτές έχουν τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα 4.

Σχήμα 4. Μορφή εντολών μετάφρασης μεταβλητής σειράς και εντολών κίνησης αντίστοιχα με δομή επανάληψης, ελέγχου συνθηκών, τελεστών και χειρισμού αισθητήρων .

Όσον αφορά τον προγραμματισμό του αισθητήρα πίεσης φαίνεται επίσης στο Σχήμα 4 ενώ για τον προγραμματισμό των αισθητήρων φωτεινότητας και χρωμάτων/συχνοτήτων χρησιμοποιήθηκαν ομοίως με τη λογική του Σχήματος 4 (εντολές ελέγχου συνθηκών, εγκέφαλο μέσα σε εντολές ελέγχου-επανάληψης) με τη συνθήκη να διαβάζει αυτή τη φορά τη βαρυτική μεταβλητή ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ ή ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ κατά τον άξονα z δηλαδή αυτόν που καθορίζει την βαρυτική έλξη και ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ/ΝΟΤΑ (τονικό ύψος), από την ενότητα ΜΟΥΣΙΚΗ αντίστοιχα (ή εγγράφοντας εναλλασσόμενη είσοδο συχνότητας μικροφώνου από την εντολή ΑΝΑΛΟΓΙΚΗΣ ΕΓΓΡΑΦΗΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗ) . Η τελευταία μάλιστα μπορεί να μεταφραστεί από/σε χρώμα και να ενεργοποιήσει τα εξωτερικά led του συνδέσαμε σε διαφορετικό ακροδέκτη για να προσομοιώνει παραλλαγή περιβάλλοντος με τη βοήθεια της ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΕΓΓΡΑΦΗΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗ και δηλώνοντας τον ακροδέκτη εξόδου. (Σχήμα 5).

Σχήμα 5. Μορφή εντολών μετάφρασης βαρυτικής  μεταβλητής και μεταβλητής εντολών κίνησης αντίστοιχα με δομή επανάληψης, ελέγχου συνθηκών, τελεστών και χειρισμού αισθητήρων .

Ομοίως ενεργούμε και για τον προγραμματισμό των αισθητήρων θερμοκρασίας ή φωτεινότητας για να ενεργοποιήσουμε την ακινησία κινητήρων κατά την χειμερία νάρκη θηλαστικών και θερμική νάρκη ερπετών και φωτοευαισθησία νυκτόβιων ζώων αντίστοιχα (Σχήμα 6).

Σχήμα 6. Μορφή εντολών μετάφρασης μεταβλητής θερμοκρασίας και φωτεινότητας,  εντολών κίνησης αντίστοιχα με δομή επανάληψης, ελέγχου συνθηκών, τελεστών και χειρισμού αισθητήρων.

5. Συμπεράσματα

Η συναρμολόγηση του ρομπότ μας εξοικείωσε με τεχνικές και εξαρτήματα της μηχανικής για τη μετάδοση κίνησης, της ηλεκτρονικής (τύπος Arduino) και τη λειτουργικότητά του ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν. Το πρόγραμμα έγινε με το ελεύθερο διαδικτυακό λογισμικό με εύκολη πρόσβαση σε βιβλιοθήκες προσθέτων συμβατό με τον ρομπότ, που δεν μας αφήνει να κάνουμε ορθογραφικά λάθη αφού στηρίζεται στον αντικειμενοστραφή προγραμματισμό, εξασφαλίζει δηλαδή σαφήνεια για να λειτουργούν πάντα οι εντολές και μας αφήνει ελευθερία στο να επιλέγουμε τις λεπτομέρειες, μαθαίνοντάς μας να είμαστε ιδιαίτερα προσεκτικοί στην επιλογή τους εφαρμόζοντας την πλέον επιστημονική μέθοδο της παρατήρησης, μέτρησης, δοκιμής και διόρθωσης. Είναι ένας πρώτης τάξης τρόπος να οργανώσουμε με σωστή σειρά και με ακρίβεια, πληρότητα και σαφήνεια τη σκέψη μας, βοηθούμενοι στη θετική επιστημονική σκέψη σε όλη την υπόλοιπη ζωή μας. Το πιο σημαντικό όμως είναι να διδάξουμε στο ρομπότ συγκεκριμένες συμπεριφορές ώστε να αποφασίζει αυτόνομα, αλλά σύμφωνα με τις δικές μας οδηγίες, να αντιδρά σωστά στα ερεθίσματα του περιβάλλοντος. Βλέπουμε τέλος την βοήθεια που μπορεί να δώσει η τεχνολογία σε συνθήκες πραγματικών καταστάσεων δύσκολων ή επικίνδυνων για τον άνθρωπο, πάντα όμως με τη βοήθεια ενός ανθρώπου που ξέρει να προγραμματίζει. Συγκεκριμμένα, η μνήμη είναι κάτι που πάντα χρειάζεται στην πληροφορική, η προσομοίωση της ευαισθησίας στη φωτεινότητα και τη θερμοκρασία χρησιμοποιείται στην αυτόματη ενεργοποίηση των συστημάτων ασφαλείας κατά τις νυχτερινές ώρες ή σε δύσκολες συνθήκες ορατότητας και στην εξοικονόμηση ενέργειας αντίστοιχα, η ευαισθησία στην βαρυτική έλξη στην ασφάλεια καταδύσεων ή πτήσεων αεροναυπηγικής/διαστημικής τεχνολογίας και η προσομοίωση επικοινωνίας αγέλης λύκων στην διοίκηση/ασφάλεια/ανάθεση ρόλων ομάδας και συνεργασίας ομάδας ρομπότ.

Ευχαριστίες

Eυχαριστούμε όλους τους μαθητές που βοήθησαν στη συναρμολόγηση του ρομπότ και τους  διδάσκοντες των τάξεων για την βοήθεια στη διδασκαλία της επιστημονικής γλώσσας-ορολογίας που χρησιμοποιήσαμε ώστε περισσότεροι μαθητές να απολαύσουν αυτή τη μοναδική εμπειρία που τους ανοίγει ακόμα και ακαδημαϊκούς ορίζοντες.

Βιβλιογραφία

1. https://makecode.microbit.org/ Σελίδα λογισμικού ρομπότ
2. https://www.kitronik.co.uk/pdf/move-mini-instruction-booklet-web-version.pdf Σελίδα οδηγιών συναρμολόγησης ρομπότ
3. https://www.kitronik.co.uk/pdf/BBC_micro_bit_quick_start_guide.pdf Σελίδα οδηγιών λειτουργίας ρομπότ