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 (kraft-, masse- og energibalanser). Få en innføring i utvalgte tema innen kinematikk, termodynamikk og fluiddynamikk.
Dette er emnebeskrivelsen for studieåret 2024-2025
Emnekode
ELE130
Versjon
1
Vekting (stp)
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 (kraftbalansen).
- Kunne forklare konseptet frekvensrespons og resonansfrekvens.
- 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
Anbefalte forkunnskaper
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. 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
Obligatorisk aktivitet 1:
8 øvinger tilknyttet skriftlig eksamen.
Karakterregel: Godkjent/ Ikke godkjent
Individuell vurdering
Obligatorisk aktivitet 2:
Muntlig presentasjon tilknyttet rapport.
Karakterregel: Godkjent/ Ikke godkjent
Individuell vurdering
Fagperson(er)
Ansvarlig laboratorieøvelser:
Per JotunEmneansvarlig:
Tormod DrengstigInstituttleder:
Tom RyenArbeidsformer
6 timer forelesning og 2 timer regneøvinger pr uke de første 10 ukene av semesteret.
Prosjektdelen med programmering av LEGO-robot gjennomføres som gruppearbeid etter de 10 første ukene, og prosjektdelen strekker seg typisk over 6 uker. I denne delen er det inntil 4 timer undervisning pr uke.
Overlapping
Emne | Reduksjon (SP) |
---|---|
Ingeniørfaglig innføringsemne - Data og elektro (ING100_1) | 5 |