Anvendt matematikk og fysikk i robotprogrammering (ELE130)

Anvende matematikk- og fysikkunnskaper til å løse ulike problemstillinger i robotprogrammering. Forstå og kunne forklare begrepene numerisk integrasjon, filtrering og numerisk derivasjon, samt kunne implementere og bruke disse numeriske metodene i MATLAB og Python. Utvikle, implementere og simulere ODE-baserte modeller av dynamiske system ved å bruke balanselover innenfor kinematikk, fluiddynamikk og termodynamikk (impuls-, masse- og energibalanser). Få en innføring i utvalgte tema innen kinematikk, termodynamikk og fluiddynamikk.


Dette er emnebeskrivelsen for studieåret 2023-2024. Merk at det kan komme endringer.

Fakta

Emnekode

ELE130

Versjon

1

Vekting (Sp)

10

Semester undervisningsstart

Vår

Antall semestre

1

Vurderingssemester

Vår

Undervisningsspråk

Norsk

Innhold

Innholdet i dette emnet er todelt. Den ene delen består av et praktisk prosjekt hvor studentene anvender matematikk- og fysikkunnskaper i programmering av Lego-roboter til å løse forskjellige praktiske problemstillinger.Prosjektet gjennomføres i grupper på maksimalt 4 personer.

Den andre delen fokuserer på matematisk modellering av ulike mekaniske/kinematiske og termiske/prosesstekniske system. Det gis derfor nødvendig introduksjon til utvalgte temaer innen kinematikk, termodynamikk og fluiddynamikk. Hensikten med modellene er å analysere de dynamiske egenskapene til systemene ved å implementere og simulere modellene i enten Matlab, Simulink eller Python. Analysen inkluderer også å identifisere karakteristiske egenskaper ved lineære tidsinvariante (LTI) systemer.

Siden innholdet i emnet er fokusert på det dynamiske aspektet av anvendt matematikk og fysikk, og således ikke bygger direkte på innholdet i FYS102, kan faget kan tas enten før eller etter FYS102.

Læringsutbytte

Samarbeid:

Kunne planlegge, gjennomføre og presentere et teknisk prosjekt i samarbeid med andre studenter.

Programmering (2,5sp):

  • Beherske problemløsing og kunne anvende flytskjema og pseudokode til å lage og beskrive algoritmer.
  • Anvende matematikk- og fysikkunnskaper til å løse ulike problemstillinger i robotprogrammering.
  • Kunne implementere og simulere matematiske modeller i MATLAB, Simulink og Python.
  • Kunne benytte MATLAB og/eller MicroPython som programmeringsverktøy for Legorobot.
  • Kjenne til og kunne forklare hvordan prosesseringskapasitet og ressursbruk har betydning for utførsel av algoritmer og hvordan dette kan begrense hvor godt en robot kan utføre en bestemt oppgave.

Matematikk (5sp):

  • Forstå og kunne forklare begrepene numerisk integrasjon, filtrering og numerisk derivasjon, samt kunne implementere og bruke disse numeriske metodene MATLAB og Python.
  • Kunne presentere numeriske resultater med passende grafer og figurer.
  • Kunne implementere og anvende enkle statistiske kvalitetsmål i de praktiske problemstillingene i prosjektdelen.
  • Kunne utvikle matematiske modeller i form av ulineære differensialligninger (ODE-systemer) og implementere disse i Simulink, MATLAB og Python.
  • Ha kjennskap til forskjellige numeriske metoder for numerisk løsning av ulineære differensialligninger.
  • Kunne identifisere forsterkning og tidskonstant.
  • Gjennom prosjektdelen kunne bruke numerisk matematikk til å løse problemstillinger som er relevante for styring av Legoroboter.

Fysikk (2,5sp):

  • Forstå viktige begreper innen fluiddynamikk som Bernoullis ligning og kontinuitetsligningen, og kunne bruke dette til å modellere volumstrømmen gjennom f.eks. en reguleringsventil.
  • Kjenne til fysiske systemer med oscillerende oppførsel, slik som harmoniske oscillatorer (udempet masse/fjær system), samt å kunne sette lineære modeller opp på tilstandsromform.
  • Kunne anvende kinematikk og fysikk til å utvikle matematiske modeller av mekaniske system (impulsbalanse).
  • Kunne forklare konseptet frekvensrespons
  • Kunne anvende fluiddynamikk og termodynamikk til å utvikle matematiske modeller av enkle prosessenheter (masse- og energibalanser), inkludert bruk av ventilligningen.
  • Ha forståelse for gyldighetsområde og begrensninger med de matematiske modellene som brukes, spesielt i forhold til antagelser gjort under modellering.

Forkunnskapskrav

Ingen

Anbefalte forkunnskaper

DAT120 Grunnleggende programmering

Eksamen / vurdering

Skriftlig eksamen og rapport

Vurderingsform Vekting Varighet Karakter Hjelpemiddel
Skriftlig eksamen 2/5 4 Timer Bokstavkarakterer Bestemt enkel kalkulator
Rapport 3/5 Bokstavkarakterer

Rapporten beskriver og dokumenterer arbeid i prosjektdelen. Rapporten kan skrives individuelt eller i gruppen på maksimalt 4 studenter. Dersom rapporten skrives i gruppe, vil alle deltakerne i gruppen få felles karakter. Studentene må gjennomføre en gruppevis muntlig presentasjon av prosjektet for å få karakter i emnet.Det er en forutsetning for å bestå emnet at studentene utviser tilfredsstillende kunnskap i fysikk, matematikk og programmering i rapportsform og på eksamen. Alle vurderingsdeler må være bestått for å oppnå samlet karakter i emnet.Det er ikke kontemuligheter på rapporten. Studenter som ønsker å ta denne delen på nytt, må på grunn av kapasitetsproblemer ta den opp igjen i høstsemesteret.

Vilkår for å gå opp til eksamen/vurdering

Obligatoriske øvinger
8 obligatorisk teoriøvinger.

Fagperson(er)

Ansvarlig laboratorieøvelser:

Per Jotun

Emneansvarlig:

Tormod Drengstig

Instituttleder:

Tom Ryen

Arbeidsformer

6 timer forelesning og 2 timer regneøvinger pr uke de første 7 ukene av semesteret.

Prosjektdelen med programmering av LEGO-robot som gruppearbeid gjennomføres etter de 7 første ukene, og prosjektdelen strekker seg typisk over 9 uker. I denne delen er det inntil 4 timer undervisning pr uke. 

Overlapping

Emne Reduksjon (SP)
Ingeniørfaglig innføringsemne - Data og elektro (ING100_1) 5

Åpent for

Datateknologi - bachelor i ingeniørfag Automatisering og elektronikkdesign, y-vei - bachelor i ingeniørfag Automatisering og elektronikkdesign - bachelor i ingeniørfag Medisinsk teknologi - bachelor i ingeniørfag

Emneevaluering

Det skal være en tidligdialog mellom emneansvarlig, studenttillitsvalgt og studentene. Formålet er tilbakemelding fra studentene for endringer og justering i emnet inneværende semester.

I tillegg skal det gjennomføres en digital emneevaluering minimum hvert tredje år. Den har som formål å innhente studentenes erfaringer med emnet.

Litteratur

Søk etter pensumlitteratur i Leganto