Út a tudományhoz

Home / Informatika / Út a tudományhoz

Nemzeti Tehetség Program – Út a tudományhoz alprogram (UT-2018-0030)

SZAKMAI BESZÁMOLÓ

A KUTATÁSI PROGRAM MEGVALÓSÍTÁSÁRÓL

A kutatási program címe: Kooperatív kereső robotok kutatása a Bottyán

A kutatást vezető mentor neve: Veszter Vilmos

A kutatócsoport tanulóinak száma: 5 fő

Érintett tudományterület 

  • Műszaki tudományok
  • Informatikai tudományok
  • Matematika

1. A megvalósult kutatási program

A kutatás célja Lego Mindstroms EV3 robotok közös munkájának megvalósítása. E robotok egy labirintusban keresik a legrövidebb utat, ill. a megtalált ideális út információit adják át egymásnak.

Az eredmények:

Video 1

Video 2

Video 3

A feladat elemzése során több megoldást is felvázoltunk. A konkrét megoldás terve a következőket tartalmazza: Az első robot végig járja a lehetséges utakat. A bejárt labirintusról adatokat gyűjt. Az adatok alapján a további robot, robotok a legrövidebb úton jutnak el a célba.

A program megvalósításának lépései voltak: a probléma értelmezése, a probléma által felvetett matematikai ismeretek felkutatása, az EV3 programozásához szükséges programkörnyezet megismerése, a feladat megoldására alkalmas robotok felépítése, az érzékelők ill. a motor vezérlésének megtanulása.

Egy 1 m széles, 2 m hosszú labirintusban mozognak a robotok. A pályát 4*7 mezőre, koordináta-rendszerre osztottuk. A robot egy lépéssel egy szomszédos mezőbe tud jutni. A kijáratot, a célt egy fekete lefektetett négyzet jelenti.

A két robot hasonló felépítésű. Az első három ultraszenzorral érzékeli három irányban (jobbra, előre, balra) a lehetséges utakat. A negyedik szenzor, a színszenzor a megtalált fekete négyzetet érzékeli. A második robot csak egy távolságszenzorral van ellátva, csak előre vizsgál távolságot. A labirintusról a szükséges információkat az első robottól tudja. A robotokon az első, a távolságot érzékelő szenzoroknak a pontos pozícionálásban is szerepük van. A harmadik EV3 intelligens tégla a kommunikáció folyamatában játszik szerepet. A kialakított kapcsolatban ehhez kapcsolódnak kliensként a mozgó robotok.

A megvalósított esetben az első robot a labirintus bejárásakor az elágazásoknál balra, ill. ha balra nincs út, egyenesen haladva keresi meg a kijáratot. A robot tárolja, milyen irányban áll, melyik koordinátában van és hányszor járt az egyes mezőkön. Ezeknek az adatoknak segítségével a második robot az ideális útvonalon teljesíti a pályát. Lekérdezi, az adott pozícióban merre van lehetősége lépni. A lehetséges lépések közül azt választja, melyben az első járt már, de kevesebb alkalommal. A program indításakór még a Python nyelven akartuk megvalósítani a programot. A projektet Java Lejos környezetben valósítottuk meg. E mellet két dolog szólt. Így tudtuk megvalósítani a robotok közti kommunikációt és diákjaink is ismerték a Java alapjait.

A projekt matematikai alapja a gráfok, keresési eljárások megismerése. A programozás tervezésének alapját keresési eljárások algoritmusai adták. Fel kellet fedezni a Java Lejos programkörnyezet lehetőségeit.

A gráfelméleti alapokkal Andrásfai Béla: Gráfelmélet című könyvéből ismerkedett két tanuló. A programhoz szükséges ismereteket ők adták át a csoport tagjainak. Szintén két tanuló ismerkedett szakirodalomból a keresési eljárásokkal. (Starkné Werner Ágnes: Mesterséges intelligencia; Vámossy Zoltán: Mobil robotok kutatása).

A témakörökben felmerülő kérdésekben havi rendszerességgel segített Hartdégen Márton a Pázmány Péter Katolikus Egyetem oktatója.

Kezdetben az EV3 programozását Kiss Tamás: A MINDSTORMS EV3 robotok programozásának alapjai című könyve és a hozzá tartozó feladatgyűjtemény segítette. A Lejos dokumentációit angol nyelven a www.lejos.org oldalon és Brian Bagnall: Maximum LEGO NXT: Building Robots with Java Brains könyvéből ismerte meg a csoport.

Az említett feladatgyűjtemény néhány feladatát a grafikus LabVIEW és a Java Lejos környezetben is megoldották a diákok. A feladatokat csoportmunkában oldották meg az iskola robotika laborjában. A program kellő ismerte, a keresési algoritmusok megismerése után kezdték a projekt tervezését a tanulók.

A projekt megvalósítása során új matematikai, programozás elméleti ismeretekhez jutottak a tanulók. Szakirodalmat kutattak és a szerzett ismereteket megosztották egymással, csoportmunkát alkalmaztak. A tanult programozási ismereteiket gyakorlati módon fejlesztették, megismerkedtek az objektumorientált programozással. Az idegen nyelvű irodalom segítette nyelvtudásuk fejlődését. A gráfelméleti ismeretek alapjai lehetnek más keresési, játékelméleti feladatok megoldásának is. A projekt megvalósításával a programozás lépéseit látták át a tanulók a tervezéstől a tesztelésig, dokumentálásig.

A MI kutatás fejlődő terület, ebbe tekintettek be a diákok. Megismerték a robotok vezérlését, a szenzorok működését, hogyan lehet szenzorok érzékelésével beavatkozni a vezérlési folyamtokba. A győri Széchenyi István Egyetem Járműmérnöki karán, az Autonóm kiállításon és az Ipar 4 kiállításon látottak is igazolták, hasznos volt a projektben végzett munkájuk.

A csapat iskolán belül és más iskolában is bemutatta munkája eredményét. Digitális témahét keretében az esztergomi József Attila Általános Iskolában tartottak 2-2 foglalkozást a két ötödik osztálynak. A bemutatón túl a robot mozgatására is megtanították a kicsiket. Már az elmúlt évben is tartottak foglalkozást a tatai Mesterségem Címere pályaorientációs táborban. Erre idén nyáron is sor kerül. A tudásukat a következő tanévben szakkörön tudják átadni a kezdő évfolyamosoknak.

A projektet a következő évben is folytatjuk a csoporttal. Legnagyobb sikernek azt az alapot tartom, amely a programozás készségszintű alkalmazását és a szakirodalom feldolgozásának ismeretét jelenti. Erre alapozva a diákok önmaguknak fogalmaztak meg újabb feladatot. Ebben a robotok már keresés során is közösen dolgoznak.

Nyolc eseményen vettetek részt a projekt folyamán:

    1. Robotika Tábor Tata 2018. július 30 – augusztus 3.
    2. B&O automatizálási Kft. látogatása Komárom 2018. szeptember 7.
    3. Automotive kiállítás Budapest 2018. október 18.
    4. Pázmány Egyetemi látogatás Esztergom 2018. október 19.
    5. Digitális Témahét
      a József Attila Ált. Iskolában,
      Robotika bemutató és oktatás Esztergom. 2019. április 12.
    6. Startup Safary Budapest 2019. április 18.
    7. Mobilis interaktív fizikai kiállítási tér Győr 2019. május 20.
    8. Győri Egyetem labor Győr 2019. május 21

2. A program megvalósításának ütemezése

Hónap

Elvégzett feladatok

Részt vevő diákok neve

Elért eredmények

2018-10

 A probléma megismerése. Tervezés: robot felépítése

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Motiváció; Projekt céljának megismertetése.

2018-11

 Gráfelmélet, keresési eljárások megismerése.

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Szakirodalmi kutatás; Matematikai ismeretek elsajátítása.

2018-12

 Lego programozása Java segítségével.

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Algoritmikus gondolkodás fejlesztése, programozási ismeretek elmélyítése

2019-01

 Program tervezése az egyes keresési eljárásokhoz.

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Konkrét feladat gráfprezentációjának és programjának tervezése. Kooperatív feladatmegoldás.

2019-02

 Projekt megvalósítása: a kereső robotok programozása

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Konkrét feladat gráfprezentációjának és programjának tervezése. Kooperatív feladatmegoldás.

2019-03

 Projekt megvalósítása: a kereső robotok programozása

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Robot konstrukciók megismerése, megvalósítása.

2019-04

 Projekt megvalósítása: a kereső robotok programozása

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Algoritmikus gondolkodás fejlesztése, programozási ismeretek elmélyítése.

2019-05

 Projekt megvalósítása: a kereső robotok programozása

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Algoritmikus gondolkodás fejlesztése, programozási ismeretek elmélyítése.

2019-06

 A projekt tesztelése, dokumentálása.

Bobák Péter; Kocsis Soma; Cseresznye Attila; Dojcsák Koppány; Goldschmidt Bence

Program készítés lépéseinek teljes ismerete.

3. Tanulságok

A tervezett Python helyett Java nyelvet használtunk.

– Ebben a tanévvben már iskolai keretekben is ezt a nyelvet tanulják a diákjaink.

– A robotok kommunikációját jobban támogatja ez a környezet.

4. Megvalósulás tapasztalatai

  • Tanulók fejlődése, tehetségük kibontakozása

Képessé váltak szakirodalom önálló feldolgozására, az ismeretek megosztására a csoporton belül. Megismerték, hogyan lehet egy hosszabb, komplex csoportmunkát megoldani, hogyan illeszkednek az egyes részfeladatok a teljes feladat megoldásába. Készség színtté fejlődött a kódolási képességük. Új programozói gondolkodásmódot alakított ki a tanulókban a projekt megvalósítása, objektumorientált szemléletre álltak át.

  • Diákok kiválasztása

Programozásban és matematikában tehetséges tanulókat választottam. A csapatba szükség volt angol nyelvet ismerő diákra, jó szervezőképességű tanulóra. A csoporttagok képességeit korábbi szakköri munkánk során ismertem meg.

  • Fejlesztési célok 

Matematikai ismeretek önálló elsajátítása, algoritmikus gondolkodás fejlesztése, idegen nyelvi ismeretek fejlesztése. Csoport munka.

  • A tanulók konkrét feladata a projektben

  1. diák: Csoport munkájának koordinálása, szakirodalom tanulmányozása
  2. diák: MI, gráfelmélet tanulmányozása.
  3. diák: Programozás irányítása.
  4. diák: Robot tervezése, építése, programozása.
  5. diák: MI, gráfelmélet tanulmányozása, programozás.

  • Fejlesztések eredménye

  1. diák: Irányítási, motiválási képességekre tett szert. Fejlődtek programozói ismeretei, nyelvtudása, matematikai ismeretei.
  2. és 5. diák Kooperatív munkaképessége fejlődött. Programozás során az objektumorientált programtervezés ismereteivel gazdagodott.
  3. és 4.diák: MI, matematikai ismereteik bővültek.

    A kutatási program során felhasznált hazai és külföldi szakirodalom

A kutatás elméleti része sikeresen megvalósult. A szerzett ismeretekre támaszkodva az alap feladatunkat megoldottuk.

  • További terveik

A kutatás gyakorlati megvalósítása tovább fejleszthető, alapja lesz a következő évi munkánknak. A robotok szorosabb kooperatív munkáját szeretnénk megvalósítani.

  • Felsőoktatási kapcsolat

A Pázmány Péter Egyetemmel kialakított munkakapcsolat nagyban erősítette az egyetemi továbbtanulási szándékot. Betekintést nyertek diákjaink az ott folyó kutatási munkákba, saját munkájukhoz segítséget kaptak. A megszerzett ismereteket erősítette, hogy a továbbiakban is felhasználható tudás, érdemes azt fejleszteni. Ilyen megerősítést kaptak a meglátogatott győri Széchenyi István Egyetem Járműmérnöki karán is.

  • A kutatásban részt vett tanulók tervei

Két csapattag érettségizik a következő tanévben. Ők iskolánkban folytatják tanulmányaikat, itt szereznek szakképesítést. Informatikai rendszer üzemeltetők lesznek. A szakvizsga után egyikük mérnökinformatikusnak, másikuk programtervező informatikusként akar továbbtanulni a felsőoktatásban. A fiatalabb diákok még nem jelöltek meg konkrét szakterületet, de ők is műszaki területen szeretnének továbbtanulni.

5. A kutatásban való részvétel hogyan hatása a tanulók tehetséggondozására

A Szakgimnáziumunkban folyó informatikai képzést egészítjük ki a tehetséges tanulók számára a robotika oktatásával. Ennek keretében tudjuk fejleszteni matematikai tudásukat, csoportos munka keretében. A munka folyamán a szakirodalom tanulmányozásával, felhasználásával foglalkoztak. Egy valós probléma feldolgozásával ismerkedtek meg, a programkészítés teljes folyamatával.

6. A kutatási tevékenység hogyan hatása a részt vevő tanulók műszaki kompetenciái fejlődésére

A MI kutatás fejlődő terület, az ebben megfogalmazott kihívás motiválta a tanulókat az új ismeretek megszerzésében. A program tervezése során új programtervezési stratégiákhoz nyúltak, problémamegoldó képességük fejlődött. A gyakorlati feladat megoldásával a programozási tudásuk készséggé vált.

A Nemzeti Tehetség Program támogatásából beszerzett eszközök

A projektben három LEGO Mindstroms E

 

V3 intelligens téglát, négy EV3 ultrasonic szenzort, két color szenzort, négy EV3 motort használtunk.

Post Views: 1 286