Modell-robotok felhasználása a multi-ágens alapú robotkooperáció kutatásban és az oktatásban

Modell-robotok felhasználása a multi-ágens alapú robotkooperáció kutatásban és az oktatásban című doktori értekezés tézisei

Pásztor Attila Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatika Doktori Iskola Az informatika alapjai és módszertana program Doktori Iskola vezetője: Dr. Benczúr András

Témavezető: Dr. Istenes Zoltán egyetemi docens Programozáselmélet és Szoftvertechnológiai Tanszék

Budapest 2013

Pásztor Attila – Modell-robotok felhasználása a multi-ágens alapú robotkooperáció kutatásban és az oktatásában

1. Bevezetés Több évezred telt el Architas fagalambjának megjelenésétől Marco Dorigo robotrajaiig, de az embert mindig foglakoztatta olyan fizikai eszközök tervezése és előállítása, melyek megkönnyítik munkáját, vagy teljesen helyettesítik őt a munkavégzés során. Már a középkorban is felmerült csoportosan kooperáló robotok használatának ötlete, melyek háborúznak helyettünk, mint pl. Leonardo da Vinci lovag robot csapat terveiben. Az elmúlt évtizedek egyik kiemelkedően fontos kutatási területe az, hogy egy nagy értékű mobil robot munkáját hogyan lehet helyettesíteni nagyszámú „low-cost”(alacsony-költségű) mobil robotokkal. Ezek a robotok együttesen hatásosabban tevékenykedhetnek egy esetlegesen szennyezett vagy az ember által el nem érhető területeken, felderíthetnek és feltérképezhetnek ismeretlen területeket, felhasználhatóak a hadászatban és olyan feladatokat oldhatnak meg melyre egyedileg képtelenek lennének. A robotrajoknak és robotcsoportoknak (a két elnevezés nem ugyanazt a fogalmat jelenti) számtalan más felhasználási területe létezik, mint pl. az orvostudomány, katasztrófa elhárítás, szállítás stb. Természetes törekvés az, hogy a mobil robotrajok és csoportok méretét növeljék, az egyes entitások közötti kommunikációt egyszerűsítsék. Képessé kell tenni az egyes robotokat arra, hogy valamilyen rendszer segítségével a környezetükről információkat gyűjtsenek, s erről valamilyen, a robot számára is leképezhető belső képet alakítsanak ki, meghatározhassák helyzetüket egy valós vagy mesterséges térben, s képesek legyenek valamilyen szabályrendszer alapján vagy akár önszervező módon is, összehangolt, közös munkavégzésre, kooperációra. Törekvés az egyes kutatásokban az is, hogy az ilyen rendszerekből kieső robotok feladatát (sérülés, ellenséges megsemmisítés stb.) automatikusan átvegye a többi robot, ezáltal biztosítva az eredeti feladatok, célok teljesítését. Disszertációm egyes fejezeteiben a feldolgozott szakirodalmak eljárásait, valamint az általam kidolgozott elméleti módszereket nem csak szimulátorokkal teszteltem, hanem valós modell-robotokra is adaptáltam őket. A modell-robotok viszonylag alacsony költségűek, aktív, ill. passzív érzékelőik nem túlságosan pontosak, vázuk műanyagból készült, azaz nem alkalmazhatóak olyan helyeken ahol túlságosan forró a környezet (pl. tűzoltás szimuláció), de arra mégis kiválóan alkalmasak, hogy modellezzem velük az elméleti szakirodalomból vett és a magam által kidolgozott eljárásokat, algoritmusokat. Ezért szokás ezeket a robotokat modell-robotoknak is nevezni.

Főként NXT és RCX robotokból álló robotcsoportok

kialakításával foglalkoztam. Megoldottam a csoportok egyedszámának növelését, az egyedek között adott master-slave alapú bluetooth kommunikáció korlátainak ellenére. Kidolgoztam

Tézisfüzet

1


egy módszert, mely a kommunikációs szempontból lánccá szerveződött robotok pontosabb navigációját teszi lehetővé, ez alkalmassá teszi a robotcsoportot nagyobb területek felfedezésére is. Készítettünk egy területfelfedező eljárást, mely egy kommunikációs szempontból lánccá szerveződött robotcsoport terület bejárási algoritmusát adja mind akadálymentes, mind falszerű akadályokkal ellátott mesterséges területeken. Kutatók, vezető informatikusok, egyetemi oktatók szerint a harmadik évezred második évtizedében ugyanolyan „robbanásszerű” fejlődés várható a háztartási, szórakoztató, tudományos valamint hadászati célú robotika területén, mint amilyen gyors változást hozott a számítógépek számának és minőségének fejlődésében a második évezred utolsó évtizede. Azért, hogy Magyarország új generációi felkészülten várhassák ezt a robotikai forradalmat, elengedhetetlenül fontos már most bevezetni az általános, közép és felsőfokú informatika oktatásában a robotok bemutatását, felépítésük ismertetését és a programozási lehetőségeik oktatását. Ezen indokok miatt, mint fiatalokkal foglakozó, főiskolai oktatásban dolgozó informatikaoktató, a disszertációm 6. fejezetében bemutatom, hogy az előző részekben kutatási és gyakorlati feladatokra használt robotok hogyan használhatóak az oktatásban, ezen belül is a programozás oktatásában. A disszertáció egyes fejezeteinek bevezető részeiben áttekintem az adott témakörhöz kapcsolódó tudományos kutatásokat és eddigi eredményeiket. A második fejezetben röviden összefoglalom azokat az alapfogalmakat, melyek szükségesek ahhoz, hogy hatékonyan lehessen

mobil

robotcsoportok

és

robotrajok

kommunikációját,

kooperációját

és

koordinációját tervezni, továbbfejleszteni, esetenként az adott rendszerkorlátok határait kibővíteni. Ebben a fejezetben modell-robotok segítségével bemutatok egy élelemgyűjtési feladatot is, mely a későbbi kísérleteim kiinduló pontjául szolgált. A harmadik, fejezetben NXT robotcsoportok segítségével mutatom be, hogyan lehet egy adott robotcsoportban résztvevő robotok számát növelni speciális kommunikációs csatornák kiépítésével. A negyedik fejezetben odometriás eljárás, iránytű szenzor és kerék elfordulás mérő szenzor segítségével egy módszert dolgoztam ki, amely segítségével egyszerű modell-robotok pontosabb navigációja oldható meg. Az ötödik fejezetben leírok egy új eljárást, melyben a 34. fejezetben kifejlesztett kommunikációs protokollok és a robotok pontosabb navigációjának segítségével robosztus robotcsoportok terület-felderítése oldható meg, kommunikációs kényszer és egyéb kényszerítő körülmények mellett, akadálymentes, ill. falszerű akadályokkal ellátott területeken. A hatodik fejezetben bemutatom, hogyan lehet az előző részekben használt robotokat felhasználni a programozás oktatásban, különösen a hallgatói motiváció és a programozási énkép növelésére. Tézisfüzet

2


2. Célkitűzések Összefoglalva, értekezésemben az alábbi problémákat szerettem volna megoldani. 1. Nem holonomikus, NXT és Dual NXT mobil robotokból álló, multi-ágens alapú robotcsoportok entitás számának növelése, a növeléshez szükséges multi-hop kommunikációs hálózatok (piconet, statikus scatternet), csatornák elkészítésével. Az elkészült eljárások implementálása modell-robotokra. 2. Az előbbi pontban kialakított kommunikációs hálózatok segítségével az egyes robotszegmensek közötti és az egész rendszer szempontjából fontos koordináció és kooperáció megszervezése. Egyedi, az állatvilágból adaptált élelemgyűjtési szokások gyakorlati megvalósítása modell-robotcsoportokkal „mesterséges térben”. 3. Szenzorfúziós eljárással, mint az iránytű szenzor és a kerékelfordulás érzékelő szenzor, valamint az odometriás eljárás ötvözésének segítségével, pontosságnövelő helymeghatározó eljárás készítése, navigációs problémák kiküszöbölése, így a modellrobotok

alkalmassá

tehetőek

multi-ágens

alapú

robotkooperációs

feladatok

elvégzésére is. 4. Területbejárási algoritmus készítése akadálymentes és falszerű akadályokkal ellátott területek felderítéséhez, és az ajánlott algoritmus összehasonlítása két referencia algoritmussal (Rooker and Birk algoritmusai). 5.

Az előbbi célokban felhasznált modell-robotok valamint új módszerek használatának bevezetése a programozás oktatásába informatika szakos hallgatók számára. A bevezetett eszközök hatásvizsgálata, pozitív hatásainak bizonyítása a programozási énkép és a tantárgyi motiváció területén.

3. Alkalmazott eszközök és módszerek Tudományos vizsgálataihoz és kutatásaihoz számtalan kutató az intelligens ágensek számítógépes szimulációját alkalmazza. Sokan használják erre a célra a Webots mobil robot szimulátort, a Repast általános ágens szimulátort vagy a Matlab programot. A szimulált eljárások legtöbb esetben költségkímélőek, és segítséget nyújthatnak a probléma előzetes vizsgálatához, a hipotézisek felállításához. A szimulátorok azonban számtalan előnyük ellenére sem helyettesíthetik, csak kiegészíthetik a valós robotokkal való kísérletezést. A valós kísérletek közben számtalan olyan „zavaró” tényező merülhet fel, amit a szimulátorokkal való feladatmegoldás során könnyen figyelmen kívül hagyhatunk. Munkám során a robotcsoportok kooperációs és kommunikációs valamint navigációs problémáinak

Tézisfüzet

3


vizsgálatára programozható modell-robotokat használtam. Ezekkel a valós, nem holonomikus, mobil robotokkal (NXT, Dual NXT) valós fizikai világot modellező, mesterséges környezetben végeztem szimulációkat, kísérleteket és méréseket. A kidolgozott elméleti eljárások valós robotokra való alkalmazása számos olyan új problémát vetett fel, ami csak a szimulációs programok használatával nem került volna napvilágra. A tudományos szakirodalomból felhasznált módszereket, valamint a saját magam által készített eljárásokat, algoritmusokat modell-robotokra is adaptáltam. A robotok vezérlő programjának írásához egy C alapú programnyelvet, az NXC programnyelvet használtam. Az értekezés utolsó fejezetében azt vizsgáltam, hogyan lehet az előző részekben használt viszonylag alacsony költségű, programozható modell-robotokat alkalmazni a programozás oktatás területén. Az oktatás során NXT és RCX robotokat használtam, a robotokat vezérlő programokat NQC, NXC és NXT-G nyelven írtam. A felállított hipotézisek ellenőrzésére kontrollcsoportos vizsgálatot szerveztem. A programozói ismeretek és készségek mérésére, 15 itemből álló tesztet használtam. Az elő- és utómérés során azonos mérőeszközt alkalmaztam. A programozás iránti attitűd és a programozás énkép vizsgálatára egy 17 kérdést tartalmazó kérdőívet készítettem. A kérdések többsége ötfokú, Likert-skálás válaszlehetőséget tartalmazott.

4. Tudományos eredmények Kutatásaim során olyan modell-robotok álltak rendelkezésemre, melyek tulajdonságai (navigációs pontosság, kommunikációs képességek) nem tették lehetővé, hogy felhasználjam őket multi-ágens alapú robotkooperációs kutatásokra. Az NXT robotok, a robotok közötti kommunikáció megvalósítására bluetooth rendszert használnak. A bluetooth alapú piconet kommunikációs hálózat csak egy mastert és legfeljebb hét slave-et tartalmazhat, de a mi esetünkben, ahol is NXT robotokat alkalmaztunk, ez a korlát még szűkebb, mert az eredeti NXT applikáció miatt a hálózatban csak egy master és három slave alkalmazható. Ezért, a T1-ben megfogalmazott célom az volt, hogy olyan eljárásokat készítsek és adaptáljam őket modell-robotcsoportokra,

melyek

lehetővé

teszik

a

robotcsoportban

egymással

kommunikációs kapcsolatba lévő robotok számát növelni. Vizsgáltam, hogyan lehet a megnövekedett létszámú robotcsoport tagjainak feladatait meghatározni és azokat koordinálni, végül, hogyan lehet az egyes robotokat, ezáltal az egész csoportot pontosabban vezérelni és navigálni.

Tézisfüzet

4


1. Tézis

[1] [2] [3] [4] [5] az értekezés -> 3. 4. fejezete

T1. Egyszerű modell-robotok kommunikációs képessége és navigációs pontossága nagymértékben növelhető, így alkalmassá tehetőek komplex, multi-ágens alapú navigációs és terület felderítő feladatok végrehajtására. T1.a. Robotcsoportokban, annak ellenére, hogy a résztvevők egyszerű és korlátos (1 master 7 vagy 3 slave, lassú csatlakozás) kommunikációs kapcsolattal (pld. Bluetooth) rendelkeznek, „statikus scatternet” kommunikációs hálózat vagy Dual Bluetooth rádióval kialakított (fa, lánc, gyűrű topológiájú) kommunikációs hálózat segítségével, a robotcsoportban résztvevő egymással kommunikáló robotok száma tetszőlegesen növelhető (és pld. NXT robotokra implementálható). T1.b. A navigációban kizárólag odometriát használó, csekély navigációs pontosságú robotok (pld. NXT robotok esetében 1,05*E-1 pontosság egyenes szakaszon) pontossága, iránytű szenzor és szenzorfúziós eljárás használatával a navigációs pontosság (pld. NXT robotok esetén 3,5 *E+1 – szeresére) növelhető. T1-a. A scatternet hálózatok ötletét alapul véve, sikerült az NXT robotokhoz olyan eljárásokat készítenem, amelyek segítségével egy adott hálózat master-e lekapcsolhat magáról (kommunikációs szempontból) robotokat, ill. másokat kapcsolhat fel. Ebben a hálózatban egy ad-hoc scatternet hálózattal ellentétben, a csomópontok helyzete kommunikációs szempontból kötött, mivel a le- és felkapcsolásokat csak master-ként végezheti egy robot. Az így kialakított hálózat képes egyaránt broadcast és unicast üzenetek küldésére és fogadására, de a csomópontok és a csomópontokhoz kapcsolódó entitások a kommunikációs hálózatban fix helyzetűek. Az ilyen scatternet hálózatokat statikus scatternet hálózatoknak nevezzük. Az eljárásaim segítségével a hálózat mélységi és szélességi növelési eljárásait dolgoztam ki, majd implementáltam azokat NXT robotokra. Ezzel az eljárással létrehozott robotcsoport összes tagjához el lehet küldeni broadcast üzeneteket. Tesztemben mértem, mennyi időt vesz igénybe egy 3 szintes hálózatban (13 robot) egy broadcast üzenet küldése a master-től az összes többi robotig. Megvizsgáltam a módszer kritikus pontjait, és azt állapítottam meg, hogy az előbbi módszernek egy kritikus pontja van, a kapcsolatok felépítése és bontása. Ez szoftveres úton létrehozható az általam megírt programok segítségével, de az eljárás viszonylag időigényes. A robotcsoport tagjainak növelésére és a kommunikációs idő csökkentésére egy másik módszert alkalmaztam Dual NXT robotok használatával. A Dual NXT olyan robot, melyben két robottégla fizikai, kábeles összekötésével, két független Bluetooth rádió rendszer lesz. A gyakorlatban is bebizonyítottam, hogy a Sohrabi és társai, valamint Leopold és társai által ajánlott dual-rádió alapú Bluetooth Scatternet ad-hoc szenzor hálózat jól alkalmazható robotcsoportokra multi-hop kommunikációs hálózatként. A Dual NXT

Tézisfüzet

5


robotokkal egy biztonságos scatternet hálózat építhető ki, amelyben nincs szükség a „híd” robot fel- és lekapcsolódására. A hálózati protokoll megírása a már említett NXC nyelven történt. Ezzel a módszerrel Dual NXT robotrendszerekből, számos kommunikációs hálózati topológiát építettem ki, amelyekben a résztvevő modell-robotok száma tetszőlegesen növelhető a biztonságos kommunikáció megtartásával. T1-b. Robotcsoportok számára egy jelenleg intenzíven kutatott feladat egy ismeretlen terület bejárása, felderítése. A robotok egy terület bejárása során kereshetnek tárgyakat, objektumokat, „térképezhetnek” vagy esetleg kereshetnek egy mobiltelefont, és a kiinduló ponton elhelyezett másik telefonnal teremthetnek összeköttetést. Ebben az esetben nem tárgyakat, hanem egy szöveges állományt „szállítanak” a robotok egyik pontból a másikba bluetooth-on keresztül. (A tárgyak észlelése, ill. felderítése nem ennek a résznek a feladata.) A mi rendszerünkben a feladat során a robotok láncba szerveződnek úgy, hogy a feladat végrehajtása alatt a helyük a láncban a kommunikáció szempontjából állandó marad. A feladat egy viszonylag nagy terület „felderítése”, bejárása úgy hogy a kommunikációs lánc egy pillanatra se szakadjon meg. Ezeknél a feladatoknál célszerű a területet cellákra osztani. Az ilyen típusú feladatoknál nagyon fontos a robotok pontos helyzetének meghatározása, ill. a robotok precíz vezérlése. Ha két szomszédos robot a rossz vezérlés közben olyan távol kerül egymástól, hogy köztük a bluetooth kapcsolat megszakad, akkor a kapcsolatot újraépíteni már nagyon bonyolult lenne, ezért az alábbi részekben több metódust vizsgálunk és hasonlítunk össze a robotok navigációs pontosságának szempontjából. A vezérlés megoldása odometriás eljárással Méréssorozatokkal megállapítottam, hogy önmagában ezzel a módszerrel a vezérlés nem megoldható, mert 20-30m megtétele esetén a robotok nagymértékben eltérnek az eredeti iránytól, így közöttük a távolság nagyobb lesz, mint a bluetooth kommunikációnál megengedett maximális érték. A robotok navigációs pontossága az 1,05*E-1 értéket érte el, ami nem megfelelő multi-ágens alapú robotkooperációs feladatok megoldása esetén. Szenzorfúziós eljárás, kerék elfordulás érzékelőt, iránytű szenzort és odometriás eljárást használva Az előbbi eljárásból a kerekek szinkronizálását megtartva kiegészítettem a robotokat egy compass (iránytű) szenzorral. Az eljárás során a robot programja tárolta az induló szög értékét (λb) majd a kerekeket szinkronizálva haladt a cél felé. Ha haladás közben az aktuális irány (λa) eltérése az eredetitől elérte az 1 szögfokot, a robot felfüggesztette a kerekek közötti szinkronizációt, és addig forgatta a megfelelő kereket, amíg a λb - λa = 0 érték lett. Tézisfüzet

6


A mérések megmutatták, hogy a robotok eltérése a várt iránytól 20m-es távolságban sem túl nagy, mivel a robotok navigációs pontossága elérheti a 3,0*E-3 értéket, ezért ez a módszer jól alkalmazható nagyobb területeken mozgó robotraj összehangolt vezérlésére és pontosabb helymeghatározására. Megállapíthatjuk, hogy az alacsony költségű modell-robotok kommunikációs és navigációs képességeit sikerült olyan mértékben megnövelnem, hogy alkalmassá váltak komplex multi-ágens alapú feladatok megvalósítására, mint a T2-es tézisben bemutatandó terület felderítő algoritmus megvalósítására is. 2. Tézis T2.a. [6][10] az értekezés -> 5. fejezete Az általam készített, rögzített végű és folyamatos kommunikációs kapcsolatot fenntartó láncba szerveződött robotcsoport számára ajánlott területfelderítési algoritmus akadálymentes területen optimális, azaz felfedezi az összes elérhető területrészt az adott kényszerfeltételek mellett, a legkisebb időráfordítással. Jól alkalmazható fal-szerű akadályokkal ellátott, területek felderítésére is. T2.b. [4] [5][6][11][12] az értekezés -> 3. 4. és 5. fejezete A T1-ben leírt, kommunikációs láncba szervezett, 3,00*E-3 navigációs pontosságú Dual NXT robotokból álló csoportokra a T2.a tézis területfelderítő algoritmusa jól implementálható. Kutatótársaimmal egy területbejárási algoritmust készítettünk, amely segítségével egy ismeretlen terület bejárható és felderíthető egy bázis állomásról kiinduló, kommunikációs szempontból láncszerű robotcsoporttal. Kényszerítő körülmény, hogy úgy kell a feladatot megoldani, hogy a szomszédos robotok között sosem lehet a bluetooth által áthidalható maximális távolságnál nagyobb érték. Az algoritmus feladata N számú robot segítségével egy bázisállomásról kiindulva a szomszédos robotok közötti folyamatos kommunikációs kényszert figyelembe véve a lehető legnagyobb terület felfedezése a lehetséges legkisebb időráfordítással úgy, hogy a bázissal való kommunikációs kapcsolat is végig fennálljon. Az algoritmust kiterjesztettük a kényszerkörülmény megtartása mellett olyan esetekre is, amikor az egyes cellák határoló vonalán a robot falszerű akadályba ütközhet. Az algoritmus megvalósíthatóságát Matlab és robot szimulátor segítségével vizsgáltuk, majd hét Dual NXT robot segítségével is leteszteltük.

Tézisfüzet

7


Az implementált kommunikációs lánc tesztjeinek eredményét alapul véve az alábbi következtetéseket vonhatjuk le: • Megmutattuk, hogy az általunk készített (fix, lánc-szerű csoport) felfedező eljárás optimális az akadálymentes esetben a bázis állomással való kapcsolat megtartásának kényszere mellett. Próbaképpen szemléltettük ezt az ajánlott eljárás és költségfüggvény alapú eljárások összehasonlításával. • Az ajánlott algoritmus jobb felderítési időt ér el alacsony akadálysűrűségeknél, valamint 75%-os vagy 100%-os felderítési arány esetében, mint egy referencia eljárás (decentralizált költség függvény és MANET alapú). Az eljárás kedvező tulajdonsága a még nem akadálymentes területen is annak köszönhető, hogy van egy „vezető” robot a csoportban, és a vezető robot lépésköltsége felülbírálja (elsődlegességet élvez) a többi robotét a területfelderítő stratégiában. Ennél fogva ez az eljárás elkerüli azt a hatást, hogy a csoport tagjainak egyedi felderítő céljai akadályozzák egymást, amely a kapcsolatfenntartáskényszerű, decentralizált, költségfüggvény alapú eljárások jellemzője. Másfelől jó tulajdonságai is vannak az említett decentralizált eljárásoknak a javasolt eljárással összehasonlítva őket. (Robusztusabbak és gyorsabbak lehetnek olyan területen, ahol sok a véletlen akadály.) Ezért, a jövőbeli munkánk tárgya lehet egy olyan hibrid eljárás kifejlesztése, amely mindkét típusú (az általam ajánlott és a decentralizált) eljárás előnyeit is tartalmazza. • Az algoritmusba épített ütközéselkerülési stratégia segíti a felderítés speciális alkalmazását szimulátorban vagy egy valós környezetben, ugyanis amíg elméletben a robotok pontszerű egyednek tekinthetőek, gyakorlatban valós kiterjedéssel rendelkeznek (Dual NXT 22x18x14 cm). • Az algoritmusba épített helyreállító eljárás lehetővé teszi, hogy robot-meghibásodás esetén is folytathassa a felderítést a robotcsoport. Az eljárás külön kezeli, ha a lánc végén lévő robot (Fej robot), a lánc közepén lévő robot vagy a bázisállomáson lévő robot hibásodik meg. • Bemutattuk az ajánlott eljárás megbízhatóságát és megvalósíthatóságát egy robot szimulátor segítségével akadálymentes és egy épületszerű környezetben. • Az általunk ajánlott algoritmust implementáltam valós Dual NXT robotokra is, és teszteltem akadálymentes területen és kis sűrűségű, falszerű akadályokkal ellátott területen egyaránt. A robotokon működött az ütközéselkerülő eljárás, valamint szakadás esetére a láncújraépítő eljárás is.

Tézisfüzet

8


A harmadik tézisben azt vizsgáltam, hogy hogyan lehet az előbbi két tézisben használt modell-robotokat alkalmazni a főiskolai oktatásban, főkképpen a programozás oktatás területén. 3. Tézis

[7] [8][9][13] az értekezés -> 6. fejezete

A programozási énkép és a tantárgyi motiváció szignifikánsan növelhető a modellrobotok használatával a kezdők programozás oktatásában, de az absztrakt programozói tudás kialakulására rövidtávon nincsenek szignifikánsan pozitív hatással. A műszaki felsőoktatásban évek óta érzékelhető a hallgatók jelentős részénél, hogy a programozási tudásuk nem fejlődik az elvárt módon. Ehhez kapcsolódóan észleltem a tantárgy iránti egyre csökkenő érdeklődést is. Tapasztalataink empirikus megerősítésére kérdőíves vizsgálatot végeztem, amelynek eredményei alátámasztották, hogy új módszerek, eszközök alkalmazására van szükség a tantárgycsoport eredményesebb oktatásához. Olyan eszközöket szerettem volna bevezetni az oktatásba, amelyekkel növelhető a hallgatói motiváció, az oktatás vizuálissá, gyakorlatiasabbá, érdekesebbé válhat. Az ismeretátadás hatékonyságát a programozásoktatás területén is alapvetően a hallgatók érdeklődése, motiváltsága, a tanórák érdekessége határozza meg. A modell-robotok programozása lehetővé teszi a hallgatók számára, hogy a hagyományos programozás-tanulás során azonnal elvárt absztrakt gondolkodást megelőzze a készségek tapasztalati szintű használata. Ez a lépcsőfok megkönnyíti a készségek fejlődését, a megértés szintjének elmélyítését. Hipotéziseim igazolására rövid időtartamú (4 hónapos) kontrollcsoportos mérést végeztem. A tanulók bemeneti tudásszintjét, tantárgyi attitűdjét, programozási énképét egy összevont kérdőív és teszt segítségével mértem. A mérést elvégeztem a vizsgálat elején, majd közel azonos kérdőívvel és teszttel mértem a kimenő szintet a kurzus végén. A programozói ismeretek és készségek mérésére 15 itemből álló tesztet használtam. A programozás iránti attitűd és a programozás énkép vizsgálatára egy 17 kérdést tartalmazó kérdőívet alkalmaztam. A kérdések többsége ötfokú, Likert-skálás válaszlehetőséget tartalmazott. A kontrolcsoportot és a kísérleti csoportot úgy állítottam össze, hogy a bemenő mérések után a két csoport eredményeiben ne legyen szignifikáns különbség. A kísérleti csoport a programozás tanulásához programozható modell-robotokat használt egy új tantárgy keretében, míg a kontrollcsoport a programozás tanulás hagyományos útját követte. A két minta fejlődésének eredménye A motívumokban fontos különbségek alakultak ki. A tanulmányi félév során a kísérleti minta hallgatói szignifikánsan kevesebbet hiányoztak, mint a kontrollminta hallgatói Tézisfüzet

9


(χ2=3,22; p=0,03). A kísérleti csoport sokkal élvezetesebbnek találta a tantárgy tanulását (xe=3,47; xc=2,96; t=3,87; p<0,01), mint a kontrollcsoport, a tananyagot pedig kevésbé találta nehéznek (xe=3,07; xc=3,35; t=1,96; p=0,03). A tanár iránti attitűd egyik részmintán sem változott jelentősen (xpre-e=4,03; xpost-e=4,06; xpre-c=4,03; xpost-c=4,12; a különbségek nem szignifikánsak). A kontrollcsoport átlagos programozás énképe stagnált (xpre=46,3 %p; xpost=44,1 %p; t=-0,45; p=0,66) a félév során. Ugyanakkor a kísérleti minta programozás énképe szignifikáns változást mutat (xpre=47,2 %p; xpost=52,2 %p; t= -2,60; p=0,01). A változások különbsége a két részminta énképének eloszlásában is megfigyelhető. Ez az eredmény azt mutatja, hogy a rövid periódus ellenére is jelentős énkép-fejlődést eredményezett az új eszközök és módszerek használata. Ez fontos a további tanulás szempontjából, mert a fejlett énkép erős hatást gyakorol a tanulók további iskolai teljesítményére. A hallgatók további nyomon követésével kívánom ellenőrizni, valóban hatást gyakorol-e az énkép fejlődése a további programozás eredményességére. Arról, hogy ez a hatás mennyire tartós és milyen mértékben segíthet a későbbi programozás-tanulásban, csak hosszabb idő elteltével győződhetünk meg. 5. 1.

2.

3.

4.

5.

6. 7.

8.

A tézisekben hivatkozott tudományos közleményeim A. Pásztor , T. Kovács, and Z. Istenes, Swarm Intelligence Simulation with NXT Robots Using Piconet and Scatternet.5th International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics,SACI2009, Timisoara, Romania, IEEE Xplore Digital Library, Digital Object Identifier: 0.1109/SACI.2009.5136241 T. Kovács, A. Pásztor and Z. Istenes, Connectivity in a wireless network of mobile robots doing a searching and collecting task. 5th International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics, SACI2009, Timisoara, Romania,IEEE Xplore Digital Library, Dig. Obj. Ident: 0.1109/SACI.2009.5136238 Kovács T., Pásztor A., Istenes Z ., A scalable Bluetooth scatternet formed by autonomous mobile robots and cell phones 10th International Symposium of Hungarian Researchers on Computational Intelligence and Informatics (Budapest, 2009) ISBN 978-963-7154-96-6 , page 493-500 T. Kovács, A. Pásztor , and Z. Istenes, Bluetooth Communications Networks for a mobile Robot Swarm, 1st International Scaentific and Expert Conference TEAM,. 10-11 dec.2009 Slavonski Brod, Croatia, ISBN 978-953-55970-1-8, page 219-222, A. Pásztor, T. Kovács, and Z. Istenes, Compass and Odometry Based Navigation of a Mobile Robot Swarm Equipped by Bluetooth Communication ICCC CONTI 2010, IEEE International Joint Conferences on Computational Cybernetics and Technical Informatics , 27-29. 05. 2010. Timosoara, Romania, ISBN 9781-4244-7431-8, page 565-570. IEEE Xplore Digital Library, Dig. Object Ident.: 10.1109/ ICCCYB. 2010. 5491208 T. Kovács, A. Pásztor, Z. Istenes, A Multi-robot Exploration Agorithm Based on a Static Bluetooth Communication Chain - Robotics and Autonomus Systems 2011. vol. 59. page 530-542, Im. Fakt.: 1.36 Attila PÁSZTOR, Róbert PAP-SZIGETI, Erika LAKATOS TÖRÖK, Effects of Using Model Robots in the Education of Programming, INFORMATICS IN EDUCATION An International Journal, 2010, Vol. 9, No. 1, ISSN1648-5831 page 133-140. Pásztor Attila, Istenes Z. The use of programmable robots in the education of programming, Kovács, Emőd (ed.) et al., Proceedings of the 7th international conference on applied informatics (ICAI 2007), January 2831, 2007, Eger, Hungary. Vol. II. Eger: Eszterházy Károly College. 29-36 (2009).

Tézisfüzet

10


9.

A. Pásztor, Z. Istenes , The Education of Programming with the Help of Programmable Robots at College and at University , Journal of Engeneering Annals of Faculty of Engeneeiring Hunedoara Tome V (year 2007), Fascicole 3, ISSN 1584 – 2673, page 162 – 168. 10. T. Kovács, A. Pásztor, Z.Istenes, A search and collect algorithm for a robot swarm under the constraint of multihop communication connectivity. Transactions on Automatic Control and Computer Science – SCIENTIFIC BULLETIN of “Politehnica” University of Timisoara 2009/54/4 , ISSN-1224-600X, p 191-194. 11. A. Pásztor, T. Kovács, Z. Istenes, Piconet and Scatternet Communication Networks in Swarm Intelligence Simulation with Mobile Robots Transactions on Automatic Control and Computer Science –SCIENTIFIC BULLETIN of “Politehnica” University of Timisoara 2009/54/3, ISSN-1224-600X, page131- 136. 12. A. Pásztor, T. Kovács, Z. Istenes, Control of NXT Robot Swarm by Compass and Odometry Method Equipped by Bluetooth Communication, Transactions on Automatic Control and Computer Science – SCIENTIFIC BULLETIN of “Politehnica” University of Timisoara 2010/55/4 page 233- 239, ISSN-122413. Pásztor, Pap-Szigeti, Congruence Examination of NXT Robots in the Education of Programming at KFGAMF College . Practyce and Theory in Systems of Education ,Volume 3. Number 3-4 2008. 33-40.o. HU ISSN 1788-2591

6.

További saját publikációk

14. A. Pásztor, How can it be Tought Playfully with the Help of Programmable Robots? International Technology and Development Conference 3-5. 3. 2008. Valencia, ISBN 978-84-612-0192-1, page580. 15. Attila Pásztor, Robert Pap-Szigeti : Congruence Examination of NXT Robots in the Education of Programming in KF GAMF College , 1st International Conference for Theory and Practice in Education Current Issues in Education - Fürstenfeld, 23 May, 2008 Abstracts, ISBN 978-963-06-5072-4, page 52. 16. Istenes Zoltán , Attila Pásztor, Using Innovative Devices in the Education of IT from Primary to University Level, VII. International Electrotechnical and Computer Sience Conferencee 2007 Portoroz, Slovenia ISSN 1581-4572 Volume B, page133-136 17. Pásztor A., Simon T., Nagy Sz., Bérczi Sz. Husar-8 Rover Swarm Collective Activity Around Hunveyor-8: Planetary Robotics at the Kecskemét College, GAMF Faculty, Hungary, In Lunar and Planetary Science XXXX, Abstract #1491, Lunar and Planetary Institute, Houston 2009 (CD-ROM). 18. Pásztor, Programming of Model-Robots and their Fields of Application, GAMF Közleményei XXII. Évf. 167-174. o HU ISSN 1587-4400 19. Zoltán Istenes and Attila Pásztor : The use of programmable robots in the education of programming 7th International Conference on Applied Informatics, Volume 1., page 29-36. 20. Pásztor Attila: Innovatív eszközök és módszerek alkalmazásának lehetőségei a programozás oktatásában, a felsőoktatásban – szimpózium PÉK 2007 Szeged, ISBN 9789634828136, 31.old. 21. Pásztor Attila : Programozható robotok használata a hallgatók problémamegoldó képességének fejlesztésére MSc és BSc szinten - PÉK 2007 Szeged, ISBN 9789634828136, 35.old 22. Pásztor Attila: A LEGO RCX és NXT robotok programozási és felhasználási lehetőségei XII .HUNGAROLOGO_2007 Nemzetközi Konferencia, BUDAPEST, ISBN 978-963-8431-95-0, 28- 32 .old. 23. Pásztor Attila : Informatika oktatása játékosan a kisgyermekkortól a felnőttkorig,VII. Országos Neveléstudományi Konferencia, Budapest, ISBN 978-963-482-843-3 77.old 24. Pásztor Attila: Mobil robotok felhasználása BSc és MSc szinteken az informatika oktatásában, VII. Országos Neveléstudományi Konferencia, Budapest, 2007, ISBN 978-963-482-843-3 80. old 25. Pásztor Attila: Modell-robotok alkalmazása az oktatástól a kutatásig, Felsőfokú alapképzésben matematikát, fizikát és informatikát oktatók XXXII. konferenciája 2008. Kecskemét, poszter előadás ISBN 978-963-7294-70-90 60. old 26. Pásztor A. ,Modell-robotok alkalmazása és felhasználási területei, Felsőfokú alapképzésben matematikát, fizikát és informatikát oktatók XXXII. konf, 2008 Kecskemét, ISBN 978-963-7294-70-90 61.o 27. Pásztor Attila, Pap-Szigeti Róbert: A Lego programozható robotjaival segített programozásoktatás bevállás vizsgálata, Informatika a felsőoktatásban 2008. Debrecen, ISBN 978-963-473-129-0, 115.old. 28. Pásztor Attila, Simon Tamás: Autonóm mobil robotok felhasználási lehetőségei az oktatástól a kutatásig, Informatika a felsőoktatásban 2008. Debrecen, ISBN 978-963-473-129-0, 212.old. 29. Pásztor: A Husar-8 raj tevékenysége a Hunveyor-8 környezetében: mérések bolygófelszíneken. IX. Hunveyor Szeminárium, Sopron 2009. 30. Pásztor Attila : Autonóm mobil "low cost"robotok felhasználása raj intelligencia szimulációkban, RobotNap2009 , Budapest , ISSN 2060-5943

Tézisfüzet

11

Modell-robotok felhasználása a multi-ágens alapú robotkooperáció kutatásban és az oktatásban

Recommend Documents