Learning Programming Using Robots - Sofia University Conference 2018

Trayan Iliev
t_iliev@fmi.uni-sofia.bg
Конференция 21.02.2018
СУ ”Св. Климент Охридски”
Обучение по ИТ
чрез създаване
на роботи и
свързани
"неща"

2
Trademarks
Oracle®, Java™ and JavaScript™ are trademarks or registered
trademarks of Oracle and/or its affiliates.
LEGO® is a registered trademark of LEGO® Group. Programs are not
affiliated, sponsored or endorsed by LEGO® Education or LEGO®
Group.
Raspberry Pi™ is a trademark of Raspberry Pi Foundation.
Other names may be trademarks of their respective owners.

Съдържание
3
 Защо роботи?
 Социална роботика
 Защо да учим програмиране с роботи?
 Активно обучение чрез правене
 Проектно-базирано обучение
 Справяне със сложността на проблема
 Запознайте се с роботите: LeJaRo и IPTPI
 Ресурси

Where no man has been before...
4

6
Lonely Riders ...
6By Arroww at the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1822443

7
Удобно облекло :)
7By DARPA - This file was derived from: DARPA Strategic Plan (2007).pdf, Public
Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20798337

Роботите са вече у дома ...
8
Source: By Nohau - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17987534

… и как бихме пропуснали
11
Source: https://commons.wikimedia.org/
w/index.php?curid=234900, CC BY-SA 3.0
Source: Korea Institute of Industrial Technology,
http://news.naver.com/main/read.nhn?
mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=020&aid=0000371339

Във всякакви размери ...
12

Интернет на нещата има потенциала да промени
света, така както го направи Интернет. Дори повече.
— Kevin Ashton, 'That 'Internet of Things' Thing', RFID Journal, 2009
 50 петабайта данни се създават и въвеждат от хора
 Хората имат ограничено време, внимание и точност
 Данни за нещата от реалния свят в реално време
 Проследяване и управление на всичко, намаляване
на проблемите, загубите и цената
 Ще знаем кога нещата се нуждаят от замяна, ремонт
или извеждане от експлоатация
Интернет на нещата (IoT, IoE)

Роботите са интелигентни “неща”
14
CC BY 2.0, Source:
https://www.flickr.com/photos/wilgengebroed/8249565455/
Radar, GPS, lidar for navigation and obstacle
avoidance ( 2007 DARPA Urban Challenge )

Ключови елементи на IoT
15
Internet of Things (IoT)
Identification Sensors Connectivity Computation Services Semantic

Архитектура на IoT услуги
16
Devices: Hardware + Embedded Software + Firmware
UART/ I2C/ 2G/ 3G/ LTE/ ZigBee/ 6LowPan/ BLE / MQTT-SN
Aggregation/ Bus: ESB, Message Broker
Device Gateway: Local Coordination and Event Aggregation
M2M: HTTP(/2) / WS / MQTT / CoAP / XMPP / DDS
Management: TR-069 / OMA-DM / OMA LWM2M
HTTP, AMQP
Cloud (Micro)Service Mng.
Docker, Kubernetes/
Apache Brooklyn
Web/ Mobile
Portal
PaaSDashboard
PaaS API: Event Processing Services, Analytics

Интер-дисциплинарно обучение
17
Роботиката е пресечна точка на
много диспилини:
 Механика
 Електроника и компютърни науки
 Софтуерно инженерство
 Изкуствен интелект (AI)
 Човеко-машинни интерфейси
 Социология и психология
 Дизайн
Picture by Hugo Elias of the Shadow Robot Company -
http://www.shadowrobot.com/media/pictures.shtml, CC BY-SA 3.0

Инженерство, наука и изкуство
18
Source: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=551256, CC BY-SA 3.0

19
Роботите могат да бъдат социални :)
19Left image: CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=374949
Right image: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1485971

Обучение чрез програмиране на
малки роботи
20

Активното обучение е форма на обучение, при която
преподавателят се старае да увлече студентите в учебния
процес по-директно, отколкото при други методи.
 Action learning – learning as reflection on experience,
achieved through focusing on problems in a social context
-- Revans (1983)
 “in active learning, students participate in the process and
students participate when they are doing something besides
passively listening” -- Bonwell (1991)
 “students are actively or experientially involved in the learning
process and where there are different levels of active
learning, depending on student involvement” -- Weltman
Активно обучение

22
 Целенасочено – решаване на релевантни задачи от
гледна точка на обучаваните
 Рефлексивно – мислене върху смисъла на наученото
 Договорено: договаряне на целите и методите на учене
между обучавани и преподавател
 Критично мислене – различни възможни подходи
 Сложно – реални задачи вместо „измислени“ проблеми
 Ситуационно-базирано – учебни задачи ситуирани в
конкретен контекст
 Ангажиращо – реалните задачи водят до повишен
интерес и мотивация за работа върху проблема
Характеристики на АО [Barnes, 1989]

 Затвърждава учебния материал, понятия и умения
 Обратна връзка в реално време за обучаваните
 Адресира различните стилове на учене
 Дава възможност за мислене и решаване на проблеми,
като затвърждава наученото в практически контекст
 Дава възможност на всеки обучаван да конструира свой
собствен опит и връзки, лично участие и постижения
 „Аха“ момент – откривателство – увеличава интереса и
затвърждава вътрешната на мотивация на обучаваните
 Увеличава увереността в собствените способности чрез
комуникация в екипа. Създава усещане за общност.
Предимства на активно обучение

Tаксономия на Блум
Source: ©2017 Vanderbilt University · The Center for Teaching - CC BY-NC 4.0 International license,
https://cft.vanderbilt.edu/guides-sub-pages/blooms-taxonomy/

Пирамида на научаването върху
таксономията на Блум
Конкретен опит
Source: By Kokcharov - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=44917532
Retention

Абстрактна
концептуализация
Стилове на учене [Kolb]
Рефлективно
наблюдение
Активно
експериментиране
Акомодатор
практически опит, "hands-on"
Асимилатор
индукция, теории
Конвърджър
от общото към частното
прилагане на теориите
Дивърджър
от частното към общото,
конкретни наблюдения

Абстрактна
концептуализация
Стилове на учене с роботи
Рефлективно
наблюдение
Активно
експериментиране
Акомодатор
практически опит, "hands-on"
Асимилатор
индукция, теории
Конвърджър
от общото към частното
прилагане на теориите
Дивърджър
от частното към общото,
конкретни наблюдения

 Активисти - учене посредством правене на нещата,
високо ниво на енергия, нисък праг на внимание,
нетърпеливи са, желаят да да решат проблема
максимално бързо.
 Рефлектори – нуждаят се от време за възприемане на
информацията и размишление, разглеждат опита от
различни перспективи преди да решат, прецизни са.
 Теоретици - обикновено са много обективни и
неемоционални при ученето, събират и организират в
логическа последователност факти и модели.
 Прагматици – отхвърлят ирелевантната информация,
запазват само приложимата такава, искат да видят
приложение на идеите на практика, случаи на употреба.
Стилове на учене [Honey & Mumford]

Проектно-базираното обучение (PBL) е форма на
активно обучение, при която обучаваните получават
знания и умения чрез работа и изследване за
продължителен период от време върху автентичен,
ангажиращ, и сравнително сложен въпрос, проблем
или предизвикателство.
-- What is Project Based Learning (PBL)?
https://www.bie.org/about/what_pbl
Oбучение чрез проекти

 Ключови знания, разбиране, критично мислене/решаване на проблеми,
комуникация, колаборация, себе-управление и планиране на ресурсите.
 Предизвикателство с реална ценност – необходимост от адаптиране на
сложността на решаваните проблеми.
 Непрекъснато изследване – продължителен процес на търсене на
отговори на въпроси и информационни ресурси, прилагане на
информацията на практика
 Автентичност и релевантност – контекст, задачи, стандарти за качество от
реалния свят в съответствие с персоналните интереси на обучаваните
 Личен избор и креативност – всеки екип сам избира какво ще създаде.
 Рефлексия – обучаваните и преподавателя обсъждат наученото/ процеса,
заедно решават проблемите: решенията не са предварително известни!
 Обратна връзка – обучаваните дават и получават обратна връзка и
непрекъснато усъвършенстват както продукта, така и процеса на работа.
 Публичен продукт – резултатът се демонстрира публично – пред колеги и
в по-широка общност извън класната стая.
Защо PBL?
[https://www.bie.org/about/what_pbl]

36
Запознайте се с LeJaRo
36

LeJaRo: Lego®
Java Robot
37
 Modular – 3 motors (with encoders) – one driving each
track, and third for robot clamp.
 Three sensors: touch sensor (obstacle avoidance), light
color sensor (follow line), IR sensor (remote).
 LeJaRo is programmed in Java using LeJOS library.
 More information about LeJaRo:
http://robolearn.org/lejaro/
 Programming examples available @GitHub:
https://github.com/iproduct/course-social-robotics/tre
e/master/motors_demo
LEGO® is a registered trademark of LEGO® Group. Programs of IPT are not
affiliated, sponsored or endorsed by LEGO® Education or LEGO® Group.

IPTPI: RPi2 + Ardunio Robot
40
 Raspberry Pi 2 (quad-core ARMv7
@ 900MHz) + Arduino Leonardo
cloneA-Star 32U4 Micro
 Optical encoders (custom), IR
optical array, 3D accelerometers,
gyros, and compass MinIMU-9 v2
 IPTPI is programmed in Java
using Pi4J, Reactor, RxJava, Akka
 More information about IPTPI:
http://robolearn.org/iptpi-robot/

41
3D accelerometers, gyros,
and compass MinIMU-9 v2
Pololu DRV8835
Dual Motor Driver
for Raspberry Pi
Arduino Leonardo clone
A-Star 32U4 Micro
USB Stereo
Speakers - 5V
LiPo Powebank
15000 mAh

42
Raspberry Pi 2 (quad-core
ARMv7 @ 900MHz)
IR Optical Sensor QRD1114
Array (Line Following)
Adafruit 2.8" PiTFT -
Capacitive Touch Screen

IPTPI Reactive Streams
44
Encoder
Readings
ArduinoData
Fluxion
Arduino
SerialData
Position
Fluxion
Robot
Positions
Command
Movement
Subscriber
RobotWSService
(using Reactor)
Angular 2 /
TypeScript
MovementCommands

45
Нека да видим малко код :) LeJOS
public class MotorDemo07 {
public static void main(String[] args) {
final EV3 ev3 = (EV3) BrickFinder.getLocal();
TextLCD lcd = ev3.getTextLCD();
Audio audio = ev3.getAudio();
//Color sensor
EV3ColorSensor colorSensor = new
EV3ColorSensor(SensorPort.S3);
SensorMode color = colorSensor.getRGBMode();
float[] colorSample = new float[color.sampleSize()];
playMessage(audio);

46
EV3TouchSensor touchSensor = new
EV3TouchSensor(SensorPort.S1);
SensorMode touch = touchSensor.getTouchMode();
float[] sample = new float[touch.sampleSize()];
RegulatedMotor mA, mB, mC;
mA = new EV3LargeRegulatedMotor(MotorPort.A);
mB = new EV3LargeRegulatedMotor(MotorPort.B);
mC = new EV3LargeRegulatedMotor(MotorPort.C);
mB.setSpeed(120);// 2 RPM
mC.setSpeed(120);

47
mB.synchronizeWith(new RegulatedMotor[] { mC });
long startTime = System.currentTimeMillis();
long duration;
int lastColorId = Color.NONE;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
// go forward
mB.startSynchronization();
mB.forward();
mC.forward();
mB.endSynchronization();

48
// go until not obstacle
do {
duration = System.currentTimeMillis() - startTime;
touch.fetchSample(sample, 0);
color.fetchSample(colorSample, 0);
lcd.drawString("" + colorSample[0], 0, 3);
} while (duration < 60000 && mB.isMoving() && mC.isMoving()
&& sample[0] == 0 && isReflecting(colorSample));

49
mB.startSynchronization(); // go back
mB.backward();
mC.backward();
mB.startSynchronization(); // turn back
mB.rotate(1000, true);
mC.rotate(-1000, true);
while (mB.isMoving() && mC.isMoving())
Thread.yield();
}

50
mB.flt();
mC.flt();
mA.close();
mB.close();
mC.close();
} // end of main method
private static void playMessage(final Audio audio) {
audio.playSample(new File("pozdrav_01.wav"), 100);
}
private static boolean isReflecting(float[] colorSample){
return colorSample[0] > 0.015 || colorSample[1] > 0.015
|| colorSample[2] > 0.015;
}

Tale of Simplicity: DDD
51
http://robolearn.org/ Let's move!

Licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs
3.0 Unported License
IPT – Intellectual Products & Technologies
Trayan Iliev, http://product.org/
BG OUG Meeting – Plovdiv
June 12, 2015
Теория на игрите
RoboCup 2013 – Eindhoven by Albert van Breemen
[https://www.flickr.com/photos/robocup2013/10151792836]
License: Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.0 Generic (CC BY-NC-SA 2.0)
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/

53
Допълнителни ресурси
https://github.com/iproduct/course-social-robo
tics/wiki/Study-Materials
Ресурси към курса „Многоагентни системи
и социална роботика” в GitHub:

54
Благодаря за вниманието!
54
Траян Илиев
http://robolearn.org/
https://github.com/iproduct
https://twitter.com/trayaniliev

Learning Programming Using Robots - Sofia University Conference 2018

More Related Content

Similar to Learning Programming Using Robots - Sofia University Conference 2018 (20)

More from Trayan Iliev (20)

Learning Programming Using Robots - Sofia University Conference 2018