Formazione pratica sui quadcopter a tutti i livelli
"Quad-rotors: Control and Estimation" è un corso basato su un progetto per gli studenti di bachelor del quinto e sesto semestre. Utilizza la tecnologia dei nano quad-rotori per offrire agli studenti un'esperienza pratica di laboratorio. Attraverso questo corso, gli studenti acquisiscono la conoscenza e la comprensione della teoria della modellazione e del controllo per un'applicazione di quad-rotori, e applicando la teoria insegnata nei corsi di controllo universitari gli studenti ottengono una variazione nel loro impegno con questi concetti fondamentali e quindi un'opportunità di apprendimento più profondo.
Struttura del corso prima della pandemia
Gli studenti trascorrono 6 pomeriggi completando una serie di esercizi che coprono 6 obiettivi di apprendimento che alla fine portano al volo autonomo di un nano quad-rotore del mondo reale utilizzando i controllori progettati dagli studenti stessi. Il corso inizia con l'apprendimento della derivazione delle equazioni del moto per un quad-rotore attraverso una combinazione di attività didattiche interattive che incoraggiano la partecipazione attiva. Gli studenti lavorano poi in piccoli gruppi per costruire il proprio ambiente di simulazione partendo da un modello essenziale e applicando la teoria dei corsi sui sistemi di controllo per progettare e testare un algoritmo di controllo. Una volta che gli studenti hanno un algoritmo di controllo funzionante nella simulazione, lo codificano e lo implementano sul proprio nano quad-rotore. Gli studenti lavorano in parallelo con il loro nano quad-rotore simulato e con quello del mondo reale per capire come i fondamenti teorici del loro algoritmo di controllo possano essere adattati alle complessità del mondo reale che sono incarnate dal volo autonomo. Ogni esercizio alterna la risoluzione attiva dei problemi all'interno di piccoli gruppi di lavoro e discussioni dinamiche come classe intera.
Lavorare in piccoli gruppi incoraggia gli studenti a pensare in modo critico e a tentare di risolvere i problemi da soli, e permette al team di insegnanti di fornire una guida all'apprendimento just-in-time sulle difficoltà tecniche e concettuali. Le discussioni in classe sono un'opportunità per gli studenti di comunicare le loro idee e interpretazioni e di ricevere un feedback dettagliato dagli insegnanti e dagli altri studenti. Gli studenti sviluppano un senso di responsabilità per il comportamento del loro quad-rotore, perché hanno sviluppato l'algoritmo di controllo da zero, e durante l'ultima esercitazione portano tutto questo a una conclusione naturale, proponendo e realizzando un progetto personalizzato, che poi presentano all'intera classe. Questa esperienza di apprendimento pratico, tuttavia, si è basata sulla disponibilità di un costoso sistema di motion capture nel nostro laboratorio, utilizzato per fornire misure di posizione e orientamento dei quad-rotori.
Implementazione durante il periodo di formazione a distanza
La pandemia ha cambiato tutto questo. Non solo non era più possibile utilizzare l'infrastruttura del laboratorio, ma era anche impossibile per gli studenti lavorare in gruppo. Invece di prendere la facile strada di sospendere la lezione o di fornire sessioni dimostrative a distanza, abbiamo deciso di riprogettare la classe dal basso secondo il concetto: se gli studenti non possono venire in laboratorio, il laboratorio può venire a casa loro!
Abbiamo adattato l'hardware utilizzato sui quad-rotori, sviluppato un nuovo software e adottato strumenti didattici online per consentire il lavoro di gruppo e la supervisione a distanza. Grazie a questi sviluppi, durante la pandemia gli studenti hanno potuto portare a casa pacchetti contenenti un nano quad-rotore e il nostro software plug-and-play scalabile open-source sviluppato su misura, che ha permesso loro di eseguire esperimenti in tutta sicurezza da qualsiasi parte del mondo, senza dover ricorrere al costoso hardware di laboratorio che era necessario prima della pandemia.
La risposta degli studenti ai cambiamenti apportati al corso è stata entusiastica. Abbiamo condotto sondaggi attraverso i quali abbiamo ricevuto molti suggerimenti che ci hanno aiutato a migliorare l'offerta del corso nei semestri successivi. Ad oggi abbiamo offerto il corso in questo nuovo formato a 78 studenti nell'arco di 3 semestri, consentendo loro di sperimentare l'emozione della formazione pratica e del lavoro di squadra anche durante la pandemia.
Il corso offre lo sviluppo di competenze professionali, tra cui l'esperienza di lavoro in team, la giustificazione delle scelte di progettazione ingegneristica e l'ideazione di nuove idee, competenze trasferibili a qualsiasi progetto ingegneristico futuro. Il corso mette in evidenza le sfide di mettere in pratica la teoria dei corsi sui sistemi di controllo, che viene rafforzata attraverso una variazione dell'impegno degli studenti con la teoria e porta alla luce nuovi aspetti della progettazione ingegneristica su un esempio rilevante e interessante. Anche dopo la pandemia, possiamo utilizzare la nostra nuova piattaforma per laboratori ibridi in cui gli studenti conducono ulteriori esperimenti a casa. Inoltre, il software fornisce la struttura per portare il sistema ovunque, consentendo dimostrazioni durante le lezioni, compiti pratici in classi più numerose e attività di sensibilizzazione come progetti nelle scuole superiori per attirare giovani talenti verso le materie ingegneristiche. La nostra nuova piattaforma è davvero unica nel suo genere, nel senso che è una delle poche piattaforme scalabili ed efficienti dal punto di vista dei costi che porta l'esperienza di un laboratorio pratico nelle case degli studenti.
Descrizione del corso
Concetto generale del corso prima della pandemia - durante - dopo
Il corso "Quad-rotori: controllo e stima" è stato offerto per la prima volta nel 2017 come un modo per impartire conoscenze e competenze pratiche e incoraggiare la sperimentazione indipendente. Il corso è stato offerto in laboratorio con una piattaforma didattica per quad-rotori costituita da un sistema di motion capture e da computer portatili preconfigurati per fornire un'esperienza pratica in classe. Il corso si propone di aiutare gli studenti: (1) a imparare e comprendere il modello, la dinamica e il controllo dei quad-rotori; (2) ad applicare la teoria dei sistemi e dei controlli dei loro corsi a un sistema reale; (3) a sperimentare la catena completa di modellazione, simulazione, progettazione dei controlli, implementazione e test. Il corso offre agli studenti l'opportunità di commettere errori e di osservarne i risultati senza danneggiare il sistema. Gli studenti imparano dalle scelte progettuali sbagliate, finché non vengono premiati con un controllore di volo funzionante e una comprensione più profonda della teoria sottostante. Il lavoro di squadra insegna agli studenti che i compiti complessi si risolvono meglio in gruppo, cioè che la squadra può ottenere più della somma delle sue parti. Il corso dimostra l'importanza del controllo nei sistemi del mondo reale e può motivare gli studenti a seguire corsi di controllo avanzati nei loro studi successivi.
La riprogettazione del software, combinata con la più recente tecnologia dei quad-rotori, ci ha permesso di inviare il laboratorio a casa degli studenti durante la pandemia e di fornire la stessa esperienza pratica come se gli studenti fossero in laboratorio.
Dopo la pandemia, utilizzeremo questa piattaforma di quad-rotori per integrare l'insegnamento di persona, consentendo agli studenti di lavorare con i quad-rotori al di fuori delle ore di lezione programmate, cosa che non era possibile con la configurazione precedente alla pandemia. Intendiamo inoltre dimostrare le possibilità di corsi di laboratorio pratici a distanza. La presentazione di questo concetto in occasione di conferenze/eventi di sensibilizzazione ha il potenziale per rimodellare il futuro dei corsi di laboratorio pratico di ingegneria. Offre l'opportunità di aprire un laboratorio remoto scalabile senza compromettere l'esperienza e i risultati di apprendimento degli studenti.
