反相机器人教室大规模开放的在线课程

在乔治亚理工学院电气和计算机工程学生学习嵌入式控制设计4555年ECE:嵌入式和混合控制系统。虽然课程涵盖了所有类型的嵌入式控制系统,它强调移动机器人。机器人帮助理论与实践之间的桥梁,吸引和激励学生喜欢。

在最新版本的课程,学生有更多的时间在课堂上与机器人工作,由于反向(或翻转)教室和一个巨大的开放网络课程(蕴藏)。超过40000名学生参加了蕴藏在世界范围内,包括30三年级和四年级的学生ECE 4555乔治亚理工大学。蕴藏的录像讲座和在线作业使我翻校园课堂:学生学习理论蕴藏视频,在MATLAB和教室花时间发展控制器^®和使用实际的机器人。

结果是优秀的。在我多年的教学中,我从来没有见过如此高水平的能量和enthusiasm-even虽然翻转课堂要求更多的时间比典型的出国类。在课堂上调查,学生的课程平均4.9分5,虽然蕴藏远远比大多数在线课程更先进,超过5000名学生完成,远远超过平均保留率。

使用一个蕴藏转化教室

当我开始教学ECE 4555我专注于嵌入式控制,但很快进入机器人作为主要的应用领域。我们第一次教课程与实际机器人,我很满意的结果,我决定添加更多的机器人和一套更丰富的问题。但是我发现,随着作业变得更加复杂,学生停止系统的设计方法。我面临着一个两难的境地。我想要大量的机器人技术在教室里,但是我仍然需要时间来教理论,使它有意义的和可访问。

我翻转教室,这样学生可以学习外面的背景材料和理论类和花类的时间与我和我的助教合作开发控制系统和测试他们Khepera三世机器人(图1)。

一旦我决定使用一个倒置的教室,下一个问题是,“将材料从何而来?“在这一点上,我选择了在双脚跳,创建一个蕴藏,移动机器人的控制。因为我将根据蕴藏教我校园的学生,我不能淡化的材料。我开发了每周七个模块,每个8 sublectures和作业包括线性系统等主题,控制设计,混合动力系统和导航。蕴藏大范围的访问,现在我用MATLAB控制设计的例子在讲座和额外的编程作业,但不要求学生用MATLAB来完成你的任务。

介绍了Sim.I。是模拟器

在ECE 4555我面临一个挑战常见的许多类似的本科课程:我比机器人有更多的学生。甚至在团体工作,学生们花费了大量的有限的时间与他们的机器人调试控制程序,而不是优化和提高。解决方案是在MATLAB建立机器人模拟器。由助教,Sim.I。是模拟器可以使学生在MATLAB编写控制程序和调试在虚拟世界(图2)。可以使用相同的MATLAB代码不需要修改控制Khepera机器人实验室。仿真和实际机器人之间的联系成为可能,是薄TCP / IP服务器机器人,使模拟器将控制器的控制信号发送到Khepera机器人代替模拟同行。

Sim.I。对于蕴藏的成功很有帮助,。在线学生MATLAB使用模拟器完成可选编程练习。学生没有MATLAB可以下载使用MATLAB编译器创建的独立版本的模拟器™。当学生不能发展自己的控制程序使用这个版本,他们可以实验通过设置控制器增益调整系统,看看他们的选择模拟机器人的行为的影响。

Sim.I。我被设计成适应各种用例。它可以很容易地修改以支持其他类型的差动驱动机器人。金宝app它有一个模型金宝app^®接口,可以作为替代在MATLAB编程。除了依靠模拟器作为一个教学工具,我用它在我自己的研究。

在MATLAB编程机器人

经过两个星期的课堂课程嵌入式控制,我的校园学生转向蕴藏视频学习新概念。他们第一节课每周会议准备通过开发应用这些概念在Sim.I.am MATLAB程序运行。在第二个会话,他们测试和精制Khepera机器人上的项目。我没有花类时间教学MATLAB因为他们都学会了用MATLAB编程CS 1371:计算为工程师,所有乔治亚理工大学工程专业的必修课程。

对于第一次课堂作业,学生使用MATLAB编程机器人引导从一个起点到一个目标使用机器人的执行机构的运动估计位置的变化。他们创造了一个单输入,单输出比例积分微分(PID)设计、调优它保证机器人不会开车,振荡,致动器没有饱和。当执行器饱和由Sim.I模拟。点,滑移和滑移等没有影响。结果,学生学会应对现实世界的影响,因为他们工作的改进算法,在模拟器上表现良好但不机器人。

在第二个任务,他们必须让机器人移动和离开它遇到的任何障碍。这个任务要求他们编写的MATLAB程序控制机器人基于从机器人的传感器获得的数据。

下,学生们不得不把他们所学到的前两个任务来设计一个控制器,能让一个机器人目标,同时避免障碍。对于这个目标,经典的控制设计技术不再是足够的;系统必须在不同的控制器之间进行切换。在接下来的几周,我们尽端路和多个对象添加到机器人的环境。使机器人导航这些更复杂的环境中,学生实现滑模控制。他们使用控制系统工具箱™探索和分析设计思想在实现它们的代码。

七周蕴藏结束后,我计划花剩下的四个星期的佐治亚理工学院学期关于监控主题演讲。然而,学生们积极参与和兴奋与机器人,我选择来利用这段时间来扩大他们的最终设计项目。每个学生组项目提出自己的想法(导师批准),并使用MATLAB实现,Sim.I。是,Khepera机器人。最令人印象深刻的是一个程序,在形成和多个移动机器人同时定位和地图(大满贯)设计自动建立其环境探索的地图(图3)。

差距弥合和经验教训

练习工程师应用理论做一些在现实世界里发生。在ECE 4555,学生们学会了做同样的事情。他们还学习了一些普遍适用的工程技能,超越嵌入式控制器设计。像练习工程师,他们争论控制设计和学会识别最好的方法。

在许多组织的努力,一个学生做所有的工作。事实并非如此ECE 4555。在许多团队每一个学生主动开发解决方案,然后得到团队的开发和优化。有些团队最初倾向于一起攻击一个解决方案。他们开始快,但很快发现慢下来思考设计的价值之前,急于实现它。他们也学会了如何评估和管理现实世界的影响。这种影响很容易被当你只做模拟,而不是实际闻到烧焦的电容器。

我现在坚信翻转教室,和蕴藏的宝贵的是我们一个巨大的成功。其他机构也意识到优势;明年夏威夷大学将翻转一个上层设计课程使用移动机器人的控制。

在校园里,我打算把Sim.I.am仿真软件接口。金宝app进一步的改善可能包括适应它更便宜的机器人平台上工作。