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Robotcar e il moto rettilineo: il grafico spazio-tempo e la legge oraria del moto

Questo progetto vuole mostrare il possibile utilizzo di un robot mobile in un’esperienza laboratoriale di studio del moto rettilineo di un corpo, con un focus particolare sulla costruzione del grafico spazio-tempo e sulla legge oraria del moto.Gli studenti coinvolti nelle attività di seguito...

Lorenzo Cesaretti   by Lorenzo Cesaretti
Robotica
CATEGORIA
Robotica

Lego® Mindstorms® EV3

Introduzione

Questo progetto vuole mostrare il possibile utilizzo di un robot mobile in un’esperienza laboratoriale di studio del moto rettilineo di un corpo, con un focus particolare sulla costruzione del grafico spazio-tempo e sulla legge oraria del moto.
Gli studenti coinvolti nelle attività di seguito proposte avranno modo di acquisire dati grazie ai sensori del robot e al loro smartphone (decidendo come impostare alcuni esperimenti per l’analisi del moto del robot), creare i grafici dei dati raccolti e formalizzare le relazioni trovate sperimentalmente.

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Obiettivi e Competenze Obiettivi e Competenze

Obiettivi disciplinari
Fisica
Rafforzamento e applicazione pratica dei seguenti concetti: il metodo scientifico, intervallo di tempo (Delta t), distanza (Delta s), il moto rettilineo uniforme (con relativa legge del moto), la pendenza del grafico spazio-tempo. Introduzione anche del moto uniformemente accelerato.
Obiettivi trasversali
Aumento del livello di cooperazione tra gli studenti, aumento dell’autonomia nella gestione di un progetto.

Strumenti Strumenti

Le attività verranno svolte con la seguente strumentazione:

  • kit Lego® Mindstorms® EV3 Education

  • Pc portatili
  • Software Lego® Mindstorms® EV3 Home Edition

  • Smartphone per la registrazione di video da utilizzare nella documentazione progettuale
  • Microsoft Office o LibreOffice per la creazione della documentazione progettuale

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Linee guida delle attività Linee guida delle attività

Pre-requisiti:
È consigliabile che gli alunni abbiano una certa familiarità con la metodologia di lavoro project-based e basata sul team, sebbene non siano requisiti necessari.
Sarebbe preferibile che ci sia una conoscenza base anche del software di programmazione Lego® Mindstorms® EV3 Home Edition, che gli studenti abbiano già costruito il robot Educator Vehicle, e che in precedenza sia stata proposta un’attività simile a quella descritta nel progetto ROBOTCAR E IL MOTO RETTILINEO: DISTANZA E INTERVALLO DI TEMPO, VELOCITA’ MEDIA”.

Il progetto verrà sviluppato in un incontro da due ore, seguendo la linea guida di seguito proposta.

Inizialmente si potrà spiegare l’obiettivo progettuale agli studenti: riuscire a costruire un algoritmo che memorizzi le due informazioni necessarie a costruire un grafico spazio tempo che descriva il moto del robot. Sarà necessario quindi accendere i motori, leggere i valori dei sensori cronometro (Timer) e encoder (Motor Rotation) e salvarli su file sfruttando il blocco File Access della categoria Advanced.
Se gli studenti hanno utilizzato in passato i blocchi sensore (come ad esempio vengono utilizzati nel progetto PROGETTO ROBOTCAR E IL MOTO RETTILINEO: DISTANZA E INTERVALLO DI TEMPO, VELOCITA’ MEDIA) spiegando il funzionamento del blocco File Access li si potrebbe lasciar liberi di sperimentare possibili soluzioni al problema posto inizialmente.
Si può vedere File Access (primo blocco da sinistra della categoria Advanced) nell'immagine seguente.

Il blocco permette di:

  • Leggere su un file, se impostato in modalità Read
  • Scrivere su un file, se impostato in modalità Write
  • Cancellare un file, se impostato in modalità Delete
  • Chiudere un file, se impostato in modalità Close
Il file che riceve l’azione selezionata, verrà creato (nel caso in cui si voglia scrivere) all’interno della memoria dell’EV3 Brick e il nome con cui verrà salvato è impostabile semplicemente digitando altro al posto delle tre lettere abc nel rettangolo bianco del blocco.

Nella prossima figura viene mostrato come scrivere su file il valore letto da un sensore: ad esempio se si volessero conoscere i giri effettuati dal motore, il valore letto dal sensore encoder (blocco Motor Rotation in modalità Measure, Rotations) andrebbe “passato” al blocco File Access in modalità Write.

Dopo aver spiegato questa funzione gli studenti potranno provare a costruire il loro algoritmo che dovrà avere come obiettivo la registrazione su file dei valori relativi alla funzione cronometro associati a quelli dell’encoder, così da avere entrambe le informazioni per la costruzione del grafico spazio-tempo.
Una possibile soluzione potrebbe essere quella mostrata in questa figura:

  • i due blocchi gialli iniziali azzerano il cronometro (Timer in modalità Reset) e l’encoder del motore B (Motor Rotation in modalità Reset)
  • i motori B e C vengono accessi in modalità ON, questo infatti permette di passare immediatamente ai blocchi successi (quelli che implementano il data logging)
  • è stato poi inserito il blocco arancione Loop (categoria Flow Control) in modalità Count, ossia i blocchi al suo interno vengono eseguiti ciclicamente per il numero di volte scritto sotto l’icona #
  • all’interno del Loop si trovano il blocco Timer in modalità Measure Time il cui valore viene scritto nel file denominato “tempo” e il blocco Motor Rotation in modalità Measure Rotations il cui valore viene scritto nel file “rotazioni”; entrambe le scritture avvengono grazie al blocco File Access (modalità Write).
La scrittura viene temporizzata con il blocco Wait in modalità Time così che la scrittura avvenga ogni 0.2 s.
Una seconda possibile soluzione è quella mostrata nella sequenza sottostante: l’algoritmo è simile a quello appena descritto, con la differenza che la temporizzazione della scrittura su file viene effettuata con un blocco Wait in modalità Motor Rotation, Change, Rotations (che significa “aspetta che il valore misurato dall’encoder aumenti di 0.2”).

Al termine dell’acquisizione dei dati, si troveranno all’interno dell’unità centrale i due file “tempo” e “rotazioni”, che potranno essere importanti ad esempio in Excel così da creare dei grafici spazio-tempo con i dati registrati.
Modificando la potenza nel blocco Move Steering si possono ottenere grafici con pendenza della retta differente.
Al termine dell’esperimento si potrà lavorare sulla formalizzazione della legge oraria del moto, lavorando sull’equazione della retta implementata in Excel:

s = s0+v(t-t0)

Risultati attesi Risultati attesi

A conclusione del progetto ci si aspetta il consolidamento dei concetti teorici approfonditi durante gli esperimenti: intervallo di tempo, distanza, velocità media, grafico spazio-tempo, legge oraria del moto.
Attraverso l’osservazione e la somministrazione di test self-report agli studenti si valuteranno gli effetti del laboratorio di robotica sulle abilità trasversali degli studenti (capacità di lavorare in gruppo, comunicare, etc.). Ci si aspetta infatti che queste soft skills (lavorando regolarmente su progetti di questo tipo) vengano potenziate.

Riferimenti e links Riferimenti e links

Lego® Mindstorms® EV3 Education kit:
https://education.lego.com/en-us/middle-school/explore/c/ev3-solutions

Lego® Mindstorms® EV3 Home Edition (link per il download gratuito):
http://www.lego.com/it-it/mindstorms/downloads/download-software




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