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Programmer un robot

INTRODUCTION Les robots sont partout. Ces dernières années, l’homme est parvenu à concevoir des machines qui font ce qu’elles n’avaient jamais encore été capables de faire : comprendre, parler, entendre, voir, répondre, écrire. Nombreux sont les exemples : voitures qui se conduisent toutes seules, robots pour assister les personnes âgées… Pour mieux comprendre ces technologies omniprésentes, il est important que les élèves découvrent la logique se cachant derrière la programmation et les caractéristiques de base de la robotique. C’est l’objectif de ce défi s’appuyant sur Thymio, un robot open-source conçu pour l’éducation par l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Thymio est idéal pour découvrir l’univers de la robotique et apprendre le langage des robots. Les élèves pourront le programmer et réaliser de nombreuses expériences. Les activités proposées sont découpées en deux grandes parties : trois activités pour faire connaissance avec Thymio et deux activités pour découvrir la programmation.

COMPÉTENCES / LIENS AVEC LES PROGRAMMES

Sciences et technologie - Les méthodes et outils pour apprendre : Utilisation de logiciels de calculs et d’initiation à la programmation. - Pratiquer différents langages en sciences et technologie :

Utilisation d’environnements numériques de travail pour traiter, présenter des informations. Acquisition des bases de langages scientifiques pour formuler et résoudre des problèmes, traiter des données. - Acquérir les principales étapes de la démarche scientifique : Observer et décrire un fait, un objet, un système Etablir des relations de cause à effet Mathématiques - Activités de repérage ou de déplacement pour initier à la programmation. - Résoudre des problèmes engageant une démarche à une ou plusieurs étapes et favorisant des démarches de tâtonnements et d’essais-erreurs.

MATÉRIEL

- 10 robots Thymio (Pensez à bien recharger les robots avant l’activité) - 10 câbles USB <> micro USB - Fiches élèves à imprimer (pages 14 à 18) - 2 ou 3 grandes affiches blanches de taille A2 minimum (non fournies) - Ruban adhésif noir ou peinture noire (non fournis) - Ordinateurs (salle informatique)

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DÉROULEMENT DU DÉFI

1ERE PARTIE : DECOUVERTE DES ROBOTS THYMIO

Les deux premières activités permettent aux élèves de découvrir le robot Thymio, qui a plusieurs comportements pré-programmés. Quand le robot est allumé en vert, son comportement est amical : il suit la main qui est devant lui. Quand il est allumé en rouge, il est peureux : il recule devant tout obstacle qui se présente devant l’un de ses capteurs.

Dans la dernière activité, les élèves découvrent le test « SI… ALORS… ». Il permet au robot de prendre des informations à l’extérieur grâce à ses capteurs et de décider quelle action il doit effectuer en conséquence.

L’idéal est de diviser la classe en deux groupes pour que les élèves manipulent chacun leur tour. N’hésitez pas à travailler à même le sol et à pousser les tables et les chaises pour avoir de la place.

Allumer, éteindre et recharger Thymio

Pour allumer le robot, il suffit d'appuyer et de maintenir le doigt quelques secondes sur le rond au centre des flèches jusqu'à ce que le robot émette un son et devienne vert.

Pour éteindre le robot, il suffit de maintenir le doigt sur le rond central quelques secondes jusqu'à ce que le robot joue une mélodie et s'éteigne complètement.

Pour recharger Thymio, il suffit de le brancher à un ordinateur avec le câble micro-USB fourni dans la boîte. Si vous disposez d'un chargeur USB mural standard, par exemple pour votre téléphone portable, vous pouvez y connecter Thymio pour le charger. La charge sera alors plus rapide.

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Découvrir le matériel

Les capteurs (en bleu sur le schéma)

Un capteur est un instrument qui effectue une mesure dans l’environnement. C’est un dispositif qui transforme l’état d’une grandeur physique observée (la distance, la luminosité, le son) en une mesure utilisable. 5 boutons tactiles (technologie capacitive) Ces capteurs capacitifs sentent quand on les touche. Pas besoin d’appuyer, c’est tactile. Cinq capteurs de proximité avant et deux capteurs de proximité arrière Ils permettent à Thymio de mesurer la distance à un obstacle qui se trouve devant ou derrière lui, en mesurant la quantité de lumière infrarouge émise qui lui est réfléchie. Deux capteurs de sol Ils fonctionnent comme les autres capteurs de distance. Ils permettent à Thymio de mesurer à quelle distance il se trouve du sol, et par exemple de s’arrêter au bord d’une table. Ils lui permettent aussi de suivre des lignes !

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Un capteur de température Un thermomètre électronique qui permet à Thymio de mesurer la température qu’il fait. Un accéléromètre à 3 axes Pour savoir dans quelle position Thymio se trouve. Un microphone Il permet à Thymio de percevoir les sons.

Les actionneurs (en orange sur le schéma précédent) Un actionneur, est un dispositif d’une machine (moteur, vérin, speaker, lampe, etc.) qui permet à une machine de transformer l’énergie qui lui est fournie en un phénomène physique utilisable. Un actionneur exécute les ordres qui lui sont envoyés par la partie commande de la machine. Un haut-parleur Comme une enceinte, le haut-parleur permet à Thymio de faire du bruit ou de la musique. Trente-neuf LED Situées dessus, dessous, sur les côtés, les LED de Thymio peuvent s’allumer de toutes les couleurs. Deux roues Animées par deux moteurs à vitesse variable, ces deux roues permettent à Thymio d’avancer, de reculer et de tourner.

Les 6 comportements pré-programmés Thymio est pré-programmé avec 6 comportements. Ces comportements sont toujours présents dans le robot. Pour choisir un comportement, il suffit de démarrer le robot et de sélectionner une couleur grâce aux boutons flèches, le bouton central permettant de démarrer le comportement. Lorsque le comportement est actif, le bouton central permet de revenir au menu de sélection des comportements.

En vert, Thymio peut suivre votre main ou un objet à une certaine distance. Si vous vous rapprochez trop, il reculera. N'éloignez pas votre main trop vite ou Thymio risque de vous perdre.

En violet, Thymio suit les ordres donnés par les boutons tactiles. Si on appuie plusieurs fois sur le bouton haut, Thymio accélère.

Vert : amical Violet : obéissant

En jaune, Thymio explore le monde tout en évitant les obstacles.

En bleu clair, Thymio suit une piste. La piste doit être au minimum de 4cm de large et avoir un contraste élevé (noir sur blanc par exemple). Jaune : explorateur Bleu clair : inspecteur

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En rouge, Thymio fait du bruit quand on le touche. Il nous fuit et sonne l'alarme quand il est coincé. Il détecte les chocs, la chute libre et montre la direction de la gravité avec ses LED du dessus.

En bleu foncé, Thymio réagit au son. On peut commander le robot avec des clappements de main. 1 clap = tourne ou avance tout droit 2 claps = marche / arrêt 3 claps = fait un cercle

Rouge : peureux Bleu foncé : attentif

Activité 1 : Découvrir Thymio. C’est quoi ce truc ? Il s’agit de découvrir le robot Thymio en totale autonomie, sans aucune indication. Répartissez les élèves en petits groupes, avec un Thymio par groupe, l’idéal étant d’avoir un Thymio pour deux élèves. La consigne est simple : « On a trouvé cet objet. Aidez-nous à apprendre des choses sur lui. Donnez-lui un nom. » Laissez les élèves manipuler librement, en veillant bien que chacun puisse toucher, tester. Questionnez les : qu’est-ce que Thymio peut ressentir ? Qu’est-ce qu’il peut faire ? À la fin de cette activité, les élèves doivent savoir allumer le robot et constater qu’en appuyant sur les flèches, Thymio change de couleur.

Activité 2 : Des couleurs et des comportements Il s’agit de découvrir les programmes pré-enregistrés dans le robot. Pour cela, demandez à chaque élève de remplir la fiche de la page 14. Répartissez les élèves en petits groupes, avec un Thymio par groupe. On explique qu’il existe des programmes pré-enregistrés dans Thymio, que les flèches servent à faire défiler ces programmes et que le bouton rond sert à valider. « Quand on appuie sur certains boutons, le robot a des comportements différents ». Il faut compléter la fiche élève en donnant un nom à chaque comportement et entourer ou colorier sur le schéma les éléments impliqués. Pour aider à donner un nom, on peut dire : « Si c’était un animal on pourrait dire qu’il est … ». Dans l’idéal, les 4 premiers comportements (vert, jaune, rouge, violet) doivent avoir été reconnus. Les comportements bleu ciel et bleu foncé ne sont pas à trouver car ils nécessitent du matériel et un environnement calme. Remarque : Si les comportements semblent ne pas fonctionner, vérifier que la surface sur laquelle se trouve Thymio est suffisamment claire. Un test : lancez le comportement jaune, si Thymio n’avance pas, c’est que la surface n’est pas assez claire.

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Activité 3 : SI … ALORS Il s’agit de remplir la fiche de la page 15 en reliant les éléments afin de comprendre la logique événementielle. On utilise les comportements de base de Thymio vus lors de l’activité précédente. La fiche se présente en 2 colonnes. A gauche, les évènements et à droite, les actions. Il s’agit de former des paires d’événements / actions en les reliant par un trait. Pour réaliser cet exercice, les enfants utilisent Thymio. Exemple : Pour le comportement vert, on pose la première question : « si Thymio détecte un objet devant lui… », ou on reformule : « que fait Thymio lorsqu’il détecte un objet devant lui ? » Les élèves ont 4 choix de réponses : > il tourne à gauche, > il tourne à droite, > il avance, > il s’arrête. (Voir fiche page 15) Une fois que les élèves ont testé chacune des possibilités pour trouver la réponse, ils peuvent relier les points sur la fiche et passer à la question suivante. L’objectif est de remplir toute la fiche ! Ce travail permet aux élèves d’aller vers la programmation conditionnelle de Thymio. Ces comportements sont programmés avec une logique de cause à effet. « SI Thymio voit / entend / sent ALORS il roule / fait du bruit / s’allume. Chaque comportement de Thymio correspond à un ensemble d’instructions conditionnelles.

2EME PARTIE - DECOUVERTE DE LA PROGRAMMATION DES ROBOTS THYMIO

On va découvrir dans cette séance comment programmer les robots Thymio, en utilisant une interface graphique. On laissera les élèves par groupes de deux, essayer et explorer les différentes possibilités.

Installer Aseba Studio Pour programmer Thymio, vous devez d'abord télécharger gratuitement le logiciel Aseba en vous rendant à l’adresse suivante : https://www.thymio.org/fr:start Aseba est un ensemble d'outils qui permet aux novices de programmer facilement et efficacement des robots. Aseba est open-source, vous pouvez le télécharger gratuitement et jouer avec. Démarrer le logiciel de programmation visuelle (VPL) Le logiciel Aseba contient un composant appelé VPL (logiciel de programmation visuelle). Nous allons utiliser cet environnement, conçu spécialement pour programmer Thymio facilement en combinant des blocs « événement » et des blocs « action ».

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Pour démarrer la programmation visuelle (VPL), branchez Thymio à votre ordinateur à l'aide du câble USB. Ensuite, cliquez sur cette icône : Une fenêtre s’ouvre automatiquement si votre robot est connecté :

Si Thymio n'est pas connecté lorsque vous lancez le programme, vous verrez s'afficher une fenêtre de choix de robot. Cette fenêtre permet de sélectionner un robot et de s'y connecter.

Programmer Thymio avec le logiciel de programmation visuelle (VPL) On écrit un programme en associant un bloc événement à un ou plusieurs blocs actions. Vous pouvez faire cela en glissant des blocs dans la zone centrale de programmation (zone 2 sur le schéma ci-dessous), depuis les listes d'événements ou d'actions des côtés de l'écran (zone 4 et zone 5). Une fois que le programme est construit, il doit être chargé dans le robot en cliquant sur le bouton charger et exécuter de la barre d'outils.

Thymio VPL

Bouton charger et exécuter

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Zone 1. La barre d'outils contient les boutons pour ouvrir et sauvegarder des fichiers, lancer ou arrêter l'exécution du programme, et changer de mode d'édition. Zone 2. Cette zone est dédiée à la construction du programme. Il est composé de paires de blocs d’événements et d’actions. Le programme sert d'instruction au robot pour déterminer son comportement. Zone 3. Cette ligne indique si les paires événement-action composant le programme sont correctes et complètes. Zone 4. Les blocs d'événements déterminent quand le robot doit démarrer une action. Ces blocs peuvent être ajoutés au programme en cliquant dessus ou en les glissant sur le carré gauche d'une paire événement-action qui apparaît dans la zone programme. Zone 5. Les blocs d'action déterminent comment le robot doit réagir. Ces blocs peuvent être ajoutés au programme en cliquant dessus ou en les glissant sur le ou les carré(s) à droite d'une paire événement-action qui apparaît dans la zone programme. Zone 6. Le programme texte correspondant au programme graphique est écrit dans cette zone.

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Blocs événements

Boutons

Cet événement s'active lorsqu’un ou plusieurs des boutons du robot sont touchés. Pour chaque bouton, gris signifie « ignorer le bouton », rouge indique que le bouton doit être touché. Un clic sur un bouton le change de gris à rouge.

Capteurs de distance horizontaux

Cet événement se déclenche lorsque le robot détecte un objet proche ou loin du robot (maximum 8-12 cm). Pour ces capteurs, le gris signifie que le capteur n'est pas pris en compte. Blanc signifie que l'objet est proche. Noir signifie que l'objet est détecté mais pas proche du robot.

Capteurs de distance au sol

Cet événement se déclenche lorsque le robot voit un sol sombre ou clair. Il mesure la quantité de lumière réfléchie par le sol. S'il n'y a pas de sol, il n'y a pas de réflexion. Pour ces capteurs, gris signifie que le capteur n'est pas pris en compte. Blanc signifie que le sol est clair. Noir signifie que le sol est sombre.

Détection de choc Cet événement s'active lorsque le robot détecte un choc, exemple, si on lui tape dessus.

Détection de claquement

Cet événement s'active lorsque le robot détecte un fort bruit comme un claquement de main à proximité.

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Blocs actions

Moteurs Cette action définit la vitesse des moteurs gauche et droite (et donc des roues)

Couleurs du haut Cette action définit la couleur du dessus du robot en un mélange de rouge, vert et bleu

Couleurs du bas Cette action définit la couleur du dessous du robot en un mélange de rouge, vert et bleu

Musique

Cette action joue une mélodie d'au maximum 6 notes définies par l'utilisateur. Pour chaque note, sa hauteur dépend de sa position verticale. Un point blanc produit une note qui dure deux fois plus longtemps qu'un point noir. Pour définir une note, cliquez sur la barre où vous voulez qu'elle apparaisse. Un clic sur un point le change de blanc à noir. Un clic supplémentaire transforme la note en silence.

Activité 4 – Et si on programmait ? Demandez aux élèves de faire des groupes de deux. Chaque groupe a besoin d’un Thymio, d’un ordinateur avec le logiciel Aseba installé, d’un câble USB <> mini USB et des deux fiches à remplir pages 16 et 17. (Vous pouvez également donner aux élèves la fiche de compréhension du logiciel et des icônes de la page 18). L’objectif de cette activité est de découvrir le logiciel de programmation graphique. • Lancez le logiciel « Thymio VPL » ou demandez aux élèves de le faire. • Expliquez que programmer le robot consiste à mettre côte à côte une carte prise dans la barre verticale de gauche et une carte prise dans la barre verticale de droite. On retrouve à gauche tous les événements, tous les « SI ». À droite, on retrouve toutes les actions, tous les « ALORS ». Une fois qu’on a fini d’écrire son programme, il faut appuyer sur « play » pour lancer le programme. Quand on veut arrêter le programme, on peut appuyer sur « stop ». • Pour compléter les fiches, les élèves testent les programmes présentés. La première fiche (page 16) porte sur le fonctionnement du logiciel et la deuxième (page 17) sur le rôle des cartes.

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Remarques : - Il vaut mieux distribuer la 2e fiche après qu’ils aient correctement complété la 1ère. - Pour simplifier, on peut demander d’expliquer les cartes à l’oral uniquement. - Si le logiciel est fermé par erreur, l’ordinateur peut ne plus détecter le robot. Dans ce cas, débranchez et rebranchez le robot. - Le logiciel est souvent quitté par erreur par les élèves. Créer un raccourci sur le bureau permet parfois un gain de temps non négligeable. - Si pour tester le programme que l’on a créé on doit débrancher le robot, pensez à sauvegarder le programme d’abord.

Activité 5 – Programmer Thymio pour

qu’il suive une ligne noire Dans cette activité, on va utiliser les nouvelles connaissances des élèves sur la programmation des robots Thymio, pour faire en sorte que le robot avance en suivant une ligne noire au sol. S’il s’en écarte, il corrige sa trajectoire en tournant à droite ou à gauche selon le cas pour revenir sur la ligne noire. On laissera les élèves, là encore par groupes de 2, résoudre ce défi et régler les paramètres de vitesse relative des roues (pour faire tourner à droite ou à gauche), une tâche pas évidente, qui se résout par tâtonnements. Dans un premier temps, dessinez une ou plusieurs pistes sur de grandes affiches blanches posées au sol. La piste doit être au minimum de 4 cm de large et avoir un contraste élevé, le mieux étant noir sur blanc. Ceci est facile à réaliser en imprimant une bande noire, en la peignant ou en utilisant du ruban adhésif noir. Commencez ensuite à présenter le défi aux élèves. Demandez aux élèves de réfléchir à leur programme pendant 5 minutes, puis d’expliquer à la classe comment ils vont programmer Thymio pour réaliser le défi. Voici une correction possible. On utilise les capteurs de sol pour regarder la couleur du papier qui se trouve en dessous de Thymio. Ils fonctionnent en envoyant de la lumière infrarouge (invisible pour l’œil humain) et en mesurant la quantité de lumière renvoyée.

Si vous cliquez sur les deux capteurs (petits carrés) pour qu'ils deviennent rouges, l'événement sera déclenché lorsque Thymio sera au-dessus d'un sol de couleur claire. Si les deux capteurs (petits carrés) sont noirs, l'événement sera déclenché lorsque Thymio sera au dessus d'un sol de couleur sombre. (Un sol de couleur noir absorbe toutes les longueurs d’onde, le signal infrarouge émis par le capteur ne sera pas réfléchi. La distance sera donc perçue par Thymio comme étant infinie, c'est-à-dire très loin).

La couleur grise signifie que le capteur n’est pas pris en compte. La première étape pour faire suivre une ligne à Thymio est de le faire avancer s’il est sur la ligne (les deux capteurs de sol détectent du foncé), et de le faire s’arrêter s’il ne se trouve pas sur la ligne (les deux capteurs de sol détectent du clair).

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La prochaine étape est la suivante. Si le robot sort de la ligne à gauche, le capteur gauche détectera le sol clair alors que le capteur droit continuera de détecter la ligne foncée ; dans ce cas le robot doit tourner légèrement à droite. Si le robot sort de la ligne à droite, le capteur droit détectera le sol clair alors que le capteur gauche continuera de détecter la ligne foncée ; dans ce cas le robot doit tourner légèrement à gauche. Il est assez facile de comprendre que si Thymio sort de la ligne à gauche, il doit tourner à droite. La question est plutôt : de combien doit-il tourner ? Si la rotation est trop douce, le robot ne tourne pas assez et pourrait sortir de la ligne. Si au contraire la rotation est trop forte, le robot pourrait sortir de la ligne de l’autre côté. Les élèves doivent expérimenter la vitesse des roues gauche et droite jusqu’à ce que le robot réussisse plusieurs fois l’expérience de suivi de ligne. Thymio doit-il aller vite lorsqu’il est sur la ligne ou, au contraire, lentement ? En allant vite, vous améliorerez son efficacité pour se déplacer d’un point à un autre mais il risquera de sortir de la ligne avant de pouvoir corriger sa direction. Ce genre de programme est utilisé dans des entrepôts où des charriots robotiques transportent des objets. Il y a des lignes peintes sur le sol de l’entrepôt et le robot reçoit comme instructions de suivre certaines lignes jusqu’à ce qu’il arrive à la zone de stockage de l’objet qu’il transporte.

ALORS Thymio s’arrête

ALORS Thymio avance

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Sources

© Le carnet de missions Inirobot, T. Guitard, D. Roy, P-Y. Oudeyer, équipe Flowers (Inria, ENSTA ParisTech)

https://dm1r.inria.fr/t/inirobot-les-documents-a-telecharger/141

© Guide d’activité Thymio, Julie Borgeot / Dorie Bruyas, Fréquence écoles http://fr.slideshare.net/Frequence_ecoles/guide-dactivits-thymio-frquence-coles

POUR ALLER PLUS LOIN

IniRobot, un site Internet qui est à la fois un site de ressources et un site d’échanges où chacun fait part de son expérience et propose des activités. http://www.inirobot.fr

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Activité - Des couleurs et des comportements

Couleur Action observée En un mot Eléments activés

VERT

JAUNE

ROUGE

VIOLET

15 EXPÉRIMENTER

Activité – Si… Alors…

SI Thymio détecte un objet devant lui

ALORS il tourne à gauche

SI Thymio détecte un objet à droite

ALORS il tourne à droite

SI Thymio détecte un objet à gauche

ALORS il avance

SI Thymio détecte un objet devant lui

ALORS il recule

SI Thymio détecte un objet à droite

ALORS il recule en tournant à droite

SI Thymio détecte un objet à gauche

ALORS il recule en tournant à gauche

SI Thymio détecte un objet derrière lui

ALORS il avance

SI on appuie sur la flèche avant

ALORS il avance

SI on appuie sur la flèche arrière

ALORS il recule

SI on appuie sur la flèche de droite

ALORS il tourne à gauche

SI on appuie sur la flèche de gauche

ALORS il tourne à droite

SI Thymio détecte un objet devant lui

ALORS il tourne à gauche

SI Thymio détecte un objet à droite

ALORS il tourne à droite

SI Thymio ne détecte rien

ALORS il recule

SI Thymio détecte un objet à gauche

ALORS il avance

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Activité Placer deux cartes au centre pour faire le programme ci-dessous. Entoure ensuite les bonnes réponses dans les phrases en dessous.

Le bouton sert à : Démarrer le programme Arrêter le programme

Le bouton sert à : Démarrer le programme Arrêter le programme Les blocs images oranges à gauche montrent les : Actions Capteurs Les blocs images bleus à droite montrent les : Actions Capteurs

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Le bouton « + » sert à : Supprimer un ordre Ajouter un ordre

Le bouton « × » sert à : Supprimer un ordre Ajouter un ordre

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Activité

Voici 4 programmes différents, chacun formé avec une carte événement et une carte action. Compléter les phrases associées.

Phrase :

Pro

gra

mm

e 1

SI ALORS

Pro

gra

mm

e 2

SI ALORS

Pro

gra

mm

e 3

SI ALORS

Pro

gra

mm

e 4

SI ALORS

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iche de compréhension du logiciel et des icônes