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Ficha Proyecto I.E. 2018-2019



Enseñanza basada en retos de carácter multidisciplinar mediante el diseño, construcción, programación y control automático de un dron.

Coordinador(a): JESUS BOBADILLA SANCHO
Co-coordinador(a): FERNANDO ORTEGA REQUENA
Centro: E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS
Nivel: Nivel 2. Proyectos promovidos por otros colectivos de profesores de la UPM
Código: IE1819.6102
memoria >>
Línea: E3. Aprendizaje Basado en Retos
Palabras clave:
  • Aprendizaje Basado en Retos
  • Aprendizaje Orientado a Proyectos
  • Elaboracion material docente
  • Interdisciplinariedad/multidisdiplinariedad
  • Robótica
Miembros de la comunidad UPM que lo componen
Nombre y apellidos Centro Plaza *
SANTIAGO ALONSO VILLAVERDE E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS TITULAR UNIVERSIDAD
JESUS BOBADILLA SANCHO E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS CATEDRÁTICO E.U.
ABRAHAM GUTIERREZ RODRIGUEZ E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS TITULAR UNIVERSIDAD
FERNANDO ORTEGA REQUENA E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS L.D. PRF.AYUD.DOCTOR
JOSE ANGEL GONZALEZ PRIETO E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS L.D. AYUDANTE
RAUL LARA CABRERA E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS L.D. PRF.AYUD.DOCTOR
Guillermo González-De-Rivera Peces Centro fuera de la UPM OTROS NO UPM
* La plaza que se muestra corresponde a la ocupada en el momento de la convocatoria
(para PDI/PAS de la UPM, en el resto de casos no se especifica).
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Proponemos un proyecto educativo basado en la motivación de los alumnos. Para ello hemos elegido un tema que, sin lugar a dudas, atrae fuertemente la atención de los estudiantes: drones. Ofrecemos una propuesta de ingeniería, por lo que se aleja mucho de los habituales enfoques existentes, en los que se hace uso de drones ya diseñados, construidos y programados. En nuestro caso, facilitamos la adquisición de todas las habilidades necesarias para hacer los diseños hardware y la programación de los componentes fundamentales de un dron: motores, sensores y actuadores, y también la introducción al vuelo estable. Hay que tener en cuenta varios aspectos clave en la consecución de los anteriores objetivos:

  • Los objetivos son muy ambiciosos; demasiado para ser abordados de una forma monolítica en la que se pase desde componentes básicos hasta un dron volando. Esto solo se podría realizar con alumnos que tuviesen una formación previa muy especializada en varios campos de la ingeniería. Por ello, de manera natural, surge la necesidad de establecer un conjunto de retos individuales, cuya consecución nos proporcione el objetivo final que los alumnos desean conseguir: su propio dron en funcionamiento.
  • Los retos en los que se divide el proyecto tienen un marcado carácter transversal. Es decir, requieren de conocimientos que, en cualquier ingeniería, se imparten, cada uno, en asignaturas diferentes. Esto significa que nuestra propuesta tiene un ámbito de actuación global en cada grado; tiene el inconveniente de que resulta más difícil realizar una implantación local, por ejemplo: específica a una sola asignatura. Por otra parte, tiene la ventaja de que permite integrar conocimientos de varias asignaturas, canalizándolos a través de un proyecto común a lo largo de la carrera. También se presenta como una opción adecuada y motivadora de proyecto de fin de grado.
  • Existe la posibilidad de establecer diferentes itinerarios a partir del conjunto de retos disponibles en el proyecto: potencialmente existen retos de electrónica, de programación, de control de procesos, de telemática, de interfaces gráficos, de inteligencia artificial, etc. No todos los retos son necesarios, y no todos los retos requieren de una perfecta consecución; por ejemplo: sí es necesario realizar un correcto diseño electrónico de los motores y también una programación de los mismos, pero no es necesario aplicar inteligencia artificial al vuelo, y si se aplica, podría no establecerse comunicaciones, ya que se pretende un vuelo autónomo.
  • El control de la estabilidad del vuelo es un objetivo complejo si se pretende un nivel de calidad alto en un dron pequeño y barato. Los alumnos que cursen asignaturas de control de procesos serán los que estén en una disposición adecuada para abordar este reto. Al resto de los alumnos se les puede ofrecer alternativas más sencillas de entender e implementar, como por ejemplo reglas de vuelo con las que conseguir un cierto nivel de estabilidad, o diseños estables de la aeronave, por ejemplo: añadiendo un estabilizador tipo orza de velero.

Desde el punto de vista de implantación del proyecto PIE, resulta necesario dividir la experiencia según la cobertura que se proporciona a los alumnos y según los itinerarios que seleccione cada estudiante:

  • Alumnos que se incorporan a la experiencia educativa a través de una asignatura en la que están matriculados: en estos casos, los alumnos de cada asignatura que se adhiere al proyecto disponen de las siguientes ventajas:
    • Posibilidad de elegir entre realizar las prácticas habituales de la asignatura o una mezcla de las anteriores y de las necesarias para alcanzar uno o varios retos.
    • Derecho a que las prácticas del reto sean evaluadas como parte de las prácticas de la asignatura.
    • Tutorización y resolución de dudas consultando a los profesores de la asignatura.
  • Alumnos que se incorporan a la experiencia educativa sin las condiciones, los medios y las evaluaciones de ninguna asignatura:
    • Normalmente deberán conseguir el material necesario para la consecución de su reto (menos de 100€).
    • Tienen acceso a toda la documentación del proyecto.
    • Pueden consultar sus dudas técnicas a cualquiera de los profesores integrantes del proyecto.
  • Alumnos que escogen un solo reto o un itinerario básico de retos que no alcanzan al objetivo final del proyecto (vuelo del dron): estos alumnos normalmente serán aquellos que han elegido realizar el reto en una asignatura, y que posteriormente decidirán si continuar con sucesivos retos o no.

 

  • Alumnos que escogen los itinerarios con los que se alcanza el objetivo final del proyecto (vuelo del dron): los alumnos que se incorporan de manera autónoma (no a través de alguna asignatura) a la propuesta educativa que ofertamos, con toda probabilidad querrán llegar a alcanzar el objetivo final de controlar su propio dron (el material es suyo). También resulta probable que una proporción importante de los alumnos que han finalizado un reto a través de una asignatura, decidan posteriormente alcanzar el objetivo final del proyecto de manera autónoma.

El proyecto propuesto presenta una serie de limitaciones que resulta adecuado indicar, puesto que el objetivo, a medio plazo, consiste precisamente en superar estas limitaciones:

  • El presupuesto existente de ninguna manera cubre el coste para montar un laboratorio de experimentación. En una primera fase haremos uso del material del que dispone el Departamento para poder abordar un grupo de prácticas; también resulta probable que Samsung aporte financiación, en el contexto de los cursos que se vienen impartiendo en nuestra Escuela fruto del acuerdo marco entre Samsung y la UPM.
  • La transversalidad de las acciones educativas propuestas hace aconsejable la implicación de diversas asignaturas de los grados, aunque los alumnos también pueden afrontar los retos diseñados haciendo uso del material que ofreceremos.
  • Un proyecto de este alcance requiere de un tiempo superior a un año para involucrar a los diferentes actores educativos: alumnos, profesores, asignaturas, departamentos y al propio Centro. En este sentido, hay que entender esta propuesta como la consecución de una experiencia que permita atraer, en sucesivos años, a la mayor cantidad de los actores educativos señalados.
OBJETIVOS DEL PROYECTO

Este proyecto pretende beneficiarse de las ventajas educativas que proporciona conseguir una adecuada relación entre la motivación de los alumnos y su consecución de retos alcanzables. La experiencia del director del proyecto impartiendo cursos especializados indica que existen diversos aspectos clave que inciden en la motivación de los estudiantes:

  1. Los alumnos se sienten motivados cuando las prácticas se dirigen hacia la consecución de un reto tangible, diferenciador y motivador (vehículo robótico autopropulsado, brazo articulado, etc.). No basta con realizar sesiones de aprendizaje inconexas (control de sensores, comunicaciones, actuadores, programación, diseño, construcción, etc.). Los estudiantes trabajan con mayor interés cuando cada una de esas sesiones de aprendizaje les acerca hacia el reto final.
  2. Los alumnos suelen mantener la motivación cuando el reto final se alcanza mediante la consecución de una serie de retos parciales. A menudo, una proporción de los alumnos entra en un estado anímico en el que duda de su capacidad para alcanzar el reto final, lo que disminuye radicalmente su motivación en el aprendizaje.
  3. Los estudiantes no encuentran la relación entre las enseñanzas adquiridas en las distintas asignaturas.

Los objetivos generales que se pretenden alcanzar con este proyecto emanan de las consideraciones anteriores:

  1. Motivación de los alumnos mediante el aprendizaje dirigido al diseño, construcción, programación y/o control automático de un dron.
  2. Establecimiento de una serie ordenada de retos parciales que, unidos, logran la consecución del reto final (definido en el objetivo 1).
  3. Fomentar la transversalidad entre asignaturas, distribuyendo los retos parciales en diferentes asignaturas.

Los objetivos específicos del proyecto son:

  1. Creación de material didáctico de enseñanza para que los estudiantes puedan alcanzar cada uno de los retos establecidos: una unidad didáctica por cada reto.
  2. Fomento del uso de los materiales didácticos anteriores en un conjunto representativo de asignaturas: diseño con microprocesadores, programación orientada a objetos, control de procesos, interfaces gráficos y telemática.
  3. Estudio del impacto de esta experiencia didáctica, utilizando grupos de control de estudiantes que la cursen y grupos de estudiantes que hagan uso de los recursos y enfoques que se siguen actualmente.
  4. Expansión del proyecto: fomento de una comunidad de “makers”, a través de GitHub, que evolucione los diseños y los sketches básicos de uso del dron.
  5. Difusión de resultados en revistas y congreso de innovación educativa.
CONTRIBUCIÓN A LA MEJORA DE LA CALIDAD

La mejora de la calidad que promueve esta propuesta se fundamenta en:

  • Aumento de la motivación de los alumnos, al proporcionarles la posibilidad de aprender utilizando un recurso (dron) que actualmente se valora mucho y del que se tiene la percepción de que va a ser un instrumento tecnológico importante en el futuro.
  • Utilización del recurso didáctico del aprendizaje por retos. Las ventajas del uso de este recurso didáctico ya han sido estudiadas y confirmadas en multitud de experiencias de educación. Nuestra propuesta hace un uso extensivo del aprendizaje por retos. Los retos se establecen en diversos ámbitos: diseño hardware con configuración estable y/o con configuración inestable de vuelo, implementación software, control del proceso del vuelo, vuelo autónomo en entornos controlados, control telemático seguro del vuelo en espacios cerrados y/o espacios abiertos en distancias cortas.
  • Transversalidad entre asignaturas en varios planes de estudio: un problema existente en los actuales planes de estudio es la ausencia generalizada de continuidad entre unas enseñanzas y otras. Actualmente, los conocimientos adquiridos en una gran proporción de asignaturas no se emplean en las demás asignaturas. Con nuestra propuesta de innovación educativa, los retos pueden alcanzarse en un grupo de asignaturas y pueden servir de base para la consecución de retos propuestos en otros grupos de asignaturas; en otras palabras: nuestra propuesta permite distribuir y reutilizar los retos entre asignaturas. A modo de ejemplo: en una asignatura de arquitectura de computadores se puede alcanzar el reto del diseño estructural y de desplazamiento del dron; en otra asignatura (programación orientada a objetos) se puede alcanzar el reto de implementación de las bibliotecas de control software de las funciones básicas de vuelo; en la asignatura de control de procesos se pueden diseñar e implementar los algoritmos de vuelo fly-by-wire; en la asignatura inteligencia artificial se podría llegar a alcanzar el reto de un vuelo autónomo en entornos controlados; en la asignatura de telemática se podría alcanzar el reto de control remoto y seguro del vuelo, etc.
ALCANCE Y PÚBLICO OBJETIVO AL QUE SE DIRIGE

Titulación/es Grado:


Titulación/es Máster:
Nº de Asignatura/s: 2
Centro/s de la UPM:
  • E.T.S DE ING. DE SISTEMAS INFORMÁTICOS
  • FASES DEL PROYECTO Y ACCIONES QUE SE VAN A DESARROLLAR

    FASE 1: Diseño hardware del dron en configuración estable y en configuración inestable de vuelo.

    • Hardware de control programado de los cuatro motores del dron.
    • Alimentación de control para los circuitos y alimentación de potencia para los motores.
    • Recogida de datos de vuelo: incorporación y programación de giroscopios, acelerómetros y magnetómetros.

    Esta fase será desarrollada entre enero de 2019 y marzo de 2019.

     

    FASE 2: Programación de rutinas básicas de vuelo

    • Programación configurable de modos de vuelo.
    • Incorporación de técnicas de orientación a objetos y de reutilización de bibliotecas.
    • Control de estabilidad de vuelo en configuración estable del dron.
    • Toma de datos para procesos de depuración.
    • Interfaz gráfico de usuario.

    Esta fase será desarrollada desde abril de 2019 y junio de 2019.

     

    FASE 3: Control avanzado de vuelo.

    • Introducción al control de vuelo en configuración inestable del dron.
    • Control telemático del dron en entornos cerrados
    • Introducción al control telemático del dron en entornos abiertos de corta distancia
    • Introducción al vuelo autónomo mediante recogida de datos y aprendizaje supervisado.

    Es importante delimitar el alcance del “control de vuelo” en este proyecto. Conseguir una operativa totalmente estable (por ejemplo, para hacer grabaciones de vídeo) supone un objetivo típico en proyectos de fin de máster de Ingeniería Electrónica o Aeronáutica. En nuestro caso el reto se limita a un control de vuelo sencillo cuyo diseño puedan entender alumnos no especializados en esta materia.

    Esta fase será desarrollada entre julio de 2019 y octubre de 2019.

     

    FASE 4: Difusión de los resultados

    Durante esta fase se analizarán los resultados obtenidos en el proyecto y se realizará la difusión de todos aquellos logros que sean considerados como relevantes. Para la realización del análisis se desarrollarán cuestionarios que permitan conocer las repercusiones de la aplicación de esta metodología en los alumnos participantes en las pruebas piloto.

    Esta fase será desarrollada entre noviembre de 2019 y diciembre de 2019.

    RECURSOS Y MATERIALES DOCENTES

    En las fases 1 y 2 del proyecto se utilizará un conjunto de materiales docentes que los alumnos podrán consultar para alcanzar los diversos retos propuestos. Estos materiales docentes se componen de:

    • Proyectos: normalmente cada proyecto abarcará los objetivos y documentación asociados a un reto; es decir, normalmente existirá una relación biunívoca entre proyectos y retos.
    • Diseños hardware: componentes electrónicos utilizados y su interconexión teórica.
    • Diseños específicos en placa: los diseños hardware plasmados en la arquitectura seleccionada, que habitualmente será la del Arduino, debido a su simplicidad, economía y amplia documentación existente.
    • Sketches: programas de control de los diseños específicos en placa.
    • Vídeos demostrativos: explicaciones de diseño, implementación y pruebas en formato audiovisual.

    En la Fase 3 del proyecto también se utilizan materiales didácticos como los mencionados para las fases 1 y 2. Adicionalmente, se podrán incorporar materiales didácticos relativos a las enseñanzas teóricas específicas que sustentan cada reto: control de procesos, comunicaciones y aprendizaje automático (machine learning).

    SEGUIMIENTO Y EVALUACION

    Tras finalizar la creación de los recursos didácticos y tecnológicos de las fases 1 y 2, necesarios para poder testear el proyecto, se realizará una prueba piloto en la asignatura de Programación Orientada a Objetos (POO), impartida en el primer semestre del segundo curso de las titulaciones de Grado en Ingeniería del Software, Grado en Ingeniería de Computadores, Grado en Sistemas de Información y Grado en Tecnologías para la Sociedad de la Información (ETSI de Sistemas Informáticos). Además, se invitará a los profesores de diversas asignaturas a realizar pruebas piloto relacionadas con su campo: Diseño de microprocesadores, Transmisión de datos, Inteligencia Artificial e Interfaces gráficos de usuario. Al menos un grupo de cada asignatura compuesto por, aproximadamente, 20 estudiantes, será empleado para validar la hipótesis planteada por este proyecto. Los estudiantes recibirán el material docente y les serán propuestos diversos retos de acuerdo con sus preferencias y motivaciones.

    Las evidencias de logro de los objetivos del proyecto se medirán en base a:

    • La proporción del número de retos alcanzados por los alumnos que participan en la experiencia piloto.
    • La proporción de alumnos que han solicitado participar en las experiencias piloto.
    • El grado de satisfacción que los alumnos de las experiencias piloto expresen mediante formularios de satisfacción que rellenarán al final del curso.
    PRODUCTOS RESULTANTES

    Los productos resultantes son:

    1. Los materiales didácticos especificados en el apartado “Recursos y materiales docentes”.
    2. El resultado de los desarrollos realizados para la consecución de los retos establecidos. Estos resultados pueden ser usados para ampliar la información didáctica y el nivel de los retos en futuras acciones de enseñanza, utilizando el modelo de la propuesta.
    • El conjunto de drones creados en el proceso de enseñanza.
    • El software básico de control de vuelo, con su documentación didáctica asociada.
    • El software avanzado de control de vuelo, con su documentación didáctica asociada.
    • El software de telemetría y control remoto de vuelo.
    • El software de aprendizaje por refuerzo basado en machine learning.

    El conjunto de información expuesto en los apartados 1 y 2 constituye una muy innovadora guía básica de aprendizaje en electrónica y programación (retos básicos) y en aprendizaje supervisado y comunicaciones (retos avanzados). Los materiales didácticos resultantes no son cursos completos en sus materias (electrónica, programación, etc.); son cursos específicos, muy motivadores y basados en una consecución de retos menores hasta alcanzar el objetivo o reto final: el diseño y programación de un dron.

    El potencial de transferencia de esta propuesta es muy grande. Hay que tener en cuenta que existen muy pocos drones en el mercado que permitan acceder a una programación de su vuelo. En los casos en los que se puede hacer uso de algún API de programación, este interfaz es complejo, muy poco didáctico, solo se puede aplicar a un modelo de dron, y el lenguaje de programación está fijado. Además, no existe ningún caso que conozcamos en el que se pueda acceder a los datos RAW: secuencia temporal de datos de sensores, giroscopios, acelerómetros, etc., lo que hace imposible abordar nuestros retos más avanzados: control dinámico de vuelo, aprendizaje supervisado para vuelos autónomos, telemetría, etc.

    Una extensión de este proyecto tendría aplicación en diversas Escuelas de ingeniería: Aeronáutica, Topografía, Telecomunicaciones, Informática, Montes, etc. Además, debido al innovador acceso abierto a los datos RAW, existiría una situación de dominio del mercado de enseñanza basado en dispositivos autónomos.

    MATERIAL DIVULGATIVO

    Se elaborará el siguiente material divulgativo (una vez finalizado el proyecto):

    • Artículo científico que explique el objetivo del proyecto y los diseños y programaciones obtenidos.
    • Artículo científico que muestre el impacto educativo de las experiencias piloto realizadas.
    • Repositorio software en la plataforma GitHub con los sketches programados.
    • Página web informativa sobre los avances del proyecto y el impacto de éste en los estudiantes.
    COLABORACIONES

    Universidad Autónoma de Madrid. Departamento de Tecnología Electrónica y de las Comunicaciones