De toekomst bouwen met robotica

In je studententijd, als je instructeur zei:"Laten we leren over de theorie van pulsbreedtemodulatiecontrole; sla pagina 1453 in je leerboek op', dan zou je het kunnen doen, en je zou waarschijnlijk de theorie leren. Maar wat als je instructeur zei:"Laten we leren over de theorie van pulsbreedtemodulatie door een robot zo snel mogelijk van het ene uiteinde van dit doolhof naar het andere te verplaatsen." Welke optie zou je kiezen?

Ik zou elke dag voor robots en doolhoven kiezen. En dat is precies wat ik deed. Twee jaar geleden heb ik Texas Instruments geholpen bij het ontwikkelen van een serie robotica-kits voor het universitaire klaslokaal, de TI Robotics System Learning Kit (TI-RSLK), bedoeld om Embedded Systems and Applications te onderwijzen, een niet-gegradueerde cursus die gebruikelijk is in de meeste leerplannen voor elektrische en computertechnologie.

Het doel van de TI-RSLK-leerkit is om een ​​praktische ervaring te bieden en tegelijkertijd vaardigheid te ontwikkelen in het integreren van de hardware- en softwarecomponenten waaruit elk elektronisch systeem bestaat.

Terwijl ik bezig was met het ontwikkelen van de kit, vroeg ik me af of het mogelijk zou zijn om complexe systemen en technische concepten beter uit te leggen op een manier die studenten enthousiast zou maken om te leren en te verkennen - misschien zelfs om hen te helpen theorieën die in de klaslokaal naar praktijkervaringen. Kan ik het op een leuke en interactieve manier doen?

De nieuwste kit wordt geleverd met de SimpleLink™ MSP432P401R microcontroller LaunchPad™-ontwikkelkit, lijn-infrarood- en bumpsensoren, een TI-RSLK-chassiskaart, een gratis uitgebreid curriculum opgedeeld in 20 modules (inclusief opstartcodes, praktische activiteiten en labs) en meer.

Met de TI-RSLK leren leerlingen elementaire technische concepten door een robot te bouwen en vervolgens te testen die complexe taken of uitdagingen kan oplossen - alles van het verkennen van een doolhof (Figuur 1) tot autonoom racen, tot het vinden van een object, navigeren door een obstakel of een lijn volgen. Daarnaast kunnen leerlingen geavanceerdere concepten verkennen, zoals het begrijpen van Wi-Fi®-communicatieprotocollen, terwijl ze uitdagingen aangaan zoals robot-naar-robotcommunicatie, of de robot besturen via Wi-Fi en zelfs Bluetooth®.

Figuur 1:Een technische student test de TI-RSLK in een doolhof (Bron:Texas Instruments)

Het TI University-team kreeg de kans om hand in hand te werken met Jon Valvano, een ervaren docent embedded systems aan de University of Texas, om de kit en het curriculum te ontwikkelen. Nadat ik hem had leren kennen, kwam ik erachter dat hij beslist veel passie heeft voor het verbeteren van de leervaardigheden van studenten, en dat hij vele uren buiten het klaslokaal doorbrengt om studenten te helpen bij het oplossen van problemen. Bovendien geeft hij zijn klas les met behulp van standaard industriële software- en hardwaretools, wat een relevant leerpad biedt voor systeemintegratie. Het soort samenwerking tussen Jon Valvano en zijn studenten zorgt voor effectief onderwijs en hopelijk betere ingenieurs voor de wereld.

Effectieve systeemintegratie en "systeemdenken" zijn belangrijk bij het oplossen van problemen in de technische industrie. De keuzes die ingenieurs maken tijdens de selectie en het ontwerp van hardware en software zullen uiteindelijk de effectiviteit van hun oplossingen beïnvloeden. Er is één fundamentele vaardigheid die hedendaagse hightech-medewerkers nodig hebben, ongeacht hun functie:het vermogen om een ​​heel probleem te zien, het op te lossen en op te lossen. Voor ingenieurs en het engineeringproces zijn wat ooit op zichzelf staande elementen van de ontwerpcyclus waren - technologieën, functies en ontwerpers - nu interdisciplinair, waarbij ontwikkelingsteams betrokken zijn die naar verwachting zeer geavanceerde producten zullen leveren. En om dit te doen, moeten ingenieurs systeemdenkers zijn die complexe technische concepten in meerdere disciplines en producten kunnen begrijpen om veelzijdige ontwerpproblemen op te lossen.

De educatieve benadering die in de TI-RSLK wordt gebruikt, stelt studenten in staat om het 'waarom' van techniek te leren, in plaats van alleen het 'hoe' te leren. Deze aanpak helpt studenten te begrijpen wat er gebeurt als de robot bijvoorbeeld niet werkt, inclusief hoe ze het foutopsporingsproces kunnen doorlopen om alle mogelijke redenen te elimineren. Wat het TI University-team ziet gebeuren in de klaslokalen van vandaag, is dat studenten vastlopen in hun leerproces of gefrustreerd raken omdat hun code breekt of hun oplossing niet werkt - en ze weten niet hoe ze dit moeten oplossen. Dus ze geven het op en gaan verder met dingen die ze wel begrijpen... of erger nog, als ze vroeg in hun technische carrière staan, geven ze de techniek helemaal op.

Ik heb uit de eerste hand gezien hoe robots studenten betrokken houden, maar ook hun creativiteit stimuleren. Afgelopen zomer liet TI haar stagiaires de TI-RSLK testen via een minicompetitie. Studenten kunnen oplossingen vinden om hun robots een doolhofuitdaging sneller of nauwkeuriger te laten voltooien, of ze kunnen een "creatieve" categorie invoeren om robots met leuke toepassingen in te dienen. Mijn persoonlijke favoriet was het project dat de TI-RSLK gebruikte om een ​​mobiel prullenbakspel te maken. De robot hield de score bij terwijl je in het blikje schoot, terwijl hij rondzwierf voor een extra uitdaging. Ik vind het geweldig om te weten dat studenten fundamentele technische concepten leerden terwijl ze plezier hadden bij het maken van hun eigen unieke applicatie.

Systeemdenken en hands-on leren zijn van cruciaal belang voor het opleiden van toekomstige ingenieurs. Wanneer je dit denken combineert met een leerervaring die relevant onderwijs omvat, ontwikkeld in samenwerking met zowel experts uit de industrie als de academische wereld, is het een win-win voor iedereen. Nog spannender is dat als studenten eenmaal begrijpen hoe ze praktische kennis kunnen gebruiken in combinatie met hun creativiteit en verbeeldingskracht om oplossingen te vinden voor de technische problemen van vandaag, de mogelijkheden van wat ze kunnen doen eindeloos zijn.