GymnasieLaboratoriet

Jeg har leget med forskellige små robotter af skrot (Brushrobot, Beambots, Insect robots, Walkers m.m.). Bl.a. denne lille Walker af en Arduino Nano, et 9V batteri og to servo-motorer:

Kredsløb og kode ses nederst.

Den er ret svært at få til at gå, da det er næsten umuligt at forudsige hvilke vinkler servoerne skal dreje til.

Som regel står den stille (forkerte eller for små udsving i benene) eller den vælter (for store bensving). Det tager nogle minutter, at prøve hvert sæt indstillinger, så det bliver jeg hurtigt træt af.

Jeg har derfor lavet en lille ret enkel kode, så den selv kan lære at gå. Det kaldes vist Robot Learning: Robotten har den tid og tålmodighed, som jeg ikke har.

For at kunne lære, skal den have et mål, som bruges som belønning/straf. Da jeg gerne vil have den til at gå fremad, skal den belønnes, når det sker. Her har jeg givet den en lyskilde, som den kan gå imod. Og en lyssensor (LDR) måler, hvor meget robotten kommer nærmere lyskilden.

Robotten får et sæt tilfælde parametre, som bruges til at tage tre “skridt”, hvorefter den vurderer, om den er kommet nærmere lyset. Derefter nye tilfælde parametre, tre skridt og ny vurdering. Det gentages 10 gange. Hver gang vurderer den desuden, om den har lavet en ny rekord i at komme nærmere lyset, så bedste resultat gemmes.
[youtube https://www.youtube.com/watch?v=XA3b8N9juCs?rel=0;controls=1]
Rødt lys = der er strøm på.
Rødt blink = et nyt sæt tilfældige parametre er valgt.
Grønt blink = Rekorden er slået. Bedste resultat gemmes.
Grønt lys (blivende) = “Fri fra skole”. Bedste resultat af de 10 forsøg bruges til at gå(!) videre.

Der er desuden nogle præmisser, som jeg har valgt: Rækkefølgen og max antal grader servoerne skal bevæge sig. Den vej på robotten som jeg forventer er fremad. Dem kunne den også blive sat til at optimere. Eller den kunne få servomotorerne sat sammen på en anden måde.

Eksemplet her er tumpe-måden at lære på. Også kaldet Brute Force metoden. Skal der læres mere komplicerede ting, løber vi hurtigt tør for regnekraft. Så kan kunstig intelligens måske hjælpe med at forudsige parametrene, og pludselig er vi alle uden job. Mon ikke SIRI-kommissionen skal kigge på min skabning?

Kredsløb:

Ups. Mangler grøn LED fra pin 2 til GND.

Kode:
Koden er delvist skrevet i mBlock, hvorfor nogle biblioteker og linjer måske er overflødige.

#include "Arduino.h"
#include "Wire.h"
#include "SoftwareSerial.h"
#include "Servo.h"

double angle_rad = PI/180.0;
double angle_deg = 180.0/PI;
Servo servo_10;
Servo servo_9;
double lys=0; //måles på pin A5.
int vinkel1;
int vinkel2;
int vinkel3;
int vinkel4;
int delta = 15;
int score;
int bestScore = 0;
int bestVinkel1;
int bestVinkel2;
int bestVinkel3;
int bestVinkel4;

void setup(){
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2,OUTPUT); //LED grøn
   pinMode(13,OUTPUT); //LED rød
  servo_10.attach(10);
  servo_9.attach(9);

  //nulstille benene:
       servo_10.write(100); // den ene servo sidder lidt skævt
        delay(1000*0.5);
        servo_9.write(90);
        delay(1000*0.5);

  // nulstille bedste vinkel:
      bestVinkel1=0;
      bestVinkel2=0;
      bestVinkel3=0;
      bestVinkel4=0;
      
  for(int j=0;j<10;j++)
  {
    vinkel1 = (random(-delta,delta));
    vinkel2 = (random(-delta,delta));
    vinkel3 = (random(-delta,delta));
    vinkel4 = (random(-delta,delta));
    digitalWrite(13, HIGH);
    delay(1000);
    digitalWrite(13, LOW);
    lys = analogRead(A5);
    Serial.print("før: ");
    Serial.println(lys);
    for(int i=0;i<3;i++)
    {
        servo_10.write(100+vinkel1);
        delay(1000*0.5);
        servo_9.write(90+vinkel2);
        delay(1000*0.5);
        servo_10.write(100+vinkel3);
        delay(1000*0.5);
        servo_9.write(90+vinkel4);
        delay(1000*0.5);
    } // slut på lille for 

    score = lys - analogRead(A5); //bliver mere negativ jo nærmere den kommer på lyskilden.
    Serial.print("efter: ");
    Serial.println(score);
    
    if (score < bestScore) { // bliver der sat ny rekord?
      digitalWrite(2, HIGH);
      delay(500);
      digitalWrite(2, LOW);
      bestScore = score;
      bestVinkel1=vinkel1;
      bestVinkel2=vinkel2;
      bestVinkel3=vinkel3;
      bestVinkel4=vinkel4;
    }
    //nulstille benene:
       servo_10.write(100);
        delay(1000*0.5);
        servo_9.write(90);
        delay(1000*0.5);
        servo_10.write(100);
        delay(1000*0.5);
        servo_9.write(90);
        delay(1000*0.5);    
  } //slut på store for
}

void loop()
{
          digitalWrite(2, HIGH);
        servo_10.write(100+bestVinkel1);
        delay(1000*0.5);
        servo_9.write(90+bestVinkel2);
        delay(1000*0.5);
        servo_10.write(100+bestVinkel3);
        delay(1000*0.5);
        servo_9.write(90+bestVinkel4);
        delay(1000*0.5);

        
  
}

Tre billige microcomputere eller -controllere, som ofte bruges i undervisning om robotter, programmering, dataopsamling, IoT o.l., er Arduino, Raspberry Pi og Micro:bit. Sidste er produceret af BBC i samarbejde med bl.a. Microsoft og udleveret til alle engelske skolebørn medio 2016. Flere andre firmaer er også ude med lignende enheder bl.a. Intel og Texas Instruments, omend de ikke er så populære.

Hvilken af de tre enheder skal vi satse på i undervisning? Det korte svar er: alle tre, det kommer an på forudsætninger, rammen og indholdet i øvrigt, da hver enhed har sine fordele og ulemper mht. teknik og tilgængelighed.

Men hvilken enhed skal vi som regel bruge i ungdomsuddannelserne? Her er min vurdering.

Raspberry Pi (Zero):

Raspberry Pi er en microcomputer (eget styresystem og hukommelse), og kan derfor næsten ikke sammenlignes med de andre dimser, som er microcontrollere (uden styresystem, skal styres fra en computer).

Den kræver en skærm og et keyboard. Den har hukommelse og processerkraft, så den kan utrolig meget fx arbejde med video eller fungere som en server. Det er trods alt projekter, som vi sjældent laver i almindelig undervisning. Desuden har den kun digitale ind-/udgange, så måling fra nogle sensorer er lidt mere besværligt.

Da den kom frem i 2012, var det håbet, at lærere og skoleelever ville tage Pi’en til sig for at lære om computere. Det er vist kun sket i ret begrænset omfang. Barren ligger for højt for begge grupper.

Arduino:

By SparkFun Electronics from Boulder, USA – Arduino Uno – R3, CC BY 2.0, Link

Arduino er en microcontroller, som er meget alsidig. Den har mange både digitale og analoge ind-/udgange (pins), så den kan kommunikere med mange komponenter, herunder sensorer. Det er ikke nødvendigt at lodde, men ledninger skal afisoleres i enden. Den kræver min. 6V (gerne mere) for at fungere, så et USB-kabel eller et 9V batteri er som regel nødvendigt, hvilket giver mulighed for 40 mA output.

Der er et stort community omkring Arduino både blandt undervisere, makere og forskere, og anvendelserne strækker sig bl.a. fra robotter og droner over IoT og 3D-printere til satellitter.

Micro:bit:

Micro:bit er den nye dreng i klassen. Den har 20 ind-/udgange, hvoraf de 3 nemt kan tilgås med krokodillenæb. Resten skal tilgås via et skjold. Desuden har den indbygget nogle af de mest anvendte sensorer: temperatur, gyro, accelerometer, lys, kompas og to trykknapper. Bluetooth indbygget. Og der er et 5×5 LED display, som kan vise tal, tekst og simpel grafik. What’s not to like?

De indbyggede komponenter gør, at det er let at komme i gang, men øger blackbox-effekten. Micro:bit har kun behov for 3-4 V fx. fra et knapcellebatteri. Det lave strøminput betyder også, at den ikke kan levere særlig stor strøm (3,3 V og 20 mA siger rygtet). Det er måske årsagen til (?), at den ikke bliver brugt sammen med visse eksterne komponenter fx motorer, displays, sensorer, SD-kortlæsere, som ofte kræver større spænding/strømstyrke.

Fx. virker dette setup (ovenfor) netop, når enheden er tilsluttet computer via USB-kabel, men ikke når den kører på batteri. Der er dog en række skjolde, som gør det muligt at bruge de nævnte komponenter alligevel. Nogle skjolde forhandles af Podconsult.dk.

Programmering er rimelig nem (ligesom Arduino), men når programmet er downloaded til dimsen, bliver kommunikationen afbrudt, og giver ikke umiddelbart mulighed for at opsamle mange data. Det er en skam. Der er en “record” funktion, som kan lagre data, og disse kan hentes ud, som vist i dette eksempel og dette, men det er ikke helt nemt og kræver p.t. tredjeparts software. Måske kan de trådløse muligheder eller et “Data Collection” skjold hjælpe.

De indbyggede komponenter gør Micro:bit nem at gå til, og med div. skjolde begynder den at ligne en Arduino.

https://ssl.gstatic.com/trends_nrtr/760_RC04/embed_loader.js trends.embed.renderExploreWidget(“TIMESERIES”, {“comparisonItem”:[{“keyword”:”arduino”,”geo”:””,”time”:”all”},{“keyword”:”Raspberry pi”,”geo”:””,”time”:”all”},{“keyword”:”micro:bit”,”geo”:””,”time”:”all”}],”category”:0,”property”:””}, {“exploreQuery”:”date=all&q=arduino,Raspberry%20pi,micro:bit”,”guestPath”:”https://www.google.dk:443/trends/embed/”});
Micro:Bit er indtil videre mest et britisk projekt, som lige er begyndt. Der er derfor et meget begrænset community, som også indikeres af Google Trends data ovenfor. Og den del af videndeling, som BBC står for, er p.t. forbeholdt britiske undervisere. Partnerne bag projektet har stillet i udsigt, at både soft- og hardware bliver open source, så der kan udvikles og fremstilles internationalt, som det kendes fra Arduino. Dér er vi ikke helt endnu, men mon ikke de snart åbner op?

Konklusion:
Valg enhed afhænger bl.a. af om fokus er på leg, programmering, dannelse eller maker-kompetence (er der noget der hedder sådan?), og en afvejning af tid, økonomi og elevforudsætninger mhp. at opnå en succesoplevelse.

Raspberry Pi er til projekter, hvor der kræves en hel computer, mest for universitet eller faget informatik imo.

Micro:bit ser ud til, at være et rigtig godt sted for folkeskoleelever at begynde med microcontrollere. Den er designet til undervisning, ser venlig ud og er let at komme i gang med, selv om elevforudsætningerne måske er små. Den er ny og savner derfor noget udvikling mht. community og hacks.

På ungdomsuddannelserne vil vi noget mere og med mindre blackbox, og her er Arduino ofte det rette valg. Den giver flere muligheder for anvendelser og tilpasninger, herunder dataopsamling. Men den dag kan hurtigt komme, hvor vi vender os mod Micro:bit, når den er lidt mere udviklet. Den er både lettilgængelig, men har også endnu uforløste muligheder for avancerede projekter.

Hvorfor sætter det danske skolesystem eller magthavere ikke gang i et projekt lignende det britiske Micro:bit? Ifølge Danmark Statistik er der p.t. 66670 8-årige børn i Danmark. Hertil ca. 3000 lærere. En Arduino-klon koster ca. 20-25,- i Kina, men er forhåbentlig (lidt) billigere at producere. Hvis man antager en pris på 30,- pr. styk, hvilket er højt sat, giver det en udgift på ca. 2 millioner kr. Til fem årgange er det ca. 10 millioner kr. Det er småpenge, i forhold til det boost, som det kan give vores digitale kompetencer, selv om en del enheder nok vil samle støv i skufferne rundt omkring.

Den faststof raket, jeg har modificeret vejer 41 g uden motor. En motor (A6-4) vejer 16 g. Elektronikken, som skal måle tryk og skrive til et SD-kort vejer 32 g. Dvs. elektronikken udgør næsten en fordobling af vægten, så det er måske ikke så underligt, at den har svært ved at flyve.

Jeg har prøvet med en kraftigere motor (B4-4):
[youtube https://www.youtube.com/watch?v=D95JISfxuI8]

Det gav pæne resultater mht. tryk, og en beregnet flyvehøjde på ca. 80 meter over jorden:

Temperaturen svinger noget. Måske har sollys noget at sige?, det er trods alt ret små ændringer der ses. Et generelt fald i temperautur med lavere tryk kan dog ses (kun målinger fra flyveturen):

Efter sigende skulle temperaturen falde med små 1 grad Celcius pr. 100 meter, så det passer nogenlunde.

Ved lejlighed må jeg kalibrere højdemåleren.

Dette er ikke en noob-guide. Hvis du ikke er bekendt med Arduino, vil jeg foreslå du begynder et andet sted. Fx her.

Mål
Projektets mål var, at lægge data ud på en offentlig og lettilgængelig webside. Hvorfor netop disse eller andre data skal på nettet, og hvordan jeg involverer eleverne, må komme senere.

Tjenesten Thingspeak, er designet til at lægge målinger på nettet og opdatere dem live fx i forbindelse med internet of things.

Jeg har brugt:
* Wemos D1, som er en Arduino-klon (mikro-computer) med WIFI-antenne, som giver forbindelse til nettet, og som koster ca. 20 kr. Wemos D1 er måske ikke den bedste platform (NodeMCU er måske bedre), men et godt sted for mig at begynde, da den er forholdvis enkel.
* 3 ledninger
* DHT11 sensor, som kan måle temperatur og luftfugtighed.
* Et breadboard (fumlebræt, ikke strengt nødvendigt)
Alle dele købt hos AliExpress.com

Samles i kredsløb:

Wemos D1 – DHT11
5V – VCC
GND – GND
digital pin 1 – pin 2 fra venstre, når sensoren holdes med forsiden mod dig.

Kodning og opsætning:
Wemos D1 skal programmeres via en computer fra Arduino IDE, som kan downloades.
Programmet skal have et plugin for at genkende Wemos D1. Her kan du bl.a. se hvordan man henter og installerer det. Jeg mener at der samtidig installeres et ESP8266WiFi.h bibliotek. Hvis ikke, skal det også hentes og installeres.

Boarded, som du vælger i Arduino IDE, skal være “Wemos D1 R2 & mini”. Upload speed: 115200.
Koden ses nedenfor. Husk at skrive navnet på dit netværk (case-sensitive) og kodeordet til netværket.

For at DHT11 sensoren skal virke, skal du formentligt hente og installere et “DHT.h” bibliotek til Arduino IDE. Se evt. her hvordan.

På thingspeak oprettes en profil (gratis) og derefter en kanal. Kanalen har en kode (Writing API), som også skal ind i koden nedenfor.

Kopier koden nedenfor ind i Arduino IDE og upload den til Wemos D1. Afbryd evt. forbindelsen til computeren derefter. Tilslut en anden strømkilde fx en 9V adapter, computeren er ikke længere nødvendig for Wemos D1.

I thingspeak.com oprettes to felter, da thingspeak jvf. koden nedenfor, modtager to data (temperatur og luftfugtighed). Hvordan thingspeak lige oversætter den streng den får tilsendt til disse to felter, ved jeg ikke. Det er en af konsekvenserne ved at bruge en “smart” tjeneste. En anden er, at det er sk… nemt.

Derefter kan leges med hvordan data skal afbildes. Afbildningerne kan integreres i hjemmesider fx et sharepoint website, som en iframe.

(statisk billede her, da jeg skal bruge min Wemos til et andet projekt)

Hvad nu?
Senere prøve andre sensorer. CO2- eller støjmåler i klassen. En klimastation til vores vandrende pinde. Finde ud af hvordan eleverne kommer med. Måske bliver jeg teknisk set begrænset af at Wemos D1 kun har en analog port (A0).

Thingspeak er en MEGET enkel måde at komme i gang med IoT. Tjenesten virker ikke til at være så god til, at fjernstyre ting fx motorer i kredsløbet, men mægtig fint til at afbilde data live.

#include <DHT.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
 
// replace with your channel’s thingspeak API key and your SSID and password
String apiKey = "KODE FRA THINGSPEAK HJEMMESIDEN";
const char* ssid = "NAVNET PÅ DIT NETVÆRK";
const char* password = "KODEN TIL DIT NETVÆRK";
const char* server = "api.thingspeak.com";
 
#define DHTPIN 1
#define DHTTYPE DHT11 
 
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
WiFiClient client;
 
void setup() 
{
Serial.begin(9600);
Serial.println("begyndelse");
delay(10);
dht.begin();
Serial.println("dth begin");
 delay(2000);
WiFi.begin(ssid, password);
Serial.println("WIFI begin");
delay(1000); 
Serial.println();
Serial.println();
Serial.print("Connecting to ");
Serial.println(ssid);
 
WiFi.begin(ssid, password);
 
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) 
{
delay(500);
Serial.print(".");
}
Serial.println("");
Serial.println("WiFi connected");
 
}
 
void loop() 
{
// float h = 50;
// float t = 20; 
float h = dht.readHumidity();
float t = dht.readTemperature();
if (isnan(h) || isnan(t)) 
{
Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");
//return;
}

 Serial.print(h);
 Serial.println(t);
  
if (client.connect(server,80)) {
String postStr = apiKey;
postStr +="&field1=";
postStr += String(t);
postStr +="&field2=";
postStr += String(h);
postStr += "rnrn";
 
client.print("POST /update HTTP/1.1n");
client.print("Host: api.thingspeak.comn");
client.print("Connection: closen");
client.print("X-THINGSPEAKAPIKEY: "+apiKey+"n");
client.print("Content-Type: application/x-www-form-urlencodedn");
client.print("Content-Length: ");
client.print(postStr.length());
client.print("nn");
client.print(postStr);
 
Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(t);
Serial.print(" degrees Celsius Humidity: ");
Serial.print(h);
Serial.println("Sending data to Thingspeak");
}
client.stop();
 
Serial.println("Waiting 20 secs");
// thingspeak needs at least a 15 sec delay between updates
// 20 seconds to be safe
delay(20000);
}