Physical Computing-thema: verschil tussen versies

Uit Inf2019
Naar navigatie springen Naar zoeken springen
Geen bewerkingssamenvatting
 
(23 tussenliggende versies door 2 gebruikers niet weergegeven)
Regel 1: Regel 1:
{{Zijbalk Physical Computing}}
{{Zijbalk Physical Computing}}
== Thema: Physical Computing ==
== Module: Physical Computing ==
Bij physical computing draait het om computers die via ''sensoren en actuatoren'' de omgeving waarnemen en beïnvloeden. Enkele voorbeelden:
Bij physical computing draait het om computers die via ''sensoren en actuatoren'' de omgeving waarnemen en beïnvloeden. Enkele voorbeelden:
* De thermostaat bij je thuis die ervoor zorgt dat de temperatuur in huis aangenaam blijft. Het maakt gebruikt van één of meerdere sensoren die de temperatuur waarnemen en kan de verwarming in- en uitschakelen via een actuator.
* De thermostaat bij je thuis die ervoor zorgt dat de temperatuur in huis aangenaam blijft. Het maakt gebruikt van één of meerdere sensoren die de temperatuur waarnemen en kan de verwarming in- en uitschakelen via een actuator.
* Een zelfrijdende auto, die op basis van allerlei sensoren ervoor zorgt dat je veilig op de plaats van bestemming aankomt zonder dat je zelf hoeft te rijden.
* Een zelfrijdende auto, die op basis van allerlei sensoren ervoor zorgt dat je veilig op de plaats van bestemming aankomt zonder dat je zelf hoeft te rijden.
* Robots, zoals bijvoorbeeld door chirurgen wordt gebruikt om hele nauwkeurige operaties uit te voeren.
* Robots, zoals bijvoorbeeld door chirurgen worden gebruikt om hele nauwkeurige operaties uit te voeren.


Dit zijn slechts enkele van de vele voorbeelden, de mogelijkheden van physical computing zijn echt enorm. In deze module leer wat de mogelijkheden zijn, maar ook wat de uitdagingen daarbij zijn. Je gaat ook zelf een ''physical computer'' bouwen.
Dit zijn slechts enkele van de vele voorbeelden, de mogelijkheden van physical computing zijn echt enorm. In deze module leer je wat de mogelijkheden zijn, maar ook wat de uitdagingen daarbij zijn. Je gaat ook zelf een ''physical computer'' bouwen (ontwerpen en ontwikkelen).


De module bestaat uit drie subthema's.
[https://docs.google.com/document/d/1RiJ_ZqkEAFbIcBcHbtbr95QPpgnZ1gqdiig9One09XU/edit?usp=sharing Opzet en lijn van het lesmateriaal]


=== Subthema 1: Physical Computing, toepassingen in de maatschappij ===
De module bestaat uit drie submodules.  
Toepassingen van physical computing, en meer specifiek robotica, zie je op allerlei manieren terug in de maatschappij en de wereld om je heen. Denk hierbij aan robots in chirurgie, zelfrijdende auto's, mobiele telefoons, de koelkast en waterkoker thuis, etc, etc. We willen je laten zien wat de mogelijkheden zijn, maar ook wat de uitdagingen zijn. Je leert daarbij hoe dit soort toepassingen werken en hoe ze gebruikmaken van verschillende sensoren en actuatoren.  


=== Subthema 2: Physical Computing, de bouwstenen ===
=== [[/Submodule 1|Submodule 1]]: Physical Computing, toepassingen in de maatschappij ===
Je leert in dit thema over de werking van een set sensoren en actuatoren en hoe je deze kunt gebruiken om een ''physical computer'' te maken. Je krijgt allerlei voorbeelden, sommige moet je zelf nabouwen zodat je leert hoe dat werkt. Dit heb je nodig om uiteindelijk zelf een physical computer te kunnen ontwikkelen. Je leert rekening te houden met de mogelijkheden en beperkingen van de sensoren en actuatoren en je leert hoe je een programma kunt maken dat gebruikmaakt van deze sensoren en actuatoren.
Toepassingen van physical computing, en meer specifiek robotica, zie je op allerlei manieren terug in de maatschappij en de wereld om je heen. Denk hierbij aan robots in chirurgie, zelfrijdende auto's, mobiele telefoons, de koelkast en waterkoker thuis, etc, etc. We willen je laten zien wat de mogelijkheden zijn, maar ook wat de uitdagingen zijn. Je leert daarbij hoe dit soort toepassingen werken en hoe ze gebruikmaken van verschillende sensoren en actuatoren.


=== Subthema 3: Physical Computing, zelf ontwikkelen ===
[https://drive.google.com/open?id=1_Yu9JUw-_EqbAn3MJIptgZmJz0M1VpzFl6vXweyxIw0 Opbouw en leerdoelen submodule 1]
Nu je weet welke bouwstenen je tot je beschikking hebt, kun je zelf een ''physical computer'' ontwerpen en bouwen. Je werkt in een team, jullie krijgen de keuze uit verschillende opdrachten. Of jullie komen zelf met een goed voorstel. Je maakt gebruik van de kennis die je hebt opgedaan in subthema twee. Het is belangrijk dat je gestructureerd werkt. Dat betekent onder meer het volgende.
* Jullie werken steeds in kleine stapjes. Je ontwikkelt een klein onderdeel en evalueert dat. Pas als je daar tevreden over bent ga je weer verder. Hiermee voorkom je dat het te complex wordt en zorg je ervoor dat je steeds een werkend systeem hebt.
* Je maakt bewuste keuzes die je kunt onderbouwen. Waarom gebruik je de ene sensor en niet de andere? Waarom kies je voor de ene oplossing en niet de andere?
* Jullie werken goed samen door steeds duidelijk te maken wat er moet gebeuren, hoe de taken zijn verdeeld en goed met elkaar te communiceren.


== Opdrachten ==
[[/Submodule 1 | Inhoud submodules 1 (werk in uitvoering)]]


=== Thema 1 ===
=== [[/Submodule 2|Submodule 2]]: Physical Computing, de bouwstenen ===
We geven je allerlei voorbeelden van physical computing. Je moet in staat zijn om te herkennen welke sensoren en/of actuatoren daarbij worden gebruikt. Je kunt ook het algoritme beschrijven dat wordt gebruikt.  
Je leert in deze submodule over de werking van een set sensoren en actuatoren en hoe je deze kunt gebruiken om een ''physical computer'' te maken. Je krijgt allerlei voorbeelden, sommige moet je zelf nabouwen zodat je leert hoe dat werkt. Dit heb je nodig om uiteindelijk zelf een physical computer te kunnen ontwikkelen. Je leert rekening te houden met de mogelijkheden en beperkingen van de sensoren en actuatoren en je leert hoe je een programma kunt maken dat gebruikmaakt van deze sensoren en actuatoren.


==== Opdracht mobiele telefoons ====
[https://drive.google.com/open?id=1804QzMcXnbdfh--nlDww1ouJffCPoHWG6z8YHIq_cvE Opbouw en leerdoelen submodule 2]
Je mobiele telefoon heeft allerlei sensoren. Hieronder zie je een lijstje van mogelijke sensoren. Deze sensoren nemen iets waar in de fysieke wereld. Bijvoorbeeld, een microfoon neemt geluidsgolven waar. Je kunt sensoren vergelijken met zintuigen, een microfoon is als je oren.
* microfoon
* kompas
* camera
* gyroscoop
* touchscreen
* GPS-antenne


[[Bestand:Zintuigen.png|400px]]
[[/Submodule 2 | Inhoud submodules 2 (werk in uitvoering)]]
<ref>NLT-module 'Robotica' 2009, zie http://betavak-nlt.nl/dmedia/media/site-files/47bd6/0a511/820b9/3ec9c/5055a/v116_Robotica_lln_software_3.1_ev_121009.pdf</ref>


Lees ook hoofdstuk 2.1 t/m 2.3 uit NLT-module Leven met Robots <ref>NLT-module Leven met Robots, zie http://betavak-nlt.nl/dmedia/media/site-files/e80d1/76037/51fb4/08de2/b0788/NLTC-H301%20Leven%20met%20Robots%20-%20LEERLINGENMA_ZYqtxtK.zip</ref>
=== [[/Submodule 3|Submodule 3]]: Physical Computing, zelf ontwikkelen ===
 
Nu je weet welke bouwstenen je tot je beschikking hebt, kun je zelf een ''physical computer'' ontwerpen en bouwen. Je werkt in een team, jullie krijgen de keuze uit verschillende opdrachten. Of jullie komen zelf met een goed voorstel. Je maakt gebruik van de kennis die je hebt opgedaan in submodule twee. Het is belangrijk dat je gestructureerd werkt. Dat betekent onder meer het volgende.
a) Geef bij elk van de sensoren aan welk fysiek verschijnsel wordt waargenomen.
* Jullie werken steeds in kleine stapjes. Je ontwikkelt een klein onderdeel en evalueert dat. Pas als je daar tevreden over bent ga je weer verder. Hiermee voorkom je dat het te complex wordt en zorg je ervoor dat je steeds een werkend systeem hebt.
 
* Je maakt bewuste keuzes die je kunt onderbouwen. Waarom gebruik je de ene sensor en niet de andere? Waarom kies je voor de ene oplossing en niet de andere?
b) Geef voor de volgende sensoren aan met welke nauwkeurigheid deze sensoren werken. Neem je eigen telefoon als uitgangspunt:
* Jullie werken goed samen door steeds duidelijk te maken wat er moet gebeuren, hoe de taken zijn verdeeld en goed met elkaar te communiceren.
* camera
* GPS-antenne
* kompas
 
c) Bekijk het volgende voorbeeld van Pokemon Go. Geef aan welke sensoren door deze app worden gebruikt en waarvoor.
https://www.gamereactor.nl/artikelen/513603/Pokemon+Go+krijgt+Raids/
 
 
==== Opdracht sporthorloge ====
Er zijn diverse sporthorloges op de markt verkrijgbaar. Je hebt er zelf misschien ook wel eentje.  
 
a) Welke sensoren zitten in de meeste sporthorloges?
 
b) Tomtom, een Nederlands bedrijf, verkoopt dergelijke sporthorloges. Sommige van deze horloges hebben een ingebouwde hartslag meter, zoals de Tomtom Spark 3 Cardio. Hoe meet het horloge de hartslag?
 
c) Noem naast deze methode nog een tweede methode om de hartslag te meten met behulp van een automatisch systeem.
 
d) Vergelijk de twee methodes (uit b en c) met elkaar. Bepaal eerst op welke aspecten je de methodes wilt vergelijken.
 
===== Uitwerking =====
a) Kijkend naar de functies zal een sporthorloge de volgende sensoren moeten bevatten:
* een GPS-sensor om de locatie te bepalen
* een hartslag-sensor om de hartslag te bepalen
* een bewegingssensor om de armbeweging te kunnen detecteren, in het geval er ook een activity tracker is geïntegreerd
Daarnaast bevat een horloge 1 of meerdere antenne's om te kunnen communiceren met bijvoorbeeld een computer. Het gaat dan meestal om een Bluetooth- of Wifi-zender.
 
b) Deze horloges werken met een LED-lampje die infraroodlicht uitzenden. Een lichtsensor neemt dit waar en vertaalt dit naar de frequentie van je hartslag. <ref>how Stuff Works - How can a bracelet track your heart rate?, zie https://electronics.howstuffworks.com/gadgets/fitness/can-bracelet-track-heart-rate.htm
electrocardiogram</ref>
 
c) Elke hartslag brengt een wijziging van elektrische spanning met zich mee, deze spanning kun je meten. Dat kan bijvoorbeeld met een band om de borst die is gekoppeld aan een sporthorloge. Met speciale elektroden is het mogelijk om dit veel nauwkeuriger te bepalen, zoals dat bijvoorbeeld in het ziekenhuis gebeurt.  
Het is zelfs mogelijk om de hartslag te meten met behulp van video-beelden van iemands gezicht <ref>MIT algorithm measures your pulse by looking at your face, zie http://www.wired.co.uk/article/mit-algorithm</ref>.
 
d) Het is de vraag waar je op vergelijkt. Nauwkeurigheid is een belangrijk aspect. Die nauwkeurigheid hangt af van de kwaliteit van de sensoren die je gebruikt, als ook de omstandigheden: ligt iemand stil of is iemand aan het hardlopen bijvoorbeeld. Een meting met hoogwaardige electroden in het ziekenhuis, terwijl je stil ligt, is een stuk nauwkeuriger. Uitgaan van sporthorloges blijkt dat de meting met een borstband, waarbij de verandering in elektrische spanning op je huid wordt gemeten nauwkeuriger is dan het meten met behulp van infraroodlicht.
Andere relevante aspecten bij sporthorloges zijn kosten, energieverbruik en betrouwbaarheid (in hoeverre werkt het in alle omstandigheden). Daarover zou je de specifieke eigenschappen van de horloges moeten onderzoeken.
 
==== Opdracht stofzuigerrobot ====
Een stofzuigerrobot  maakt je kamer schoon terwijl je zelf op school zit of aan het werk bent. Er zijn diverse stofzuigerrobots verkrijgbaar. In het volgende filmpje zie je een korte review van de iRobot Roomba 880.
 
https://www.cnet.com/products/irobot-roomba-880/
 
Deze stofzuigerrobot is in staat te bepalen of er een object in de weg staat. Als de stofzuiger naar beneden dreigt te vallen, bijvoorbeeld van de trap, draait ie zich om. Hij laat zichzelf op bij het basisstation. Beschrijf de sensoren en actuatoren van deze stofzuigerrobot.
 
a) Welke sensoren zijn hierbij betrokken?
 
b) Welke actuatoren zijn hierbij betrokken?
 
c) Maak een Functioneel Structuur Diagram voor deze robot
 
===== Uitwerking =====
a)
In ieder geval:
* Objectsensor om te bepalen of er een object of muur voor de robot is.
* Afstandssensor om de afstand tot de grond te bepalen, zodat een 'afgrond' kan worden gedetecteerd
* Batterijstatussensor, om te bepalen of de stofzuiger moet worden opgeladen.
* Start-stop-knop, voor de gebruiker om de stofzuiger te starten of uit te schakelen.
* Sensor om te bepalen of het stofreservoir vol zit
Hier niet genoemd is het vermogen van de stofzuiger om te bepalen of er meer of minder stof ligt. Het is niet helemaal duidelijk hoe dat werkt. Verder is het goed mogelijk dat de stofzuiger meet welke afstand steeds wordt afgelegd (bijvoorbeeld door het aantal omwentelingen van de wielen te meten). Sommige stofzuigersrobots kunnen ook meten wat de afstand tot de muur is om een inschatting te maken van de grootte van de ruimte.
 
Op How Stuff Works <ref>How Robotic Vacuums Work, zie: https://electronics.howstuffworks.com/gadgets/home/robotic-vacuum1.htm</ref> staan foto's van de boven- en onderkant van een (verouderde) Roomba. Daar zie je onder meer een bumber die detecteert als de robot ergens tegen aan rijdt.
 
b)
In ieder geval:
* Twee motors, één voor elk van de wielen
* Een motor voor de stofzuiger
* Eén of twee motors voor de borstels aan de onderkant
 
c) De functies van de stofzuigrobot kunnen als volgt worden opgedeeld:
* beweeg de robot vooruit
* detecteer obstakel
* detecteer een afgrond
* detecteer de start-stop-knop
* bepaal een nieuwe richting
* draai in nieuwe richting
* detecteer het batterijniveau
* rij naar basisstation
* zuig het stof op
* bepaal de mate van stof
* detecteer de hoeveelheid stof in het reservoir
 
[[Bestand:FSD-stofzuigerrobot.jpg|400px]]
 
==== Opdracht zelfrijdende auto's ====
Bekijk de filmpjes uit de volgende twee bronnen over zelfrijdende auto’s:
* De grote datarace: een rijbewijs voor de robotauto, https://www.nrc.nl/nieuws/2017/09/01/waardoor-de-zelfrijdende-auto-zakt-voor-zijn-rijexamen-12777304-a1571900?utm_source=NRC&utm_medium=related&utm_campaign=related2
* Nederland loopt voorop bij ontwikkeling zelfrijdende auto's, https://nos.nl/artikel/2192878-nederland-loopt-voorop-bij-ontwikkeling-zelfrijdende-auto-s.html
 
a) Vergelijk mensen en computers/robots met elkaar als het gaat om het besturen van auto's in het verkeer. Waar zijn mensen op dit moment beter in en waar zijn zelfrijdende auto's beter in?
 
b) In de artikelen wordt beweerd dat het niet lang meer duurt voordat zelfrijdende auto's door de stad rijden. Welke hobbels moeten nog worden genomen in de ontwikkeling van de zelfrijdende auto's?
c) In de artikelen staat dat de zelfrijdende auto's de volgende soorten sensoren gebruiken: lidar, radar, camera's en parkeersensoren. Zoek op welke informatie deze sensoren opleveren en wat de beperkingen zijn van elk van de sensoren.


d) Cobots zijn robots die samenwerking met de mens. Mens en machine versterken elkaar. In de figuur in het volgende artikel zie je allerlei voorbeelden van toekomstige beroepen waarbij de mens zich laat versterken door de computer: https://www.nrc.nl/nieuws/2017/10/23/maak-kennis-met-de-cobot-13636147-a1578325. Als je de zelfrijdende auto zoals die nu is ook als cobot ziet. De zelfrijdende auto hoeft dan niet helemaal autonoom te rijden, maar vult de mens zo veel mogelijk aan. Hoe zou dat er uit kunnen zien?
[https://drive.google.com/open?id=1nThr6yo6ckzXyJ_a-PZ6uLW7ReOWpXavniRlFWZzCtc Opbouw en leerdoelen submodule 3]


==== Opdracht chirurgie ====
[[/Submodule 3 | Inhoud submodules 3 (werk in uitvoering)]]
Bekijk de video's in het volgende artikel over robot chirurgie: https://www.1limburg.nl/opereren-met-robots-gaat-grote-vlucht-nemen


https://www.1limburg.nl/sites/default/files/public/styles/gallery_detail/public/istock-512056672.jpg
== Docentenhandleiding ==
 
De docentenopleiding geeft een overzicht van de uitgangspunten en opzet van de module. Zie:  
a) Vergelijk mensen en computers/robots met elkaar als het gaat om het chirurgie. Waar zijn mensen op dit moment beter in en waar zijn zelfrijdende auto's beter in?
[https://docs.google.com/document/d/1g4sBQG6LCZN_rk5iydjlOZUhKYoH7FoGcB9tSOera5w/edit?usp=sharing Docentenhandleiding]
 
b) Cobots zijn robots die samenwerking met de mens. Mens en machine versterken elkaar. In de figuur in het volgende artikel zie je allerlei voorbeelden van toekomstige beroepen waarbij de mens zich laat versterken door de computer: https://www.nrc.nl/nieuws/2017/10/23/maak-kennis-met-de-cobot-13636147-a1578325. Op welke van de genoemde toekomstige beroepen lijkt de chirurg uit het eerdere filmpje het meest vind je? Leg in 1 of 2 zinnen uit waarom.
 
c) Welke sensoren en actuatoren heeft de robot die in het filmpje wordt gebruikt?
 
d) Wat zijn de uitdagingen in de verdere ontwikkeling van deze chirurgie-robots?
 
=== Thema 2 ===
 
Google Docs document:
[https://docs.google.com/document/d/1Kqac9_IVxanudZIiYlSQrqrrMuyAIZWXMJ9nkITsY9U/edit?usp=sharing]
 
=== Thema 3 ===
 
== Context: Robotica ==
 
[[Robotica]] vormt een rijke context voor het thema Physical Computing.
 
== Concepten ==
 
''<<Zie voor een voorbeeld: [[Netwerken-thema]], onder Concepten>>''
 
[[Bestand:Mindmap.png|400px]]


== Project ==
== Project ==


Het materiaal voor het thema Physical Computing is resultaat van het [[Project:Physical Computing]]
Het materiaal voor de module Physical Computing is resultaat van het [[Project:Physical Computing]]
 
{{Appendix}}

Huidige versie van 1 feb 2018 om 14:40

Physical Computing
Concepten
Subthema's

Zie ook Physical Computing-project
Zie ook Regels en richtlijnen
Zie ook Artikelen bewerken

Module: Physical Computing

Bij physical computing draait het om computers die via sensoren en actuatoren de omgeving waarnemen en beïnvloeden. Enkele voorbeelden:

  • De thermostaat bij je thuis die ervoor zorgt dat de temperatuur in huis aangenaam blijft. Het maakt gebruikt van één of meerdere sensoren die de temperatuur waarnemen en kan de verwarming in- en uitschakelen via een actuator.
  • Een zelfrijdende auto, die op basis van allerlei sensoren ervoor zorgt dat je veilig op de plaats van bestemming aankomt zonder dat je zelf hoeft te rijden.
  • Robots, zoals bijvoorbeeld door chirurgen worden gebruikt om hele nauwkeurige operaties uit te voeren.

Dit zijn slechts enkele van de vele voorbeelden, de mogelijkheden van physical computing zijn echt enorm. In deze module leer je wat de mogelijkheden zijn, maar ook wat de uitdagingen daarbij zijn. Je gaat ook zelf een physical computer bouwen (ontwerpen en ontwikkelen).

Opzet en lijn van het lesmateriaal

De module bestaat uit drie submodules.

Submodule 1: Physical Computing, toepassingen in de maatschappij

Toepassingen van physical computing, en meer specifiek robotica, zie je op allerlei manieren terug in de maatschappij en de wereld om je heen. Denk hierbij aan robots in chirurgie, zelfrijdende auto's, mobiele telefoons, de koelkast en waterkoker thuis, etc, etc. We willen je laten zien wat de mogelijkheden zijn, maar ook wat de uitdagingen zijn. Je leert daarbij hoe dit soort toepassingen werken en hoe ze gebruikmaken van verschillende sensoren en actuatoren.

Opbouw en leerdoelen submodule 1

Inhoud submodules 1 (werk in uitvoering)

Submodule 2: Physical Computing, de bouwstenen

Je leert in deze submodule over de werking van een set sensoren en actuatoren en hoe je deze kunt gebruiken om een physical computer te maken. Je krijgt allerlei voorbeelden, sommige moet je zelf nabouwen zodat je leert hoe dat werkt. Dit heb je nodig om uiteindelijk zelf een physical computer te kunnen ontwikkelen. Je leert rekening te houden met de mogelijkheden en beperkingen van de sensoren en actuatoren en je leert hoe je een programma kunt maken dat gebruikmaakt van deze sensoren en actuatoren.

Opbouw en leerdoelen submodule 2

Inhoud submodules 2 (werk in uitvoering)

Submodule 3: Physical Computing, zelf ontwikkelen

Nu je weet welke bouwstenen je tot je beschikking hebt, kun je zelf een physical computer ontwerpen en bouwen. Je werkt in een team, jullie krijgen de keuze uit verschillende opdrachten. Of jullie komen zelf met een goed voorstel. Je maakt gebruik van de kennis die je hebt opgedaan in submodule twee. Het is belangrijk dat je gestructureerd werkt. Dat betekent onder meer het volgende.

  • Jullie werken steeds in kleine stapjes. Je ontwikkelt een klein onderdeel en evalueert dat. Pas als je daar tevreden over bent ga je weer verder. Hiermee voorkom je dat het te complex wordt en zorg je ervoor dat je steeds een werkend systeem hebt.
  • Je maakt bewuste keuzes die je kunt onderbouwen. Waarom gebruik je de ene sensor en niet de andere? Waarom kies je voor de ene oplossing en niet de andere?
  • Jullie werken goed samen door steeds duidelijk te maken wat er moet gebeuren, hoe de taken zijn verdeeld en goed met elkaar te communiceren.

Opbouw en leerdoelen submodule 3

Inhoud submodules 3 (werk in uitvoering)

Docentenhandleiding

De docentenopleiding geeft een overzicht van de uitgangspunten en opzet van de module. Zie: Docentenhandleiding

Project

Het materiaal voor de module Physical Computing is resultaat van het Project:Physical Computing