Projekt Elektrotechnik und Informationstechnik

 

Im Projekt der Elektrotechnik und Informationstechnik – MATLAB meets LEGO Mindstorms – sollen die Studierenden die Lerninhalte der Vorlesung “Mathematische Methoden der Elektrotechnik” durch Steuerung von LEGO Mindstorms NXT Robotern unter MATLAB vertiefen und ihre Kenntnisse direkt anwendungsbezogen erweitern. Das Projekt ist eine Pflichtveranstaltung im 1. Semester des Bachelor of Science Studienganges Elektrotechnik, Informationstechnik und Technische Informatik und wird durch alle Lehrstühle der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik im Rahmen einer Blockveranstaltung durchgeführt.

Termine für das Projekt siehe RWTHOnline.

Neben dem Zusammenbau von LEGO Mindstorms NXT Maschinen und Robotern und der Erstellung von eigenständigen kreativen Konstruktionen, sollen die in der Vorlesung und Übung erlernten mathematischen Methoden der Elektrotechnik in MATLAB realisiert und in Form von programmierten Steuerabläufen und Verhaltensmuster der Roboter angewendet werden. Als kabelloser Kommunikationskanal zwischen PC und LEGO Mindstorms NXT Roboter wird Bluetooth verwendet, bei dem zum tieferen Verständnis der Zugang bis zum paketbasierten Kommunikationsprotokoll der Bluetooth Schnittstelle möglich ist.

Der Studierende erlernt in mehreren Versuchen die Ansteuerung der Sensoren und Motoren der Mindstorms NXT Roboter unter MATLAB mit der eigens entwickelten RWTH – Mindstorms NXT Toolbox. Hierbei sind neben der Programmierung der Steuerabläufe bereits mathematische Methoden wie z.B. diskrete Integratoren, Abtastung und Flankenerkennung von diskreten Signalen, Komplexe Zahlen, Polynomfitting und Koordinatentransformationen anzuwenden. Außerdem sind komplexere Problemstellungen eigenständig vom Studierenden durch geschickte Verarbeitung digitaler Messdaten, Algorithmenentwicklung und der nachfolgenden Robotersteuerung unter MATLAB und durch kreative anwendungsbezogene LEGO Mindstorms Konstruktionen zu lösen. Dabei ist z.B. ein Roboter so zu programmieren, dass er sich innerhalb einer vorgegebenen Umgebung möglichst autonom verhält. Die Umgebung kann dabei mit verschiedenen Sensoren, wie z.B. Ultraschall-, Sound-, Licht- und Drucksensor, erfasst werden.

Die in dem Projekt durchgeführten Versuche gliedern sich in die zwei Kategorien Pflicht- und Wahlversuche. Sechs Pflichtversuche werden von jedem Studierenden unabhängig von dem jeweils betreuenden Institut durchgeführt. In diesen werden neben dem Bauen von LEGO Robotern, die Funktionsweise der Sensoren und Motoren und der Aufbau des paketbasierten Kommunikationsprotokolls der Bluetooth Schnittstelle mit Hilfe von selbst geschriebenen MATLAB Programmen erarbeitet. Die Wahlversuche stellen den Studierenden, aufbauend auf den bereits aus den Pflichtversuchen erworbenen Grundkenntnisse, vor komplexere Problemstellungen. Durch die Realisierung von eigenen kreativen Roboterkonstruktionen, Steueralgorithmen und Visualisierungs- methoden unter MATLAB sind vorgegebenen Aufgabenstellungen zu lösen. Außerdem bietet sich hier sowohl dem motivierten Studierenden als auch dem Projektbetreuer die Möglichkeit die Wahlversuche durch eigene weitere anwendungsbezogene Aufgabenstellungen zu erweitern. Insgesamt gliedert sich der Gesamtumfang der Projektversuche somit wie folgt.

Plichtversuche: Wahlversuche:
  1. Roboterbau
  2. Bluetooth und Tastsensor
  3. Schallsensor
  4. Motoren
  5. Lichtsensor
  6. Ultraschallsensor
  • Parcours Roboter
  • 2D-Scanner
  • Roboterarm

Die Versuchsdokumentationen, weitere Informationen und Ankündigungen zum Projekt sind im anmeldepflichtigen Moodle Lehr- und Lernportal unter www.elearning.rwth-aachen.de zu finden.

Um die LEGO Robotern unter MATLAB über den drahtlosen Bluetooth-Kommunikationskanal anzusteuern, wurde die RWTH – Mindstorms NXT Toolbox für MATLAB entworfen und implementiert. Sie bietet neben High-Level Funktionen, die eine sehr einfache Ansteuerung der LEGO NXT Sensorik und Motoren ermöglicht, auch die direkt in MATLAB abgebildeten Steuerfunktionen des offengelegten LEGO Kommunikationsprotokolls.

Die Toolbox ist als OpenSource Software unter der GNU GPL (GNU General Public License) lizensiert und kann kostenlos zur freien Verfügung unter

 

 www.mindstorms.rwth-aachen.de      

 

heruntergeladen werden.

Darüber hinaus ist die Mitwirkung des interessierten Nutzers zur Weiterentwicklung der RWTH – Mindstorms NXT Toolbox für MATLAB durch aktive Beiträge sehr erwünscht.

Kontakt

Fragen von Projektteilnehmern werden dagegen im Diskussionsforum des projektspezifischen Moodle Lern- und Lehrportals unter www.elearning.rwth-aachen.de beantwortet.

Sie erreichen die Betreuung des Projekts auch under der Email-Adresse: Mindstorms@lfb.rwth-aachen.de

 

Veröffentlichungen

  • “Teaching Practical Engineering for Freshman Students using the RWTH – Mindstorms NXT Toolbox for MATLAB”, Alexander Behrens, Linus Atorf and Til Aach, Matlab – Modelling, Programming and Simulations, InTech, Oct., pp.41-6-5, 2010, *invited paper* Read according chapter online or download the whole book.
  • MATLAB meets LEGO Mindstorms – hands-on Projekt für Erstsemester, Alexander Behrens, relatif – Campus-Magazin Aachen, no. 8, pp.16–17, November, 2009, (Download) or (relatif no. 8)MATLAB meets LEGO Mindstorms – hands-on Projekt für Erstsemester “Ich habe of bemerkt, daß wir uns durch allzu vieles Symbolisieren die Sprache für die Wirklichkeit untüchtig machen.” – Christian Morgenstern. Wer hat diesen Gedanken nicht auch schon oft während einer Grundlagenpflichtvorlesung mit Christian Morgenstern geteilt. Denn gerade Vorlesungen des elektrotechnischen Grundstudiums behandeln zu Beginn…
  • MATLAB Meets LEGO Mindstorms – A Freshman Introduction Course Into Practical Engineering, A. Behrens, L. Atorf, R. Schwann, B. Neumann, R. Schnitzler, J. Ballé, T. Herold, A. Telle, T.G. Noll, K. Hameyer and T. Aach, IEEE Transactions on Education, vol. 53, no. 2, pp.306—317 2010, (BibTeX) (Download)Abstract In today’s teaching and learning approaches for first-semester students, practical courses more and more often complement traditional theoretical lectures. This practical element allows an early insight into the real world of engineering, augments student motivation, and enables students to acquire soft skills early. This paper describes a new freshman introduction course into practical engineering, which has been established within the Bachelor of Science curriculum of Electrical Engineering and Information Technology of RWTH Aachen University, Germany. The course is organized as an eight-day, full-time block laboratory for over 300 freshman students, who were supervised by more than 60 tutors from 23 institutes of the Electrical Engineering Department. Based on a threefold learning concept comprising mathematical methods, MATLAB programming, and practical engineering, the students were required to transfer mathematical basics to algorithms in MATLAB in order to control LEGO Mindstorms robots. Toward this end, a new toolbox, called the “RWTH-Mindstorms NXT Toolbox,” was developed, which enables the robots to be controlled remotely via MATLAB from a host computer. This paper describes how the laboratory course is organized and how it induces students to think as actual engineers would in solving real-world tasks with limited resources. Evaluation results show that the project improves the students’ MATLAB programming skills, enhances motivation, and enables a peer learning process.
  • First Steps into Practical Engineering for Freshman Students Using MATLAB and LEGO Mindstorms Robots, Alexander Behrens, Linus Atorf, Robert Schwann, Johannes Ballé, Thomas Herold, Aulis Telle, Acta Polytechnica: Journal of Advanced Engineering, vol. 48, no. 3, pp. 44–49, June, 2008,  (BibTeX) (Download)Abstract Besides lectures on basic theoretical topics, contemporary teaching and learning concepts for first semester students give more and more consideration to practically motivated courses. In this context, a new first-year introductory course in practical engineering has been established in the first semester curriculum of Electrical Engineering at RWTH Aachen University, Germany. Based on a threefold learning concept, programming skills in MATLAB are taught to 309 students within a full-time block course laboratory. The students are encouraged to transfer known mathematical basics to program algorithms and real-world applications performed by 100 LEGO Mindstorms robots. A new MATLAB toolbox and twofold project tasks have been developed for this purpose by a small team of supervisors. The students are supervised by over 60 tutors at 23 institutes, and are encouraged to create their own robotics applications. We describe how the laboratory motivates the students to act and think like engineers and to solve real-world issues with limited resources. The evaluation results show that the proposed practical course concept successfully boosts students’ motivation, advances their programming skills, and encourages the peer learning process.
  • Freshman Engineers Build MATLAB Powered LEGO Robots, Til Aach and Alexander Behrens, MATLAB Digest | Academic Edition, The MathWorks, vol. 2, no. 3, August, 2008, (BibTeX) (Download) Freshman Engineers Build MATLAB Powered LEGO Robots Students at RWTH Aachen University put math and signal processing theory into practice by using MATLAB and the LEGO MINDSTORMS NXT education kit to build and program robots—including one that reads Morse code and another that parks itself autonomously. …
  • Studienstart als Lego-Tüftler , RWTHinsight Artikel 01/2008, (Download)“SOS” morst der Lego-Roboter mit einem Stift auf das Papier. Drei kurze, drei lange und nochmals drei kurze schwarze Striche. Doch anstelle hektischer Betriebsamkeit angesichts des Hilferufs schauen Martin Riedl und seine drei Kommilitonen äußerst zufrieden auf ihren selbst gebauten und programmierten Roboter:…