Physical Computing-thema

Thema: 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 wordt 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.

De module bestaat uit drie subthema's.

Subthema 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.

Subthema 2: Physical Computing, de bouwstenen

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.

Subthema 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 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

Thema 1

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.

Opdracht mobiele telefoons

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

Lees ook hoofdstuk 2.1 t/m 2.3 uit NLT-module Leven met Robots

a) Geef bij elk van de sensoren aan welk fysiek verschijnsel wordt waargenomen.

b) Geef voor de volgende sensoren aan met welke nauwkeurigheid deze sensoren werken. Neem je eigen telefoon als uitgangspunt:

• 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.

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 .

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 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.png

Opdracht zelfrijdende auto's

Bekijk de volgende bron over zelfrijdende auto’s: https://nos.nl/artikel/2192878-nederland-loopt-voorop-bij-ontwikkeling-zelfrijdende-auto-s.html Het lijkt erop dat zelfrijdende auto’s over enkele jaren op de weg rijden.

a) Welke sensoren gebruikt een zelfrijdende auto?

b) Wat zijn de belangrijkste uitdagingen op dit moment bij de ontwikkeling van zelfrijdende auto’s? Relateer dit aan de sensoren en actuatoren die worden gebruikt voor zelfrijdende auto’s. Zoek zelf naar meer informatie over zelfrijdende auto’s.

Thema 2

Google Docs document: [1]

Context: Robotica

Robotica vormt een rijke context voor het thema Physical Computing.

Concepten

<<Zie voor een voorbeeld: Netwerken-thema, onder Concepten>>

Project

Het materiaal voor het thema Physical Computing is resultaat van het Project:Physical Computing