Johannes Stier. ni.com

Transkript

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3 Johannes Stier Technische Universität Dresden Studiendekan Mechatronik Prof. Dr.-Ing. Michael Beitelschmidt Lego Mindstorms EV3 hat Einzug in das Einführungsprojekt Mechatronik gefunden

4 Kurz & knapp: Mechatronik & Einführungsprojekt 4

5 Kurz & knapp: Einführungsprojekt & Mechatronik Pflichtmodul für alle Erstsemesterstudierenden der Mechatronik Projektwoche im ersten Semester Roboterwettbewerb auf Basis von Lego Mindstorms Premiere im WS 2010/2011 Siebter, stark überabeiteter Durchgang im WS 2016/2017 Konzept, Umsetzung und Erfahrungen werden vorgestellt 5

6 Gliederung 1. Parcours & Wettbewerb 2. Ziele des Projektes 3. Hardware & Software 4. Projektablauf 5. Wissensvermittlung in der Projektwoche 6. Zusammenfassung 6

7 Parcours & Wettbewerb 7

8 Parcours & Wettbewerb Aufgabe I Entwickeln Sie einen Roboter, der einen Ball aufnehmen und über einen gegebenen Höhenunterschied bis zum Ziel transportieren kann. Bei der Ballaufnahme ist darauf zu achten, den Ball der richtigen Farbe zu wählen. Während des Transportes darf der Ball nicht verloren gehen. 8

9 Parcours & Wettbewerb Aufgabe II Entwickeln Sie einen Roboter, der sich durch einen Gang gegebener Abmessungen aber unbekannter Gestalt bewegen kann. 9

10 Parcours & Wettbewerb Aufgabe III Entwickeln Sie einen Roboter, der einen Korb aus unbekanntem Abstand selbständig aufnehmen, ihn über ein Hindernis heben und in möglichst genau in einem vorgegebenen Zielbereich wieder ablegen kann. 10

11 Parcours & Wettbewerb Aufgabe IV Entwickeln Sie einen Roboter, der einen Ball in möglichst kurzer Zeit von einem Startpunkt, vorbei an bekannten Hindernissen, über eine Zielgerade transportieren kann. Dabei darf der Ball nicht vom Roboter fallen. 11

12 Parcours & Wettbewerb Projekt endet mit Staffelwettbewerb Separate Zeitmessung je Aufgabe Aber: Staffelbewertung durch Punkte Staffelpunkte = Σ Punkte aller vier Aufgaben einer Staffel Punktevergabe mittels separater Rangliste je Aufgabe Jedes Team leistet den gleichen Beitrag zur Staffel 12

13 Ziele des Projektes Auszug aus dem Modulhandbuch (Anlage der Studienordnung Mechatronik): Qualifikationsziele: Die Studierenden besitzen Grundlagenkenntnisse und praktische Fertigkeiten zum Umgang mit Sensorik und Aktorik, zur Programmierung von Mikrokontrollern, zur Signalverarbeitung mit Hilfe selbstentwickelter Algorithmen und zur ganzheitlichen Konstruktion einfacher mechatronischer Systeme zur Erfüllung definierter Aufgaben. 13

14 Ziele des Projektes Auszug aus dem Modulhandbuch (Anlage der Studienordnung Mechatronik): Durch die selbstorganisierte Durchführung und Auswertung des Praktikums in Kleingruppen werden soziale Kompetenzen wie Teamwork, Arbeitsteilung, Projektmanagement sowie Reflexion der eigenen Leistung geschult, methodische Kompetenzen wie Problemanalyse, Systematik und Lösungsfindung erweitert und rhetorische Kompetenzen zur Kommunikation und Präsentation von Konzepten und Ergebnissen verbessert. 14

15 Ziele des Projektes Auszug aus dem Modulhandbuch (Anlage der Studienordnung Mechatronik): Durch die selbstorganisierte Durchführung und Auswertung des Praktikums in Kleingruppen werden soziale Die Kompetenzen Studierenden wie entdecken Teamwork, spielerisch Arbeitsteilung, die Inhalte ihres Projektmanagement Studienfachs, und sowie lernen Reflexion auf praktischem der eigenen Weg Leistung die Welt geschult, der Mechatronik kennen methodische Kompetenzen wie Problemanalyse, Systematik und Lösungsfindung erweitert und rhetorische Kompetenzen zur Kommunikation und Präsentation von Konzepten und Ergebnissen verbessert. 15

16 Hardware & Software Lego Mindstorms Education LabVIEW EV3 Basisset NXT Erweiterungsset mit Lego Mindstorms Modul 16

17 Hardware & Software von 2010 bis 2014 war Lego Mindstorms NXT im Einsatz Warum der Wechsel? Investitionsmittel im Rahmen des sächsischen Initiativprojektes T-RoX ( Roboterkomponenten altern und werden unzuverlässiger (EV3 ist leistungsfähiger) (EV3 Set enthält Farb- und Gyro-Sensor) 17

18 Hardware & Software Warum LabVIEW und nicht Java, Python,? heterogene und unbekannte Programmiervorbildung der Studierenden Gleiche Voraussetzungen für alle alle müssen grafische Programmierung mit LabVIEW erlernen Einfache und anschauliche Vermittlung der Programmiergrundlagen Übersichtlichere Umsetzung komplexer Steuerungen als mit der Lego- Software Aber: Robuste Umsetzung komplexer Programme mit LabVIEW erfordert gute LabVIEW-Kenntnisse und Erfahrung 18

19 Projektablauf ca. 3 h ca. 5,5 h ca. 6 h ca. 6,5 h ca. 4 h ca. 4 h ca. 4 h 19

20 Projektablauf ca. 3 h Tutorium: ca. 3 h ca. 5,5 Pflichtarbeitszeit: h ca. 6 h ca. ca. 12 h6,5 h Freiwillige Arbeitszeit: ca. 18 h ca. 4 h ca. 4 h ca. 4 h 20

21 Wissensvermittlung in der Projektwoche Aufgabe der Organisatoren: In kürzester Zeit so viel ingenieurspezifisches (Grundlagen-)Wissen wie möglich effizient vermitteln Betrifft insbesondere die Vermittlung der Programmiergrundlagen mit LabVIEW ausgewählter fachlicher Inhalte (Regelung, Sensorkalibrierung, ) Herausforderungen bei der Wissensvermittlung Erstsemester mit unbekanntem Vorwissen in Robotik, Physik, Mathe, Informatik wenig Zeit für die Vermittlung der Grundlagen geringer Umfang an Arbeitszeit 21

22 Wissensvermittlung in der Projektwoche Entwicklung der Wissensvermittlung Seit Umfangreiche Betreuung in der Woche durch wissenschaftliche Mitarbeiter zur fachlichen Unterstützung Studentische Tutoren für Fragen zu LabVIEW ca. 1h LabVIEW-Frontalpräsentation ohne Bezug zu Lego Mindstorms alle Teilnehmer im gleichen Hörsaal ca. 1h Frontalpräsentation der LabVIEW-Grundlagen ca. 1h Vorprogrammieren eines Beispielroboters alle Teilnehmer im gleichen Hörsaal ca. 3h LabVIEW-Tutorium zum Selbststudium, mit Hardware Besprechung der Aufgabe mit dem Aufgabenbetreuer in separaten Räumen für alle Gruppen einer Aufgabe 22

23 Wissensvermittlung in der Projektwoche Beispielprogramme - SubVIs! SubVIs! SubVIs! Aufgabe IV 23

24 Wissensvermittlung in der Projektwoche Beispielprogramme - Struktur! SubVIs! SubVIs! SubVIs! Aufgabe II 24

25 Wissensvermittlung in der Projektwoche Beispielprogramme - Sensorkalibrierung? Aufgabe I 25

26 Wissensvermittlung in der Projektwoche Beispielprogramme - Regelung? Aufgabe II 26

27 Wissensvermittlung in der Projektwoche Schwierigkeiten / Probleme mit der LabVIEW-Programmierung Fehlende Kenntnisse der wichtigsten fachlichen Grundlagen T-RoX Änderungen für 2016 LabVIEW- Tutorium 1,5h Vorprogrammieren eines Beispielsroboters mit Beteiligung der Studierenden 1,5h Tutorium zum Selbststudium mit Aufgaben zu den Vorprogrammierbeispielen ca. 1h Vorlesung zu ausgewählten fachlichen Themen 27

28 Zusammenfassung Projektwoche in Form eines Roboterwettbewerbes Parcours mit vier unterschiedlichen Aufgaben Seit 2010 sechs erfolgreiche Durchläufe Lego Mindstorms mit LabVIEW sehr gute Basis für eine universitäre Robotik-Lehrveranstaltung Fokus muss auf Vermittlung der wichtigsten Grundlagen sowie die Betreuung in der Woche gelegt werden Ein Roboterwettbewerb ist ein geeignetes Mittel um die Motivation der Studierenden zu steigern 28

29 Kurzdokumentation Einführungsprojekt YouTube: & 29